DISEÑO, DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN DISPOSITIVO DE PRUEBAS DE ELECTROHILADO (ELECTROSPINNING) PARA

APLICACIONES EN NANOINSTRUMENTACIÓN

MÓNICA FERNANDA ROA RODRÍGUEZ

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE BUCARAMANGA FACULTAD DE INGENIERIAS FISICO-MECANICAS

PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA BUCARAMANGA

2017

DISEÑO, DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN DISPOSITIVO DE PRUEBAS DE ELECTROHILADO (ELECTROSPINNING) PARA

APLICACIONES EN NANOINSTRUMENTACIÓN

MÓNICA FERNANDA ROA RODRÍGUEZ

Proyecto de Grado

DIRECTOR Dr. Sc. Ing. ANTONIO FAUSTINO MUÑOZ MONER Ph.D

Semillero de Instrumentación y Control

UNIVERSIDAD AUTONÓMA DE BUCARAMANGA FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICO-MECÁNICAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA BUCARAMANGA

2017

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NOTA DE ACEPTACIÓN

Aceptado

__________________________________________

__________________________________________

__________________________________________

__________________________________________

FIRMA DE DIRECTOR DE PROYECTO

______ ___________________________________ Vto Bueno

FIRMA EVALUADOR

_________________________________________

_________________________________________

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DEDICATORIA

Este logro va dedicado a la mitad de mi vida, mi familia en especial a un angelito

que desde el cielo guía mis pasos, celebra mis triunfos y en momentos de tristeza

siempre me acoge, mi padre Eduardo Roa Galvis y, a su compañera de vida, mi

gran ejemplo de amor, perseverancia, mi amiga, maestra y mi motor del día a día,

mi Madre Isolina Rodríguez a ellos dedico este trabajo, recopilación de años de

esfuerzo y dedicación, con el que en años entregue lo mejor de mi, en donde

lagrimas, sonrisas celebraciones y muchas veces llamados de atencion hicieron de

este proceso algo especial en mi crecimiento personal y profesional.

5

AGRADECIMIENTOS

Le agradezco a Dios por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi carrera,

por ser mi fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarme una vida llena

de aprendizaje, experiencias y sobre todo felicidad.

Le doy gracias a mis padres Isolina y Eduardo por apoyarme en todo momento,

por los valores que me inculcaron desde niña y por haberme dado la oportunidad

de tener una excelente educación en el transcurso de mi vida. Sobre todo por ser

siempre un excelente ejemplo en el seguir adelante cumpliendo sueños sin

importar las dificultades que se nos presenten.

A mis hermanos Eduardo,Mario,Raul y Juan carlos por ser parte importante de mi

vida y representar amor, unidad, respeto y un claro ejemplo de desarrollo

profesional a seguir

A mis compañeros, amigos, quienes estuvieron conmigo compartiendo esta etapa

tan importante para mi vida brindandome siempre lo mejor, celebrando hasta el

mas pequeño logro y apoyandonos moralmente cuando las cosas no salian de la

mejor forma

Le agradezco la confianza, apoyo y dedicación de tiempo a mis profesores en y

asistentes de laboratorio que sin importar el momento siempre estaban con su

mejor disposicion para colaborarnos . Mil y mil gracias a todos ustedes y a quienes

hoy se me escapa de nombrar pero que en mi corazon y mente siempre estan.

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CONTENIDO

Pág. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………….. 18

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN……………………….19

2. ANTECEDENTES……………………………………………………………………20

2.1 PROYECTOS RELACIONADOS CON EL ELECTROSPINNING ................ 20

2.1.1 Prototipo automatizado para la implementación de la técnica “electrospinning” en aplicaciones farmacológicas ........................................... 20

2.2 ELECTROSPINNING: LA ERA DE LAS NANOFIBRAS ............................... 20

3. OBJETIVOS………………………………………………………………………….. 22

3.1 OBJETIVO GENERAL .................................................................................. 22

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................ 22

4. ESTADO DEL ARTE………………………………………………………………… 23

4.1 APLICACIONES BIOMÉDICAS .................................................................... 23

4.2. MÁQUINAS DE ELECTROHILADO Referencia DLi Tong Tech. ............... 24

5. MARCO TEÓRICO……………………………………………………………………26

5.1 EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIÓN ............................................... 26

5.2 DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA DE ELECTROSPINNING ........................ 27

5.3 PARÁMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING ......................... 28

5.4 APLICACIONES DE LAS FIBRAS POR ELECTROSPINNING .................... 29

5.5 PROCEDIMIENTO PARA DIMENSIONAR EL MODELO DE MEDICIÓN A NANOESCALA ................................................................................................... 31

6. DISEÑO METODOLÓGICO………………………………………………………… 32

6.1 METODO CIENTÍFICO APLICADO A LA METODOLÓGIA DE DISEÑO 32

6.2 METODOLOGÍA DE DISEÑO MECATRÓNICO........................................... 33

6.2.1 Diagrama de flujo ................................................................................... 33

7. DISEÑO MECANICO DE LA MAQUINA DE ELECTROSPINNING……………. 35

7.1 PARTES DE LA MAQUINA DE ELECTROSPINNING ................................ 35

7.1.1 Bomba de infusión o elemento actuador lineal ....................................... 35

7.1.2 Diseño mecánico tornillo de potencia ..................................................... 36

7.1.2.1 Terminología de los tornillos de potencia. ........................................ 36

7.1.2 Colector .................................................................................................. 37

7

7.1.3 Generador de alta tensión ...................................................................... 37

7.1.4 Circuito electrónico ................................................................................. 38

7.1.5 Caja protectora ....................................................................................... 40

7.1.6 Inyector, tubo de conexión y aguja ......................................................... 40

7.1.7 Sensores y actuadores. .......................................................................... 41

7.1.7.1 Características Estáticas del Motor paso a paso ............................. 41

7.1.8.2 Selección de sensores ..................................................................... 43

7.2 MODELIZACIÓN DEL PROCESO ............................................................... 44

7.3 DETERMINACIÓN DEL FLUJO MÁXIMO DEL SISTEMA ........................... 45

8. MODELO ELECTRICO……………………………………………………………… 46

8.1 DISEÑO DE TARJETA ELECTRÓNICA ....................................................... 46

8.2 CIRCUITO ELECTRÓNICO ......................................................................... 47

8.3 PROGRAMACIÓN ........................................................................................ 48

8.3.1 Programación basada en arduino .......................................................... 48

8.3.2 Programación de interfaz gráfica (Labview) ........................................... 50

9. ANALISIS DEL POLIMERO………………………………………………………… 53

9.1 PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................. 53

9.1.1 Materiales ............................................................................................... 53

9.2 CARACTERÍSTICAS .................................................................................... 55

9.3 DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL ................................................................ 56

9.4 VALIDACIÓN EXPERIMENTAL ................................................................... 59

9.4.1 Diseño de experimentos con el uso del polimero ................................... 59

9.4.2 Desarrollo de las pruebas y obtencion de las muestras ........................ 60

9.4.3 Resultado del procesamiento y análisis de muestra............................... 60

10. RESULTADOS EXPERIMENTALES…………………………………………….. 69

10.1 ANÁLISIS DE LA MUESTRA ...................................................................... 70

10.2 EXPERIMENTOS ...................................................................................... 71

10.3 ANALISIS DE ALTA TENSION SIN INYECCION DE POLIMERO ............. 76

10.4 ANALISIS ESTADISTICO DE LAS PRUEBAS DESARROLLADAS VOLTAJE Vs DISTANCIA ................................................................................................... 81

10.5 VOLTAJES Y DIAMETROS PROMEDIOS DE LOS EXPERIMENTOS ... 130

8

11. INVESTIGACIÒN DE MODELACION Y SIMULACION DE SISTEMAS

NANOTECNOLOGICOS DOTADOS EN NANOINSTRUMETACION

(NANOSENSORES)……………………………………………………………………139

CONCLUSIONES……………………………………………………………………… 151

RECOMENDACIONES……………………………………………………………….. 153

BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………… 154

ANEXOS……………………………………………………………………………….. 159

9

LISTA DE FIGURAS Figura 1. Habitáculo construido para el sistema de fabricación de parches mediante la técnica de electrospinning .................................................................................. 23 Figura 2.Parte interior de la maquina ..................................................................... 24 Figura 3.Electrospinning Machine LT . 01 .............................................................. 25 Figura 4. Aplicación Biomedica .............................................................................. 25

Figura 5. Esquema básico de la técnica de electrospinning .................................. 28 Figura 6. Proceso de la fibra .................................................................................. 28 Figura 7. Aplicaciones potenciales de las fibras de polímeros para electrospinning ............................................................................................................................... 30

Figura 8. Modelo de medicion a nanoescala ......................................................... 31 Figura 9. Metodología de diseño del proyecto ....................................................... 32 Figura 10. Proceso de la tecnica electrospinning................................................... 33

Figura 11. Diagrama de flujo estación de entrada de material ............................... 34 Figura 12. Diagrama de flujo estacion de polarización de la aguja ........................ 34

Figura 13. Diseño electrospinning .......................................................................... 35 Figura 14. Elemento lineal actuador ...................................................................... 35 Figura 15.Tornillo de potencia................................................................................ 36

Figura 16. Modelado del colector ........................................................................... 37 Figura 17. Flyback ................................................................................................. 38

Figura 18. Circuito Eléctrico ................................................................................... 38 Figura 19.Circuito interno flyback ........................................................................... 39 Figura 20. Señal de frecuencia .............................................................................. 39 Figura 21. Diseño caja protectora .......................................................................... 40 Figura 22. Sistema de inyector .............................................................................. 40

Figura 23. Prototipo final ........................................................................................ 41 Figura 24. Relación de torque y pulsos .................................................................. 41

Figura 25.Motor Nema 17 ...................................................................................... 42 Figura 26. Sensor DRV 5023 ................................................................................. 43 Figura 27. Diseño del prototipo final ...................................................................... 44

Figura 28. Máximo flujo .......................................................................................... 45 Figura 29.Shield ..................................................................................................... 46 Figura 30. Circuito electronico ............................................................................... 47 Figura 31. Parte eléctrica ....................................................................................... 48 Figura 32.Etapa 1 .................................................................................................. 48

Figura 33.Etapa 2 .................................................................................................. 49 Figura 34.Etapa 3 .................................................................................................. 49 Figura 35. Programación 1 .................................................................................... 51 Figura 36.Programación 2 ..................................................................................... 51

Figura 37.Programación 3 ..................................................................................... 52 Figura 38. Programación 4 .................................................................................... 52 Figura 39. Estructura quimica Figura 40.Polivinil en polvo ................................ 53 Figura 41. Agua destilada ...................................................................................... 55

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Figura 42. Cantidad de PVA .................................................................................. 56 Figura 43. Soluciones ............................................................................................ 57 Figura 44. Disolución de la sustancia .................................................................... 57

Figura 45. Soluciones ............................................................................................ 58 Figura 46.Resultados ............................................................................................. 58 Figura 47. Gota de PVA ......................................................................................... 59 Figura 48. Superposición con muestras del 6% ..................................................... 60 Figura 49 Superposición con muestras del 8% ...................................................... 61

Figura 50 Superposición con muestras del 10% .................................................... 62 Figura 51. Referencias WinWulff SIESTA .............................................................. 63 Figura 52. Simulaciòn ............................................................................................ 64 Figura 53 Referencias WinWulff SIESTA ............................................................... 64

Figura 54. Simulaciòn ............................................................................................ 65 Figura 55 Referencias WinWulff SIESTA ............................................................... 65 Figura 56. Simulaciòn ............................................................................................ 66

Figura 57.Propiedades electricas de la norma ISO TC 213 ................................... 66 Figura 58.Modelaciòn del comportamiento electrico .............................................. 67

Figura 59 Caracterizaciòn electrica ........................................................................ 67 Figura 60.Catàlogo del fabricante .......................................................................... 68 Figura 61. Arco electrico ........................................................................................ 69

Figura 62.Fibras ..................................................................................................... 69 Figura 63. Imágenes de laboratorio ....................................................................... 70

Figura 64.Muestra de fibras de PVA ...................................................................... 71 Figura 65. Capas fibrosas ...................................................................................... 71 Figura 66. Fotografía de las fibras obtenidas a 6% de concentración de PVA ...... 72 Figura 67 Fotografía de las fibras obtenidas a 8% de concentración de PVA ....... 73 Figura 68 Fotografía de las fibras obtenidas a 10% de concentración de PVA ..... 73

Figura 69.Análisis presentación de fibras .............................................................. 76 Figura 70. Membrana de fibras de PVA ................................................................. 76

Figura 71.Análisis de alta tensión .......................................................................... 77 Figura 72.Proceso de modelación y simulación de nanosensores ...................... 139 Figura 73.Proceso de simulación ......................................................................... 140

Figura 74 Elemento piezoeléctrico ....................................................................... 147 Figura 75 Modelo matrical ................................................................................... 149

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LISTA DE GRÁFICOS

Graficas 1 Campos de aplicación de las fibras ...................................................... 30 Graficas 2 Soluciòn 6% .......................................................................................... 74 Graficas 3 Soluciòn 8 % ......................................................................................... 74 Graficas 4 Soluciòn 10% ........................................................................................ 75 Graficas 5 Analisis de frecuencia Asbsoluta solucion al 6% - 2cms ...................... 83

Graficas 6 Poligono de Frecuencias Relativas 6% - 2 cms .................................... 84 Graficas 7 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 6% - 2 cms ................................ 84 Graficas 8 Analisis de Frecuencia absoluta al 6%-2 cms ...................................... 86 Graficas 9 Poligono de Frecuencias Relativas al 6% - 2 cms ............................... 86

Graficas 10 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 6% - 2 cms .............................. 87 Graficas 11 Diametro en funcion del Voltaje solucion al 6% - 2 cms ..................... 87 Graficas 12 Analisis de Frecuencia absoluta voltaje al 8% - 2 cms ....................... 89

Graficas 13 Poligono de Frecuencias Relativas al 8% - 2 cms .............................. 90 Graficas 14 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 8% - 2 cms ............................... 90

Graficas 15 Analisis de frecuencia absoluta de Diametro al 8% - 2 cms ............... 92 Graficas 16 Poligono de Frecuencias Relativas de diametro 8% - 2 cms .............. 92 Graficas 17 ojiva de frecuencias acumuladas de diametro al 8% - 2 cms ............ 93

Graficas 18 Diametro en funcion del voltaje solucion al 8% - 2 cms ...................... 93 Graficas 19 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 10% - 2 cms ...................... 95

Graficas 20 Poligono de Frecuencias Relativas voltaje al 8% - 2 cms ................... 96 Graficas 21 ojiva de frecuencias acumuladas voltaje 10% - 2 cms ....................... 96 Graficas 22 Analisis de frecuencia absoluta diametro al 10% - 2 cms ................... 98 Graficas 23 Poligono de frecuencias relativas al 10% - 2 cms .............................. 98 Graficas 24 ojiva de frecuencias acumuladas al 10% - 2 cms .............................. 99

Graficas 25 Diametro en funcion del voltaje solucion al 10% - 2 cms ................... 99 Graficas 26 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 6% - 4 cms ...................... 101

Graficas 27 Ojiva de frecuencias acumuladas al 6% - 4 cms ............................. 102 Graficas 28 Analsis de frecuencia absoluta diametro al 6% - 4 cms.................... 103 Graficas 29 ojiva de frecuencias acumuladas al 6%- 4 cms ............................... 104

Graficas 30 Diametro en funcion del voltaje solucion al 6% - 7 cms .................... 104 Graficas 31 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 8%- 4 cms ....................... 106 Graficas 32 Ojiva de frecuencias acumuladas al 8% - 4 cms ............................. 107 Graficas 33 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 8% - 4 cms ...................... 108 Graficas 34 Ojiva de frecuencias acumuladas al 8% - 4 cms .............................. 109

Graficas 35 Diametro en funcion del voltaje solucion al 8% - 4 cms .................... 109 Graficas 36 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 10% - 4 cms ................... 111 Graficas 37 Ojiva de frecuencias acumuladas al 10% - 4 cms ........................... 112 Graficas 38 Analisis de frecuencia absoluta diametro al 10% - 4 cms ................. 113

Graficas 39 Ojiva de frecuencias acumuladas al 10% - 4 cms ........................... 114 Graficas 40 Diametro en funcion del voltaje solucion al 10% - 4 cms ................. 114 Graficas 41 Analisis de frecuencia abnsoluta voltaje al 6% - 7 cms .................... 116 Graficas 42 Ojiva de frecuencias acumuladas al 6% - 7 cms ............................. 117

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Graficas 43 Analisis de frecuencia diametro al 6% - 7 cms ................................ 118 Graficas 44 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 6% - 7 cms ............................. 119 Graficas 45 Diametro en funcio del voltaje solucion al 6% - 7 cms ...................... 119

Graficas 46 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 8% - 7 cms ..................... 121 Graficas 47 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 8% - 7 cms ............................. 122 Graficas 48 Analisis de frecuencia absoluta diametro al 8% - 7 cms ................... 123 Graficas 49 Ojiva de frecuencias acumuladas al 8%- 7 cms ............................... 124 Graficas 50 Diametro en funcion del voltaje solucion al 8% - 7 cms .................... 124

Graficas 51 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 10% - 7 cms .................... 126 Graficas 52 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 10% - 7 cms ........................... 127 Graficas 53 Analisis de frecuencia diametro 10% - 7 cms ................................... 128 Graficas 54 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 10% - 7 cms ........................... 129

Graficas 55 diametro en funcion del voltaje solucion al 10% - 7 cms ................. 129 Graficas 56 Diametro en funcion de la distancia solucion al 5% .......................... 131 Graficas 57 Relacion de propocionalidad entre Diametro y Distancia - Solucion al 5% ........................................................................................................................ 132 Graficas 58 Curva del diametro en funcion de la distancia solucion al 5% .......... 132

Graficas 59 Diametro en funcion de la distancia solucion al 8% .......................... 134 Graficas 60 Relacion de proporcionalidad entre diametro y distancia - solucion al 8% ............................................................................................................................. 134

Graficas 61 Curva del diametro en funcion de la distancia - solucion al 8% ........ 135 Graficas 62 Diametro en funcion de la distancia - solucion al 10%...................... 136

Graficas 63 Relacion de proporcionalidad entre diametro y distancia - solucion al 10% ...................................................................................................................... 137 Graficas 64 Curva del diametro en funcion de la distancia - solucion al 10% ...... 137

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1.Datos del Tornillo sin fín ............................................................................ 36 Tabla 2.Datos de operación motor ......................................................................... 42 Tabla 3. Viscocidades ............................................................................................ 54 Tabla 4 Características H2O .................................................................................. 55 Tabla 5. Porcentajes de preparación ..................................................................... 56

Tabla 6. Parametros .............................................................................................. 72 Tabla 7 Datos prueba 1 Tabla 8 Datos prueba 2 .............................................. 78 Tabla 9.Datos prueba 3 Tabla 10Datos prueba 4 ............................................. 78 Tabla 11.Datos prueba 5 Tabla 12. Datos prueba 6 ........................................... 78

Tabla 13 Datos prueba 7 Tabla 14. Datos prueba 8 ........................................... 79 Tabla 15.Datos prueba 9 Tabla 16.Datos prueba 10 .......................................... 79 Tabla 17.Datos prueba 12 Tabla 18.Datos prueba 11 .......................................... 79

Tabla 19.Datos prueba 13 Tabla 20.Datos prueba 14 .......................................... 80 Tabla 21.Datos prueba 15 ..................................................................................... 80

Tabla 22. Medidas de tendencia central ................................................................ 80 Tabla 23 Toma de datos 6% .................................................................................. 81 Tabla 24 Medidas de tendencia central ................................................................. 82

Tabla 25. Tabla de frecuencias .............................................................................. 82 Tabla 26. Medidas de tendencia central para Diametro ......................................... 85

Tabla 27. Tablas de frecuencia .............................................................................. 85 Tabla 28. Toma de datos 8% ................................................................................. 88 Tabla 29. Medidas de tendencia central para el voltaje ......................................... 88 Tabla 30. Tabla de frecuencias .............................................................................. 89 Tabla 31. Medidas de tendencia central y dispersiòn ............................................ 91

Tabla 32 Tabla de frecuencias ............................................................................... 91 Tabla 33.Toma de datos 10% ................................................................................ 94

Tabla 34. Medidas de tendencia central ................................................................ 94 Tabla 35.Tabla de frecuencias ............................................................................... 95 Tabla 36. Medidas de tendencia central y dispersion ............................................ 97

Tabla 37. Tabla de frecuencias .............................................................................. 97 Tabla 38. Toma de datos ..................................................................................... 100 Tabla 39. Medidas de tendencia central .............................................................. 100 Tabla 40.Tabla de frecuencias ............................................................................. 101 Tabla 41. Medidas de tendencia central .............................................................. 102

Tabla 42.Tabla de frecuencias ............................................................................. 103 Tabla 43.Toma de datos 8% ................................................................................ 105 Tabla 44. Medidas de tendencia central .............................................................. 105 Tabla 45.Tabla de frecuencias ............................................................................. 106

Tabla 46. Medidas de tendencia central .............................................................. 107 Tabla 47.Tablas de frecuencias ........................................................................... 108 Tabla 48. Toma de datos ..................................................................................... 110 Tabla 49. Medidas de tendencia central .............................................................. 110

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Tabla 50. Tabla de frecuencias ............................................................................ 111 Tabla 51. Medidas de tendencia central .............................................................. 112 Tabla 52.Tabla de frecuencias ............................................................................. 113

Tabla 53. Toma de datos ..................................................................................... 115 Tabla 54. Medidas de tendencia central .............................................................. 115 Tabla 55. Tabla de frecuencias ............................................................................ 116 Tabla 56.Medidas de tendencia central ............................................................... 117 Tabla 57. Tabla de frecuencias ............................................................................ 118

Tabla 58.Toma de datos ...................................................................................... 120

Tabla 59. Medidas de tendencia central y dispersión ........................................... 120

Tabla 60.Tabla de frecuencias .............................................................................. 121

Tabla 61.Medidas de tendencia central y dispersión Diametro ............................. 122

Tabla 62.frecuencias ............................................................................................ 123

Tabla 63.Toma de datos ...................................................................................... 125 Tabla 64. Medidas de tendencia central y dispersión .......................................... 125

Tabla 65. Frecuencias ......................................................................................... 126 Tabla 66. Medidas de tendencia central .............................................................. 127

Tabla 67.Frecuencias .......................................................................................... 128 Tabla 68. Voltajes y diametros promedio ............................................................. 130 Tabla 69 Solucion al 6% ...................................................................................... 130

Tabla 70 Metodo de Minimos Cuadrados ............................................................ 131 Tabla 71 Porcentaje de error ............................................................................... 133

Tabla 72 Solucion al 8% ...................................................................................... 133 Tabla 73 Metodo de minimos cuadrados ............................................................. 133 Tabla 74 Porcentaje de Error ............................................................................... 135 Tabla 75 Solucion al 10% .................................................................................... 135 Tabla 76 Metodo de minimos cuadrados ............................................................. 136

Tabla 77 Porcentaje de error ............................................................................... 138 Tabla 78. DNA CODE nano sensor ..................................................................... 150

Tabla 79. DNA CODE nano actuador .................................................................. 150

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LISTA DE ANEXOS

Pág. Anexo 1. Base para colector ................................................................................ 159 Anexo 2. Cilindro colector .................................................................................... 160 Anexo 3. Barilla, Tornillo sin fin ............................................................................ 162

Anexo 4. Rodamiento y motor.............................................................................. 163 Anexo 5. Inyector ................................................................................................. 164 Anexo 6. Tensor ................................................................................................... 165 Anexo 7. Ayuda al Servicio .................................................................................. 166 Anexo 8. Articulo nanosensor………………………………………………………….166

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RESUMEN

El presente trabajo contempla la investigación sobre el Diseño desarrollo e implementación de un dispositivo de pruebas basado en la Tecnica de Electrohilado (hilado electrónio ) que consiste en el control del flujo de la solución de un polímero que bajo la acción del campo eléctrico de alto voltaje, permite obtener la conformación de fibras a escala nanométrica. Esta técnica está compuesta por dos partes fundamentales: un inyector y un dispositivo colector; el inyector esencialmente consiste en una jeringuilla de cristal o plástico con una boquilla metálica, que contiene la solución del polímero. El colector es una placa metálica, y su forma varía según la finalidad de la fibra, la boquilla metálica se conecta a la fuente de alto voltaje, y el colector se conecta a tierra; en este proceso la solución del polímero se carga a un potencial eléctrico alto y la diferencia de potencial entre los dos electrodos, causa una fuerza opuesta a la tensión de superficie de la solución del polímero a medida que el campo eléctrico aumenta, la superficie de la solución en el tubo capilar se extiende para formar una estructura cónica, conocida como el cono del Taylor, cuando la fuerza electrostática es suficiente para superar la fuerza de tensión de superficie del polímero se producen nanohilos que se recogen aleatoriamente en el colector. En el proyecto se lleva a cabo con el diseño, desarrollo e implementación de un dispositivo de pruebas de electrohilado (electrospinning ) para aplicaciones en nanoinstrumentación que controla las variables físicas que intervienen en la producción de nanohilos como aporte en uno de los resultados del proyecto aprobado en la convocatoria bienal 2015-2016 titulado “Diseño y desarrollo de un laboratorio de nanotecnología como parte del proyecto FOSUNAB” financiado por la UNAB que se justifica porque está orientado a continuar las investigaciones en Nanotecnología como parte de la prospectiva de los planes de desarrollo de la Facultad de Ingenierías en sus proyectos del nuevo programa de pregrado de Ingeniería Biomédica, el Proyecto FOSUNAB, Proyectos del Doctorado en Ingeniería Red Mutis, de la Maestría en Automatización Industrial y Mecatrónica los Programas de Ingeniería Mecatrónica e Ingeniería de Sistemas, los resultados contribuirán con nuevos conocimientos para la electiva de profundización en Aplicación de Sistemas nanotecnológicos en Ingeniería, para las estudiantes investigadores del Semillero de Instrumentación y control, además se dispone del apoyo en alianza con el Laboratorio de Nanotecnología de la Universidad Técnica de Dinamarca y el Laboratorio de Biotecnología y Ambiente de la UNAB, que permitirán realizar pruebas para la fabricación de nanosensores con el apoyo (ver carta de intención firmada) con la dirección del Centro de Investigaciones de Dinamarca y la participación del Dr.Jaime Castillo León, investigador del Nano Bio Integrated System Group (NaBIS) y profesor de la misma universidad para las primeras pruebas de fabricación de nanosensores en el centro de investigación y producción en nanotecnología del Technical University of Denmark DTU.

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PALABRAS CLAVE: (Electrohilado_Electrospinning, nanohilos, nanosensores polímericos, diseño mectrónico de abajo hacia_ Bottom up).

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INTRODUCCIÓN El proceso de Electrospinning o Electrohilado es utilizado en la fabricación de nanohilos poliméricos en el rango de diámetro entre 2 nm y varias micrometros a partir de la disolución del polímero utilizado como sustancia de trabajo, esta técnica ha sido de gran interés en la última década debido a la posibilidad de controlar la fabricación de nanoestructuras de pequeño tamaño de las fibras y la diversidad de polímeros que pueden utlizarse con características específicas para la elaboración de nanohilos como por ejemplo alta superficie específica, porosidad controlabilidad e interconexión, alto rendimiento mecánico, flexibilidad, etc, todo ello hace que los nanohilos obtenidos por hilado electrónico se apliquen en procesos de catálisis, nanoinstrumentación, ingeniería de tejidos, textiles, filtración, cuidado personal, biotecnología, farmacia o ingeniería ambiental. En este proyecto se ha diseñado y construido una equipo de “electrospinning” para ser usado como instrumento de investigación en el grupo de nanotecnologia, estudiando a fondo su comportamiento, analisis de polimeros y puesto en marcha analizando los resultados de la fibras obtenidas con soluciones de diferentes concentraciones de alcohol Polivinilico PVA. a continuación de realiza el diseño experimental de las pruebas a partir de la selección del material y se construyeron se obtuvieron los dibujos a detalle, se construyeron las piezas, se ensamblaron, se creó un control de velocidades para los motores, una fuente de alto voltaje el respectivo analisis del polimero utilizado en este caso alcohol polivinilico (PVA), su composición y propiedades al inicio y al final. Tambien se anexa el estudio y modelado de estos sistemas nanotecnológicos a partir de la tecnica de bottom up (de abajo hacia arriba).

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN Entre el conjunto de métodos de fabricación de nanoestructuras y con el objetivo de diseñar e implementar su aplicación en nanoinstrumentación se encuentra la técnica de electrospinning que consiste en un proceso de atomización electrostática, utilizado para la conformación de fibras a escala nanométrica, a partir de un fluido de material bajo la acción de un campo eléctrico. En la línea de investigación de Mecatrónica del área nanotecnología y sus aplicaciones, surge la necesidad de crear un laboratorio de nanotecnología, con este proyecto se realizará el diseño, desarrollo e implementación de un dispositivo de pruebas de electrohilado (electrospinning) para aplicaciones en nanoinstrumentación deformación (carga), presión y fuerza que controla las variables físicas que intervienen en la producción de nanohilos para los estudiantes interesados en este campo, en donde puedan visualizar y llevar a práctica las teorías y conocimientos obtenidos. Es así como surge la idea de desarrollar un sistema mecánico para la implementación de la técnica de electrohilado de tamaño escala, el cual puede ser utilizado en la formación electrostática de fibras poliméricas, donde se hace uso de fuerzas eléctricas para producir fibras con diámetros en un rango desde dos nanómetros hasta varios micrómetros, a partir de soluciones poliméricas. Con este sistema se obtendrán fibras, las cuales serán estudiadas y analizadas para ser implementadas en otras líneas de investigación, con el propósito de que surjan nuevas aplicaciones y métodos en la comunidad científica.

20

2. ANTECEDENTES El presente proyecto surge a partir de ser aceptado en la convocatoria bienal 2015-2016 titulado “ Diseño y desarrollo de un laboratorio de nanotecnología como parte del proyecto FOSUNAB” financiado por la universidad Autónoma de Bucaramanga (UNAB) del Grupo de Control y Mecatrónica GICYM, cuyo investigador principal es el Prof. ANTONIO FAUSTINO MUÑOZ MONER actual tutor del proyecto de grado con el título de DISEÑO, DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UN DISPOSITIVO DE PRUEBAS DE ELECTROHILADO (ELECTROSPINNING) PARA APLICACIONES EN NANOINSTRUMENTACIÓN registrado en el semillero de Instrumentación y Control y aprobado como proyecto de grado que incluye otros resultados; cuyos resultados y alcances se constituyeron en objetivos del proyecto mencionado. 2.1 PROYECTOS RELACIONADOS CON EL ELECTROSPINNING 2.1.1 Prototipo automatizado para la implementación de la técnica “electrospinning” en aplicaciones farmacológicas.1 : En este proyecto se diseñó y construyó un prototipo electromecánico automatizado que controla las variables físicas que intervienen en la producción de fibras de forma homogénea y estándar como resultado final del proyecto “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO ELECTROMECÁNICO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LA TÉCNICA “ELECTROSPINNING” EN APLICACIONES FARMACOLÓGICAS” financiado por Colciencias y la Fundación Cardiovascular de Colombia. Lo que se va a extraer de este proyecto es principalmente la descripción del proceso que realizan durante la aplicación de la técnica electrospinning teniendo en cuenta el uso de inyectores, fuente de alto voltaje y una placa denominada colector. Utilizando la información que se tiene al respecto con el proceso de electrohilado. 2.2 ELECTROSPINNING: LA ERA DE LAS NANOFIBRAS La técnica consiste en hacer girar soluciones de polímero a través de altos campos eléctricos, se basa en aplicar suficientes fuerzas eléctricas que superen las fuerzas de la tensión superficial en la solución de polímero cargado, de esta forma a un voltaje determinado y finos chorros de solución son expulsados desde el capilar hasta el plato colector. Posteriormente el chorro se mueve en la dirección del campo eléctrico, elongándose de acuerdo a las fuerzas externas e internas y experimentando inestabilidad en algunas ocasiones. El disolvente se evapora y los segmentos de fibras son depositados al azar en un sustrato.

1 MANTILLA, Oscar Alberto. Diseño y Construcción de un Prototipo Electro-mecánico para la Implementación

de la Técnica " Electrospinning " en Aplicaciones Farmacológicas. Junio de 2006.

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De este proyecto se extraerá el tipo de montaje que se utilizará para la ejecución de la técnica, al igual que el análisis de concentración, parametrización de la solución de polímeros y análisis de las fibras obtenidas como resultado.2

2 DUQUE SÁNCHEZ, Lina Marcela; RODRÍGUEZ, Leonardo y LÓPEZ, Marcos. Electrospinning: La Era de las

Nanofibras [en línea]. En: Revista Iberoamericana de Polímeros Volumen 14(1), Enero de 2013. [Citado 1 feb 2016]. Disponible en Internet: <URL: http://www.ehu.eus/reviberpol/ pdf/ENE13/duque.pdf>

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3. OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GENERAL Diseño e implementación de un dispositivo por técnica de electrohilado (electrospinning) para su aplicación en nanoinstrumentación. 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Estudiar, diseñar y construir una máquina de electrospinning

Realizar pruebas de laboratorio para el estudio y preparación del polímero que

será utilizado

Monitorear en tiempo real los parámetros de funcionamiento del dispositivo de electrohilado

Realizar las respectivas pruebas de tratamiento de polímeros y nanoparticulas

extraídos de la técnica de electrohilado.

Modelar y simular sistemas nanotecnológicos dotados de nanoinstrumentación (nanosensores) de deformación (carga), presión y fuerza por metodología de diseño Bottom-up (de abajo hacia arriba).

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4. ESTADO DEL ARTE 4.1 APLICACIONES BIOMÉDICAS Entre las nuevas invenciones en cuanto a la técnica de electrospinning encontramos los siguientes avances en aplicaciones biomédicas: Un parche que se adhiere a la piel y que contiene muchas “microagujas” que podría sustituir a las tradicionales inyecciones de insulina, con la intención de ofrecer un tratamiento menos doloroso y más seguro a aquellos que deben inyectarse insulina para el control de su Diabetes, según lo revela un estudio científico de la Sociedad Química Americana de Washington D.C. en Estados Unidos. La Fundación Cardiovascular de Colombia (FCV) en colaboración con la Universidad de AKRON (Ohio, USA) realizó estudios para la aplicación de fibras poliméricas obtenidas por la técnica de electrospinning en la elaboración de fibras con aplicaciones farmacológicas. Estas fibras permiten la liberación de óxido nítrico (NO) para tratamientos de ulceras diabéticas y leishmaniosis. Empleando la tecnología de electrospinning, técnica que involucra un dispositivo en etapa experimental para la producción de filamentos de polímero empleando un campo. Creando para su servicio una máquina automatizada que cumple sus objetivos. Figura 1. Habitáculo construido para el sistema de fabricación de parches mediante la técnica de electrospinning

Fuente:Tesis “ Diseño y construcción de un prototipo electro-mecánico para la implementación de

la técnica “electrospinning” en aplicaciones farmacológicas” Rodriguez Jorge

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Figura 2.Parte interior de la maquina

Fuente:Tesis “Diseño y construcción de un prototipo electro-mecánico para la implementación de la

técnica “electrospinning” en aplicaciones farmacológicas” Rodriguez Jorge La apropiada utilización de la técnica del electrospinning para la fabricación de parches conteniendo polímeros especiales y con miras a la utilización en aplicaciones farmacéuticas requiere de una adecuada infraestructura, principalmente para el mantenimiento de las condiciones ambientales de forma que se garantice la calidad del producto esperado. En la figura 6, se puede apreciar una fotografía de la infraestructura final utilizada en este proyecto. 4.2. MÁQUINAS DE ELECTROHILADO Referencia DLi Tong Tech. Es una compañía que fabrica una gran selección de electrospinning máquina que incluye configuraciones de laboratorio, equipo de producción piloto, y las máquinas de producción en masa, tanto para soluciones de polímeros. Este sistema es utilizado para la producción de fibra ultra-fina con diámetro de 20-1000nm. Diámetro pequeño y gran porosidad. Hay más de 100 tipo de polímeros se pueden usar como materias primas. Tal como PEO, DNA, PAA, PLA, y también proteínas, colágeno, compuestos orgánicos, tales como nylon, poliéster, resina acrílica, y PVA, PS, PAN, péptido, celulosa, etc., y así sucesivamente.3

3 Compañía (TECH, s.f.)

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Figura 3.Electrospinning Machine LT . 01

Fuente:Compañía Li Tong Tech Figura 4. Aplicación Biomedica

Fuente:Compañía Li Tong Tech

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5. MARCO TEÓRICO

Existen varios procesos para nanofibras de fabricación. Por ejemplo, usando una micro pipeta con un diámetro de unos pocos micrómetros; un modelo sintético de nanotubos de carbono; estructuras poliméricas de conducción electrónica; y una armadura método de separación de fases de calor para producir nanofibras nano poroso. El electrospinning es el método más barato y más simple para producir nano materiales. La nanofibras creadas a partir de este procedimiento tiene una importancia vital para el crecimiento científico y económico. Las estructuras de fibras poliméricas que tienen diámetros en el intervalo de unos pocos micrómetros a décima de un nanómetro son de considerable interés para varias aplicaciones. Hoy es posible producir una fibra de bajo costo, gran valor y muy resistente desde residuos renovables y biodegradables para minimizar el impacto medioambiental de este método. Esta técnica aporta a los elementos desarrollados, diversas características como: amplia superficie por unidad de área, porosidad y una serie de propiedades mecánicas, siendo atractiva a nivel biotecnológico. La técnica es versátil y de fácil ensamble lo que ha permitido procesar una gran variedad de polímeros, integrando en los últimos años otras clases de materiales. Sin embargo, durante el desarrollo del proceso existen una serie de variables que influyen en las características de los elementos obtenidos, ya sea porque están ligadas a las características del material base o porque su desempeño está relacionado con otros parámetros dentro del proceso. 5.1 EL ELECTROSPINNING Y SU EVOLUCIÓN El término electrospinning es reciente y deriva de spinning electroestático. Se hizo uso de él por primera vez en 1994, pero la idea científica es original de los años 30. La patente por el electrospinning se registró en el 1934 por Formhals. Se describía un dispositivo experimental para la producción de filamentos de polímero empleando un campo electrostático. A lo largo de los últimos 20 años, pero más significativamente los últimos años se han dedicado más esfuerzos al electrospinning. Esta tendencia podría atribuirse al interés actual en las microfibras y nanofibras que se pueden obtener por este proceso. Se han conseguido producir fibras finas para electrospinning a partir de más de cincuenta polímeros, entre disoluciones y polímeros fundidos. Esta cifra muestra el

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potencial que este proceso está generando. Aun así, la comprensión de los fundamentos del proceso es aún muy prematura y la literatura relativa a la física del proceso de electrospinning es limitada.4 5.2 DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA DE ELECTROSPINNING Consiste en un proceso de atomización electrostática, utilizado para la conformación de fibras a escala nanométrica, a partir de un fluido de material bajo la acción de un campo eléctrico, esta técnica está compuesta por dos partes fundamentales un inyector y un dispositivo colector; el inyector esencialmente consiste en una jeringuilla de cristal o plástico con una boquilla metálica, que contiene la solución del polímero. El colector es una placa metálica (el cual está a potencial 0), y su forma varía según la finalidad de la fibra, la boquilla metálica se conecta a la fuente de alto voltaje, y el colector se conecta a tierra; en este proceso la solución del polímero se carga a un potencial eléctrico alto y la diferencia de potencial entre los dos electrodos, causa una fuerza opuesta a la tensión de superficie de la solución del polímero a medida que el campo eléctrico aumenta, la superficie de la solución en el tubo capilar se extiende para formar una estructura cónica, conocida como el cono del Taylor, cuando la fuerza electrostática es suficiente para superar la fuerza de tensión de superficie del polímero se producen nanohilos que se recogen aleatoriamente en el colector, la solución es arrojada en forma de jet hacia el colector a una distancia entre los 5 y 30cm del cono o aguja. Durante la creación del jet, el solvente gradualmente se evapora, y el producto obtenido se deposita en forma de manta de fibra no-tejida compuesta de nano fibras con diámetros entre 50 nm y 10 μm. A medida que el jet adquiere una aceleración significativa, su diámetro disminuye en magnitud; finalmente el jet se solidifica convirtiéndose en una fibra de medidas nanométricas y presentándose una corriente del orden de micro Amperios sobre el jet. La corriente sobre el jet proporciona la información sobre la densidad de la superficie de carga, que es un parámetro importante en el momento de determinar la estabilidad del jet. La gota líquida está sujeta el extremo de la aguja por su tensión superficial hasta que la repulsión mutua de las cargas en la superficie de la gota es más fuerte y provoca una fuerza en sentido contrario a la contracción de la gota. La superficie de la gota sufre progresivamente el efecto de esta fuerza hasta que comienza a alargarse y a formar un cono inverso, llamado cono de Taylor. El proceso de elongación llega a un límite en el que la concentración de la carga es tan elevada que sobrepasa a la tensión superficial y da lugar a un haz en la punta del cono. El

4 USERO, Rafael y SUÁREZ, Natalia. Electrospinning de poliesteramidas Biodegradables [en línea]. 2010.

[Citado 3 feb 2016] Disponible en Internet: <URL: https://upcommons.upc.edu/ bitstream/handle/2099.1/8422/01_Resum.pdf?sequence=2&isAllowed=y>

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haz recorre varias trayectorias inestables durante las cuales se alarga, reduce su diámetro y pierde todo el disolvente (o se solidifica).5 Una de las configuraciones para electrospinning más comunes es la que se muestra en la Figura 5. Figura 5. Esquema básico de la técnica de electrospinning

Fuente: tesis “Diseño de un mini sistema electrospinning” Prado Franky

Figura 6. Proceso de la fibra

Fuente: Dr Dionysios Vynias

5.3 PARÁMETROS DEL PROCESO DE ELECTROSPINNING Una de las principales variables cuantificables del proceso electrospinning es el diámetro de las fibras. Esta variable depende en su mayor parte del tamaño del haz y de la concentración de polímero que éste contenga. Según los fundamentos físicos publicados sobre el electrospinning, no hay un consenso total del proceso

5 MARTÍNEZ, Pau y MARÍN, Pedro. Diseño y estudio de una máquina de Electrospinning. (Vynias, 2013)

++++++++++++++++

++++++++++++++++

+++++++++++++++++ ++++++++++++++++

No Electric Field

No Volumetric Flow (Q)

Dripping Mode Stable Mode Whipping Mode

F FE F

FE > F FE >> F FE >>> F

E

Q = constant

Taylor Cones

++++++++++++++++

Spraying ModeFE >>> F

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que el haz sufre en el recorrido entre la punta y el colector. Puede ser o no, que el haz se divida en más haces y que estos resulten en diferentes diámetros de fibras. En el caso de que no haya esta partición, la viscosidad se convierte en una de las variables más determinantes para el diámetro de las fibras. Cuando los polímeros se disuelven, la viscosidad de la disolución es proporcional a la concentración de polímero. Por tanto, cuanta más alta sea la concentración, mayor será el diámetro de las fibras resultantes. El voltaje también es un parámetro respecto al cual el diámetro de las fibras es directamente proporcional, debido a que generalmente hay más disolución en el haz. Las fibras producidas por electrospinning, a menudo, presentan defectos como son los poros y las aglomeraciones. La literatura indica que la concentración de polímero afecta la formación de aglomeraciones de tal manera que cuanto más concentrada en polímero sea la disolución para electrospinning, menos aglomeraciones presentarán las fibras. Algunas investigaciones han desarrollado ideas de los parámetros de los cuales depende la formación de aglomeraciones. Algunos investigadores atribuyen el hecho de que no se formen aglomeraciones a la baja tensión superficial. Otros relacionan la baja concentración superficial en la concentración de polímero. Cabe destacar que la tensión superficial varía en función del disolvente y por este motivo el electrospinning no siempre es óptimo a tensiones superficiales bajas.6 5.4 APLICACIONES DE LAS FIBRAS POR ELECTROSPINNING Existen un sin número de aplicaciones posibles a partir de las fibras obtenidas por electrospinning y ya se han registrado numerosas patentes en los EEUU (la mayoría relacionadas con filtros y prótesis médicas). Gráfico 1 ilustra este hecho claramente.

6 BARROSO OLIVEIA, Luis Manuel. Automatização e controlo de um sistema de electrospinning [en línea].

Universidade do Minho, Escola de Engenharia. Octubre de 2011 [Citado 3 feb 2016]. Disponible en Internet: <URL: https://repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/16498/1/pg 16155_TESE_MEM.pdf>

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Graficas 1 Campos de aplicación de las fibras

Fuente: “Diseño y estudio de una máquina de Electrospinning “Martínez Pau; Marín Pedro

Figura 7. Aplicaciones potenciales de las fibras de polímeros para electrospinning

Fuente: “Diseño y estudio de una máquina de Electrospinning “Martínez Pau; Marín Pedro

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5.5 PROCEDIMIENTO PARA DIMENSIONAR EL MODELO DE MEDICIÓN A NANOESCALA En la presente imagen se muestran las diferentes etapas correspondientes al dimensionamiento de modelo de medición a nanoescala. 7 Figura 8. Modelo de medicion a nanoescala

Fuente:Tesis “Sistema de electroestimulación por tecnología de fabricación de electrohilado”Galvis Dalya

7 Sistema de electroestimulación por tecnología de fabricación de electrohilado (Galvis, 2014)]. Universidad

Autónoma de Bucaramanga. noviembre de 2014 [Citado 3 feb 2016].Biblioteca UNAB.

Conversión del modelo

de acuerdo a la teoría cuántica (flujo de datos).

Ajuste del modelo de acuerdo a

los criterios de

escalonamiento

nanométrico según los principios

físicos.

Aplicación de las

propiedades en sistemas termofluídic

os y termodinámi

cos.

Adquisición de señales

de nanoinstrumentación; se

transfiere por

comunicación

inalámbrica.

Modelo de referencia a un

sistema de conocimiento, incluye sistema

de diferencia fuzzy,

conversión a genoma (código

genético), aplicación de

control neuronal basada en sistemas

distribuidos y los resultados de las

etapas anteriores

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6. DISEÑO METODOLÓGICO

6.1 METODO CIENTÍFICO APLICADO A LA METODOLÓGIA DE DISEÑO El Equipo de Fabricación por Electrospinning está constituido por un rodillo colector, un actuador lineal que permite desplazar a través del eje y variar la distania entre el rodillo y el inyector o jeringa , una bomba y la fuente de alto voltaje, en el presente proyecto se realizó el diseño y construcción de un prototipo de dispositivo de elecrohilado para la fabricación de nanohilos para el desarrollo de nanosensores. La metodología utilizada incluye el diseño conceptual , su representación y bosquejo en CAD de los componentes del sistema electrospinning utilizando Solid Works, se realiza el diseño de las partes mecánica de la estructura del dispositivo de electrohilado y se diseñan los circuitos electricos y el sistema de control se realiza la selección de la instrumentación sensores, actuadores y circuitos de control se adquieren y/o construyen las partes y componentes para realizar el ensamble del prototipo y se acoplan las partes mecánica, electrico-electrónicas y de control para la integración mecatrónica del prototipo se seleccionó el material de trabajo, el polímero de acuerdo al diseño desarrollado se estableció el diseño experimental de las pruebas para la implementación del dispositivo de electrohilado. En el siguiente esquema se presenta la metodología de diseño para el desarrollo del proyecto. (Ver figura 9) Figura 9. Metodología de diseño del proyecto

Fuente:Autora

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Procedimientos básicos de iniciación del proceso de electrohilado.

Fuente:Autora

6.2 METODOLOGÍA DE DISEÑO MECATRÓNICO 6.2.1 Diagrama de flujo: A continuacion se puede observar por medio de un diagrama de flujo , la metodologia usada para el diseño mecatronico para la técnica de electrospinning. Figura 10. Proceso de la tecnica electrospinning

Fuente: Autora

34

Figura 11. Diagrama de flujo estación de entrada de material

Fuente: Autora

Figura 12. Diagrama de flujo estacion de polarización de la aguja

Fuente: Autora

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7. DISEÑO MECANICO DE LA MAQUINA DE ELECTROSPINNING El dispositivo de Electrohilado consta de las siguientes partes: 1. Bomba de infusión 2. Colector 3. Caja protectora o aislante 4. Jeringa, tubo de conexión y aguja 5. Generador de alta tensión 6. Material fungible

Figura 13. Diseño electrospinning

Fuente: La Autora

7.1 PARTES DE LA MAQUINA DE ELECTROSPINNING

7.1.1 Bomba de infusión o elemento actuador lineal: Consiste en el desplazamiento del actuador bomba para jeringa, se diseñó por medio de un tornillo sin fin. Adaptando un motor paso a paso ya que la característica exigible a la bomba es que realice un desplazamiento muy lento y constante, de manera que el flujo de disolución que llegue al inyector sea idéntico a todo lo largo del experimento. Figura 14. Figura 14. Elemento lineal actuador

Fuente: Autor

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7.1.2 Diseño mecánico tornillo de potencia

Tabla 1.Datos del Tornillo sin fín

DATOS

Material Acero 1008 galvanizado electrostáticamente

Diámetro mayor del tornillo 9.5 mm

Carga posible 275 kg

Diámetro medio 1.05

Paso grueso 16

Paso del tornillo 0.9

# de dientes 93

Diámetro menor 7.4

Coeficiente 0.1

7.1.2.1 Terminología de los tornillos de potencia.

Figura 15.Tornillo de potencia

Modulo

𝐝

# 𝐝𝐢𝐞𝐧𝐭𝐞𝐬=

𝟗. 𝟏

𝟗𝟑=

Angulo de la hélice

tan λ = 4. mm

2 ∗ π ∗ 7.35mm

tan λ = 0.0866

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Eficiencia

n = 0.0866 ∗ (1 − 0.1 ∗ 0.0866)

(0.0866 + 0.1)∗ 100

n = 45.68 % 7.1.2 Colector: Este elemento consiste en un tambor que estará girando por un motorreductor de CD. El colector tiene la función de sustrato conductor donde las fibras son depositadas, por tal motivo debe ser de un material conductor, en este caso está en aluminio Figura 16. Para poder así generar un campo eléctrico. Para obtener fibras alineadas es necesario emplear un colector giratorio (Figura 17). El grado de alineación de las fibras está en función del tipo del colector y de la velocidad de rotación del motorreductor CD controlado por un PWM que se realizará para variar la velocidad del motor Figura 16. Modelado del colector

Fuente: Autora

7.1.3 Generador de alta tensión: Para el diseño del generador se utilizó un flayback, siendo un tipo de transformador que genera una alta tensión necesaria para hacer funcionar un tubo de rayos catódicos (CRT). Este transformador genera un voltaje de 20 a 50 Kv; está compuesto de un devanado primario de baja impedancia alrededor de 1 ohm y varios devanados secundarios de los cuales se genera la alta tensión, tiene una impedancia que ronda los Mohm, siendo rectificado internamente mediante diodos y devanados auxiliares secundarios para tensiones que oscilan entre los 25 y 200 voltios, adicionalmente posee un par de filamentos empleados para el control de enfoque y ajuste de deflexión en monitores CRT. Como se muestra en la Figura 17.

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Figura 17. Flyback

Fuente: Datasheet 7.1.4 Circuito electrónico: El circuito resonante consta de un sistema de activación representado por el transistor q1 y el relé (RL1), este sistema es activado mediante un micro controlador basado en una tarjeta de desarrollo arduino mega por medio de una salida digital, una etapa resonante conformada por el transistor de potencia interconectado por medio de TR, la red divisora de tensión por medio de las resistencias (R3, R4, R5) y las protecciones (C3,D2) para evitar picos de tensión en el transistor. Figura 18 Figura 18. Circuito Eléctrico

Fuente: Autora

39

El circuito se divide en dos etapas una de control, aislado mediante relé y el circuito

oscilador conformado por un transistor de potencia (tr) y un arreglo de resistencias,

las cuales proporcionan voltaje base- emisor por medio del devanado secundario

del flyback

Figura 19.Circuito interno flyback

Figura 20. Señal de frecuencia

Fuente: Autora

La imagen representa la frecuencia resonante de 10.4 KHz en el flyback y aplicado

al transistor de potencia con tensión de 174Vpp

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7.1.5 Caja protectora: Se escogió como material el polimetilmetacrilato (PMMA) debido a que posee las siguientes características: mayor transparencia que la del cristal, pesa menos de la mitad que el vidrio, superficie tan dura como la del aluminio, entre 10 y 20 veces más resistente al impacto que el cristal. Es el plástico más fuerte a la intemperie que existe, margen continuado de temperaturas desde -90 0C hasta +85 0C.8 Internamente 58 x 36 Figura 21. Diseño caja protectora

7.1.6 Inyector, tubo de conexión y aguja: En nuestro diseño, se utilizó una jeringa 5 ml, el tubo de goma es de silicona, que es un material inerte a los disolventes utilizados (CHCl3 y CH3COCH3). Con una aguja Terumo con punta biselada. Figura 22. Sistema de inyector

8 Ficha técnica lamina PMMA (PMMA, s.f.)

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Figura 23. Prototipo final

Fuente: Autor 7.1.7 Sensores y actuadores.

7.1.7.1 Características Estáticas del Motor paso a paso: El torque estático se refiere al torque máximo aplicado externamente al motor que puede ser aplicado a un motor energizado, en reposo sin causar que el rotor gire. Es generalmente proporcionado por el fabricante en sus características técnicas. La relación entre el torque y los pulsos por segundo o para este caso las revoluciones por segundo se muestran en la siguiente curva. Figura 24. Relación de torque y pulsos

Aquí se muestra que el torque es el mayor cuando se está a cero revoluciones por segundo y comienza a reducirse con el incremento de las revoluciones. Para este

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motor el torque estático es de 800 oz-in. Esta aplicación requiere de movimientos del motor que se consideran a muy bajas velocidades por lo que es menor la pérdida Motor paso a paso bipolar, precisión 0.9° torque máximo 4.8kg-cm, corriente nominal de 1.7 A y un voltaje nominal de 3 V

Figura 25.Motor Nema 17

Fuente: Autora

Tabla 2.Datos de operación motor

Modelo Voltaje (V)

Corriente (A)

Torque (Nm)

# de pasos

Nema 17 3 1.7 4.8 200/R

Autor: Datasheet

Relación de engranajes

𝑖 = 𝑍𝑚

𝑍𝑐= 1: 2.9523

Equivalente en pasos a la salida del motor

𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝐺𝑖𝑟𝑜 = 360

𝑖= 121°/𝑣𝑚

Velocidad del motor

𝑣 = 100𝑚𝑙 ∗ 200 = 20 𝑚𝑙𝑠

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Velocidad con el acople al engranaje

𝑣 =20 ∗ 360

121°= 59.50 𝑠𝑒𝑔

Desplazamiento

𝑥 =𝑝𝑎𝑠𝑜

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒=

0.9

59.50= 0.015 𝑚𝑚/𝑆𝑒𝑔

Se selecciono el motor paso a paso nema 17 dado su amplio uso en sistemas de impresión 3D y CNC, por su alta presion (1.8°x paso) y un torque adecuado de 3.7 kg-cm, el cual luego de realizar los calculos de acoplamiento al tornillo de desplazamiento se obtuvo una presicion final aproximada de 0.015 mil/seg 7.1.8.2 Selección de sensores: Para determinar los limites de desplazamiento para los motores paso a paso, se emplearon sensores de efecto HALL Digitales (DRV 5023) con un voltaje operación de 2.5 -38 v, sencibilidad de 3.5 mT (mini tesla), de colector abierto . Se emplearon estos sensores dada su alta inmunidad al ruido electrico o perturbaciones externas y alta velocidad de respuesta aproximadamente de 13 𝜇seg Figura 26. Sensor DRV 5023

Como podemos observar en la figura 26, el sistema está diseñado para ser implementado correctamente, garantizando un buen funcionamiento a la hora de ser ejecutado.

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Figura 27. Diseño del prototipo final

Fuente:Autor 7.2 MODELIZACIÓN DEL PROCESO Es necesario profundizar en la dinámica de fluidos a fin de controlar la calidad, geometría y producción en masa de las nanofibras Y el recorrido del haz una vez la gota de fluido sobrepasa la tensión superficial se divide en tres partes:

• Inicialización del haz Taylor mostró que el voltaje crítico (ec. 1) necesario para la iniciación del haz en el que se establece la máxima estabilidad del fluido es:

• Tensión superficial del alcohol polivinilico La tensión superficial del líquido está dada por:

𝑌 =1

2𝜌𝑔𝑟 (ℎ +

1

3𝑟) =

1

2∗ 1.19 ∗ 981 ∗ 0.03 ∗ (3.55 +

1

30.03) = 62.33Cmg/s

Dónde: 𝜌= densidad del liquido 𝑔=gravedad

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𝑟=radio del tubo capilar ℎ=Longitud del tubo capilar

El potencial mínimo para el electrospraying de una gota hemisférica conductora colgando en el aire

𝑉𝑐 = 300√20𝜋𝑟𝑦 = 300√20𝜋0.03 ∗ 62.33 = 32.51𝐾𝑣

𝒓= es el radio del haz. La distorsion de la gota es mayor en ambiente no conductores como en el vacío que resulta con V menores. 7.3 DETERMINACIÓN DEL FLUJO MÁXIMO DEL SISTEMA Para determinar el maximo flujo de inyeccion del polimero se suminstro 5 ml de la solucion y se aplico la maxima velocidad del motor el cual opera 23.8 vol, teniendo como resultado que la administracion completa del flujo tomo 10:18, 41 minutos equivalente a 618410, por tanto para determinar el fluido por hora se aplica la siguiente ecuación.

𝑚𝑙/ℎ =5 𝑚𝑙∗3600.000 𝑚𝑠(ℎ𝑜𝑟𝑎)

618.410 𝑚𝑠(10:18,41)

𝑓 = 29.1𝑚𝑙

ℎ

Figura 28. Máximo flujo

Fuente:autora

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8. MODELO ELECTRICO

8.1 DISEÑO DE TARJETA ELECTRÓNICA

Se desarrollaron dos circuitos impresos uno destinado al control y otro para la etapa de alta potencia potencia. El circuito de control se desarrollo a modo de escudo para la tarjeta de desarrollo arduino Mega,ya que este viene acondicionado para arduino uno por lo tanto es necesario usar unos pines header mayor a 15 mm de largo. En ella se encuentra los conectores y reguladores de voltaje, ademas del shield de control de motores utilizada para el control de los dos motores paso a paso. Figura 29.Shield

Se decidio implementar el shield de control de motores debido a que este incorpora los driver necesarios para el funcionamiento de la maquina. Se implemento un shield de control de motores de 4 canales realizando algunas adecuaciones para poder controlar dos motores bipolares, energizando los driver a un voltaje de 5 vol provenientes del regulador incorporado en la tarjeta

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8.2 CIRCUITO ELECTRÓNICO Figura 30. Circuito electronico

Fuente: Autor

De acuerdo a los periféricos que posee la tarjeta de desarrollo arduino mega se dispuso de las diferentes conexiones tales como: sensores de efecto HALL en los puertos A8-A9.Dichos sensores se implementaron con el fin de detectar el punto inicial de desplazamiento de los motores paso a paso y así efectuar el correcto desplazamiento, debido a que los sensores de efecto HALL son de tipo digital se optó por colocarse en puerto de conversión analógico llegado al caso de ser reemplazado por sensores análogos. En cuanto al control del motor del colector se dispuso en los pines 45,47 y 49. El pin 45 corresponde a la regulación de velocidad mediante PWM y los pines 47 y 49 para control de sentido de giro del motor. Para el control de los motores paso a paso, se destinaron los pines 2,3 ,4 5 para el motor de desplazamiento del colector y los pines 7, 8, 12, y 13 para el motor de desplazamiento de la jeringa El circuito cuenta con 3 reguladores de voltaje a 12 v dispuestos en paralelo con el fin de proveer una corriente máxima de 3 A que serán suministrados a los driver de todos los motores. Los capacitores con los que cuenta el circuito son

48

acondicionados para la estabilización de los diversos valores tensión y minimizar el ruido eléctrico Figura 31. Parte eléctrica

Fuente: Autor

8.3 PROGRAMACIÓN

8.3.1 Programación basada en arduino: Debido a que se establecerá una interacción entre la tarjeta arduino mega y la interfaz de control basada en labview se implementara la comunicación serial USB para la correcta visualización e interacción entre ambos sistemas. Para ellos se estableció una velocidad de comunicación de 115200 Baudios posterior a ello se definieron los diferentes periféricos de la tarjeta, y para establecer sincronismo de comunicación es necesario enviar un mensaje el cual tiene una duración de 1 segundo dando por finalizada la configuración de inicio de la tarjeta. El programa principal consta de 3 etapas: Figura 32.Etapa 1

Fuente: Autor

49

Figura 33.Etapa 2

Fuente: Autor

Figura 34.Etapa 3

Fuente: Autor

1. La primera etapa hace referencia al modo de espera de recepción de los datos de posición de los motores en relación a la distancia entre el colector respecto a la jeringa y la cantidad de solución a suministrar.

50

Para calcular el número de pasos que debe mover el motor previamente se contabilizaron el número de pasos para 5 ml de solución el cual correspondió a 15574 pasos determinados a partir de: tomando 5 ml de la solución y visualizando el número de pasos realizados en el motor hasta completar el vaciado de la solución. Debido a que la máxima solución a suministrar es de 5 ml fue necesario restarle la cantidad de solución deseada para obtener la cantidad en ml resultante que se interpreta como el desplazamiento del motor, aplicando una regla de 3 obtendremos el número de pasos requeridos para el desplazamiento del motor El siguiente dato a recibir corresponderá a la distancia entre el colector y la jeringa el cual es de 7.22 Cm equivalente a 26391 pasos en el motor, por tanto se realiza una resta entre la máxima distancia y la distancia deseada para luego aplicar la regla de 3 queda como resultado el número de pasos que debe desplazarse el motor. Una vez recibido los datos anteriores se procede a inicializar las posiciones de los motores teniendo en cuenta los sensores de efecto hall para proceder con la activación de la fuente de alto voltaje

2. La segunda etapa consiste en la inicialización del desplazamiento de los motores y el funcionamiento del motor del colector, hasta que se cumple el número de pasos calculado. Durante el proceso queda habilitado la tercera etapa que consiste en recibir la orden de parada desde la interfaz gráfica de labviwed deteniendo todo el proceso 8.3.2 Programación de interfaz gráfica (Labview): Como entorno al desarrollo de interfaz gráfica se implementó el software de control Labview cuya interfaz cuenta con: un selector de puerto de comunicación, un botón de inicio, un botón de parada, un control numérico para la cantidad de solución a suministrar, un control numérico para la posición del colector respecto a la jeringa y un indicador del tiempo del proceso.

El diagrama de control consta de las siguientes etapas:

1. Configuración de puerto serial: se establece la velocidad de comunicación de

15200 Baudios, se establece un tiempo de espera de datos de 10 segundos y posteriormente se realiza un retardo de 1 segundo a la espera de la correcta sincronización

2. Lectura de Datos: para detener el proceso automáticamente desde arduino se envía el comando denominado ” finalizado en”, el cual detiene por completo el control de labview

51

3. Envió de Datos: una vez configurado los parámetros de operación de la máquina y una vez otorgada la orden de inicio se procede al envió de dichos datos en una cadena tipo streen separadas por la letra “D” con el propósito de separar los datos en arduino al identificar dicha letra

4. Determinación de parada: Durante el proceso de suministro de la solución es posible detener todo el proceso desde la interfaz gráfica, para ello al dar la orden de parada (STOP) se procederá a enviar la letra ” P ”, la cual será detectada en la tarjeta arduino y posteriormente detener ambos procesos

Figura 35. Programación 1

Figura 36.Programación 2

52

Figura 37.Programación 3

Figura 38. Programación 4

53

9. ANALISIS DEL POLIMERO 9.1 PARTE EXPERIMENTAL 9.1.1 Materiales: Polivinil de alcohol (PVA) El Polivinil Alcohol es un polímero soluble en agua producido industrialmente por la hidrólisis del polivinil acetato, lo que permite que sea comercializado, según su grado de hidrólisis, en alto, medio o parcialmente hidrolizado. posee excelentes propiedades físicas y mecánicas, lo que ha permitido su uso en diversas aplicaciones como fabricación de fibras, recubrimientos para el papel, adhesivos, entre otras. Su fórmula química general (C2H4O)n y su estructura quimica corresponde a Figura 30. El alcohol polivinílico (PVA de sus siglas en inglés) se presenta en forma de gránulos o polvo blanco Figura 39. Figura 39. Estructura quimica Figura 40.Polivinil en polvo

Propiedades El alcohol polivinílico tiene excelentes propiedades para formar películas, como

emulsionante y como adhesivo. Resistente al aceite, grasas y disolventes. Es inodoro y no tóxico. Tiene alta resistencia y flexibilidad, Tiene un punto de fusión de 230°C y 180 -190ºC para los grados totalmente

hidrolizado y parcialmente hidrolizado respectivamente. Se descompone rápidamente por encima de 200°C. Puede estirarse dando una fibra cristalina por ser los grupos hidroxilo lo bastante

pequeños para encajar en un retículo cristalino a pesar de la estructura de cadena atáctica

Comercialmente se encuentra disponible en diferentes grados que difieren en peso molecular o en el contenido de acetato

tiene color estable hasta 140 ºC

54

temperatura de disolución en agua 20 °C 9

Viscosidades del PVA con diferentes cantidades de acetato en agua a 20°C. Tabla 3. Viscocidades

Contenido de Acetato Viscosidad (poises)

Sol. al 6% Sol. Al 8% Sol 10%

20 0.0165 0.026 0.045

20 0.024 0.054 0.125

5 0.048 0.180 0.65

20 0.045 0.160 0.52

5 0.260 5.5 28.0

30 0.300 ND ND

1 0.500 16.0 40.0

40 0.700 ND ND

- Usos Fibra de corte de PVA soluble en agua tiene muchos usos especiales para su solubilidad en agua. Es ampliamente utilizado en tejido no tejido, fabricación de papel, el hilado y el tejido, el tratamiento médico y el cuidado de la salud, etc. Especialmente, las telas tejidas o no tejidas hechas por fibras de PVA solubles en agua se utilizan como revestimientos de bordado, en la que varios diseños de encaje pueden ser bordados, y después de que se disuelve, todo tipo de hermosas cordones llegan a ser. Además, puede ser utilizado ampliamente para producir hojas sanitarias para las mujeres, servilletas de bebé, artículos médicos y sanitarios. Además, también se puede utilizar para cabezas de serie vegetales, la plantación de los cultivos y árboles frutales para mejorar la salida. Esta fibra se puede utilizar en la industria textil para aumentar el conteo de hilos, tamaño y nivel de hilar twistless, etc 10. - Agua destilada El agua destilada es aquella cuya composición se basa en la unidad de moléculas de H2O. Es aquella a la que se le han eliminado las impurezas e iones mediante destilación. Ladestilación es un método en desuso para la producción de agua pura a nivel industrial. Esta consiste en separar los componentes líquidos de una mezcla.

9 (HERNÁNDEZ B, CARACTERIZACIÓN DEL ALCOHOL POLIVINÍLICO, 2007) 10 (Frabricante, 2008)

55

Esta sustancia líquida se encuentra en condiciones normales de temperatura y presión. El agua es considerada como el disolvente universal, por su gran potencial como disolvente. El agua pura tiene conductividad eléctrica baja. Su densidad es muy estable y no sufre grandes cambios en los cambios de presión y temperatura. No es un elemento combustible debido a que es un producto residual de la combustión del hidrógeno.11 9.2 CARACTERÍSTICAS Tabla 4 Características H2O

Propiedad

Densidad 1 g/cm3

Masa Molar 18,01528 g/mol

Punto de fusion 0,0 °C

Punto de ebullicion 99,98 °C

Temperatura crítica 647,1 K (373,95 °C)

Estado de agregación Liquido

Apariencia Incoloro

Figura 41. Agua destilada

Fuente: Autora

11 (Quimica, s.f.)

56

9.3 DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL

• El PVA utilizado fue marca Kuraray Poval (PVA - 124), con un grado de polimerización de 2400 y un grado de hidrólisis de 98.41mol%,el solvente empleado fue agua destilada. utilizar

• Para la preparación del polímero Se realizaron soluciones con concentraciones del 6% 8 % y 10% en peso de compuesto en un total de 90 gramos teniendo en cuenta las siguientes cantidades a utilizar:

Tabla 5. Porcentajes de preparación

6% 𝑯𝟐𝑶 = 86.4 𝒈

PVA = 5.4 𝒈

8% 𝑯𝟐𝑶= 82.8 𝒈

PVA = 7.2 𝒈

10% 𝑯𝟐𝑶 = 81 𝒈

PVA = 9 𝒈

• Utilizando herramientas como la balanza analítica y los beaker se obtuvieron los pesos y medidas exactas necesarias para realizar el proceso de preparación, teniendo en cuenta la tabla 6, en donde vemos las cantidades de utilización para soluciones del 6 % ,8% y 10%

Figura 42. Cantidad de PVA

Fuente: Autora

57

• procedemos a realizar las respectivas medidas del agua destilada para cada una de las soluciones, utilizando 100 ml de agua destilada para cada solución

Figura 43. Soluciones

Fuente: Autora

• Cada contenido es depositado en un Erlenmeyer para diluirlo con el agua destilada Figura 43 introduciendo un agitador y cada uno de estos se colocó en una plancha de calentamiento en un tiempo aproximadamente de 15 a 20 minutos hasta que la temperatura de cada uno de las soluciones alcanzaba 90 °C Figura 44.

Figura 44. Disolución de la sustancia

Fuente: Autora

58

Figura 45. Soluciones

Fuente: Autora

• mediante el proceso se midieron PH de las soluciones obteniendo un rango aproximado entre 5.94 Figura 45.

• Se analizaron muestras mediante el proceso presentándose una de sustancias gelatinosa como lo podemos observar en la Figura 46.

Figura 46.Resultados

Fuente: autora

• Ya terminando el proceso de disolucion de los componente procedemos a tomar una muestra del resultado obtenido obteniendo una sustancia con las siguientes

59

caracteristicas: Figura 47. Gota de PVA

Fuente: autor

9.4 VALIDACIÓN EXPERIMENTAL Para la validación experimental de los resultados de la utilización del equipo de electrohilado para la fabricación de los nanohilos se procede con el diseño experimental basada en tres series de expermientos para diferentes concentraciones de polimero consevido a traves de experimentos cuyo diseño corresponde al analisis de muestras y sus resultados a traves de espacios de superficies de respuesta; el procesamiento de los resultados de las muestras con fines de validación se estructura a traves de procedimiento de superposición de la imagen obtenida de las muestras y el calculo por ingenieria en nanotecnologia soportado en el modelo cuantico validado a traves del software SIESTA ( WinWulff SIESTA) 9.4.1 Diseño de experimentos con el uso del polimero: El diseño experimental basado en superficie de respuesta considera los factores que intervien en la obtencion de las muestras incluyendo la estimación de los modelos cuanticos a traves de los graficos de contorno y los metos para el analisis de las superficies obtenidas.De acuerdo al diseño experimental de tres series de experimentos para diferentes concentraciones(6%,8% 10%), para cada uno de estos se realizaron entre 5-7 pruebas para un total de 15 -17 muestras, el analisis estadistico de las muestras obtenidas se puede observar mas adelante.

60

9.4.2 Desarrollo de las pruebas y obtencion de las muestras: Las pruebas realizadas para tres concentraciones diferentes tuvieron en cuenta las variables de funcionamiento del equipo de electrohilado y se tomaron como factores significativos desplazamiento entre el inyector y colector y adicional a esto el voltaje de la fuente de alimentación que garantiza el campo electrico de alto voltaje para la obtencion de nanohilos. Los datos obtenidos de las pruebas realizadas aparecen en las tablas y las imágenes de ls muestras obtenidas se refieren e las imágenes. 9.4.3 Resultado del procesamiento y análisis de muestra: Para el procesamiento de los resultados de las pruebas realizads se realizaron calculos por superposición de imagen, donde la imagen original corresponden la muestra obtenida con el equipo de electrohilado y la imagen super puesta corresponde a la modelacion obtenida con el software SIESTA ( WinWulff SIESTA), los resultados obtenidos del analisis de las muestras de acuerdo a las pruebas realizadas se muestran a continuación

MUESTRAS DEL POLIMERO POR SUPERPOSICIÒN

Muestras de nanohilos estructurados con 6% de concentración del polímero Figura 48. Superposición con muestras del 6%

61

Muestras de nanohilos estructurados con 8% de concentración del polímero

Figura 49 Superposición con muestras del 8%

62

Muestras de nanohilos estructurados con 10% de concentración del polímero

Figura 50 Superposición con muestras del 10%

63

Referencia SIMULACIÓN para muestras de la serie de pruebas del 6% de polímero. Figura 51. Referencias WinWulff SIESTA

Fuente: WinWulff

64

Figura 52. Simulaciòn

Fuente: WinWulff

Referencia SIMULACIÓN para muestras de la serie de pruebas del 8% de polímero. Figura 53 Referencias WinWulff SIESTA

Fuente: WinWulff

65

Figura 54. Simulaciòn

Fuente: WinWulff

Referencia SIMULACIÓN para muestras de la serie de pruebas del 10% de polímero. Figura 55 Referencias WinWulff SIESTA

Fuente: WinWulff

66

Figura 56. Simulaciòn

Fuente: WinWulff

Para la determinación de las propiedades electricas de las muestras obtenidas por electrohilado se aplica la norma ISO TC 213 correspondiente a la metodologia establecida por nanometrologia para aplicaciones en dispositivos a nanoescala; la referencia de grafico que aparecen a continuacion refieren los datos patrones establecidos por la norma para la validación de nanoestructuras con nanohilos establecidas como producto del proceso de hilado electronico. (Norma de nanotecnologia) Figura 57.Propiedades electricas de la norma ISO TC 213

Fuente: Norma

67

Modelación del comportamiento eléctrico de nanoestructuras de polímeros conductores donde se aplica un voltaje a los nanohilos (voltaje de fuente) y a la superficie (voltaje de puerta) Figura 58.Modelaciòn del comportamiento electrico

Caracterización eléctrica de fibras poliméricas obtenidas por electrohilado a través de las curvas I/V obtenidas por modelación y simulación por nanotecnología computacional para 1D en conductividad longitudinal Figura 59 Caracterizaciòn electrica

Fuente: Norma

68

Catálogo del fabricante De acuerdo a los resultados que aparecen en la tabla y el analisis del comportamiento que se muestra en el grafico de la figura y comparando con los datos patrones de la norma ISO TC213 del are de nanometrologia y teniendo en cuenta el catalogo de fabricantes de nanosensores, las muestras de las series de pruebas 1, 2 y 3 verifican que el comportamiento de las caracteristicas electricas definidas para la serie 1 corresponde a los requerimientos establecidos para el nanomaterial polimerico soportado en nanohilos cuya caracteristicas voltampericas se establecen para condiciones de baja resistencia, baja potencia, y bajo voltaje, lo que corresponde a las caracteristicas estaticas del nanosensor con una resolucion de 1 nV en un rango entre 10 nV y 100 nV que estan reconocidas en la tabla del fabricante Figura 60.Catàlogo del fabricante

Fuente:Catalogo del fabricante

Caracterización eléctrica de fibras poliméricas obtenidas por electrohilado a través de las curvas I/V obtenidas por modelación y simulación por nanotecnología computacional para 1D en conductividad longitudinal

69

10. RESULTADOS EXPERIMENTALES En las primeras pruebas que se realizaron con la maquina fueron a partir de un voltaje constante, determinandose a partir de la relacion de la distancia del arco que se produce entre los electrodos. La maxima distancia de este tiene un alcance de 4.5 cm. Figura 61. Arco electrico

Fuente: Autora

Las fibras que se muestran a continuación son obtenidas a partir de pruebas con una concentración del 10% de PVA y una distancia de 5 cm desde la punta de la aguja hasta el recolector de fibras siendo estas las primeras pruebas. Figura 62.Fibras

Fuente: autora

70

10.1 ANÁLISIS DE LA MUESTRA Para el análisis de las muestras que obtendremos, usaremos un microscopio óptico, que se sirve de la luz visible para crear una imagen aumentada del objeto. El microscopio óptico más simple es la lente convexa doble con una distancia focal corta. Estas lentes pueden aumentar un objeto hasta 15 veces. Por lo general se utilizan microscopios compuestos, que disponen de varias lentes con las que se consiguen aumentos mayores. Algunos microscopios ópticos pueden aumentar un objeto por encima de las 2.000 veces, pero el que usaremos será con una lente de aumento de 40 veces el tamaño real. Se utilizó un microscopio óptico (nanoscopio) marca Zeiss Axioskop 40 dotado de varios objetivos. En la mayoría de nuestras experiencias el objetivo usado fue de x40 ya que no se disponía de objetivos con más aumentos. Figura 63. Imágenes de laboratorio

Fuente: autora

En la Figura 63, podemos observar una imagen que muestra una cantidad considerable de fibras mostrando una estructura nanoporosa.

71

Figura 64.Muestra de fibras de PVA

Fuente: autora

Figura 65. Capas fibrosas

Fuente: autora

10.2 EXPERIMENTOS Se han realizado un total de 15 experimentos de electrospinning, en todas ellas se utilizó una disolución de PVA de concentración de 6 %,8% y 10% en peso/volumen, a diferentes distancias de 2 cm, 4 cm y 7 cm. Se emplearon los rangos de parámetros siguientes:

72

Tabla 6. Parametros

Parametro Dato

Concentración 6% 8% 10%

Flujo 1-5

Distancia 2cm-4cm-7cm

La figura 66 muestra las nanofibras obtenidas a partir de la solucion con una concentracion de 6% en peso, con un voltaje variable, y manteniento constante la velocidad de flujo de 2 ml/h y una distancia aguja- colector de 2 cm Figura 66. Fotografía de las fibras obtenidas a 6% de concentración de PVA

Fuente: Autora

El diámetro de las fibras disminuye ligeramente al aumentar desplazamiento del colector pero sus diferencias no son muy revelantes. La siguiente figura muestra la variación de diámetros obtenidos a una concentración del 8% en peso, con voltaje en un rango de 45 kV, a una velocidad de flujo constante y a una distancia aguja-recolector de un rango de 2-4-7 [Cm].

73

Figura 67 Fotografía de las fibras obtenidas a 8% de concentración de PVA

Fuente: Autora

En este caso el diámetro de las fibras aumenta ligeramente al aumentar la distancia, dado que concuerda con las referencias ya realizadas, recogidass en la literatura. La variación de los diámetros tampoco es pronunciada en el intervalo de la distancia pero la concentración de PVA hace mas pronunciada la fibra. Figura 68 Fotografía de las fibras obtenidas a 10% de concentración de PVA

Fuente:Autor

74

La figura muestra la variación de diámetros obtenidos a una concentración del 6% 8% ,10% en peso, con un rango de distancia de 2, 4, 7 [cm] observando el incremento de diametro a diferencia a una distancia. En las graficas se observa diametros obtenidos siendo la de color azul diametros obtenidos a distancia de 2 cm, la naranja diametros obtenidos a distancia de 4cm y la gris diametros a 7 cm de distancia en relacion del colector con la punta del inyector para cada una de las 3 concentraciones. Graficas 2 Soluciòn 6%

Graficas 3 Soluciòn 8 %

75

Graficas 4 Soluciòn 10%

Fuente: Autora

En la figura se observan las fibras en forma de una red que se puede llamar

76

membrana no tejida. Hay algunas gotas sobre la membrana de la solución usada que no se alcanzaron a estirar durante el proceso, estas gotas forman parte de la estructura de la membrana como si fueran nodos que unen a las fibras. A altas magnificaciones, se puede estimar el diámetro de las fibras, lo que se observa anteriormente; hay diámetros que varían en un rango de 0 - 5 μm. Fotografia de estructura de fibras de PVA Figura 69.Análisis presentación de fibras

Fuente:autora

Figura 70. Membrana de fibras de PVA

Fuente:autora

10.3 ANALISIS DE ALTA TENSION SIN INYECCION DE POLIMERO

77

Debido a que los multímetros comúnmente pueden medir tensiones hasta de 1000v

DC y unos 700 v AC fue necesario recurrir a un complemento que permitiera medir

tensiones superiores en este caso el diseño y construcción de una sonda divisora

de tensión, conformada por 100 resistencias de 10 Mohs, para un total de 1Gohm,

el conjunto de las resistencias conectadas en serie dividen el voltaje con un factor

de 100 a 1 de esta forma por cada 100 vol medidos en la fuente de alta tensión la

sonda registrara 1 volt medido por el multímetro. Para determinar el voltaje real se

procede aplicar la siguiente ecuación:

1vol (Multímetro) 100

Voltaje flyback =𝑽𝒐𝒍𝒕𝒂𝒋𝒆 𝑴𝒖𝒍𝒕𝒊𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐 ∗ 𝟏𝟎𝟎

Se debe considerar un 10% de tolerancia

Se han realizado un total de 15 experimentos de electrospinning Se emplearon los

rangos de parámetros siguientes: voltaje & Distancia, para determinar un rango de

error muy mínimo, observando el comportamiento desde la punta de la aguja hasta

el colector y obtener un voltaje más preciso generado a ciertas distancias.

Figura 71.Análisis de alta tensión

78

Prueba 1 Prueba 2

Tabla 7 Datos prueba 1 Tabla 8 Datos prueba 2

Distancia cm

Muestra 1

0 106

1 72

2 34

3 16

4 8,4

5 5,2

6 1,2

Prueba 3 Prueba 4

Tabla 9.Datos prueba 3 Tabla 10.Datos prueba 4

Distancia cm

Muestra 3

0 94

1 63,7

2 45

3 26,6

4 11,5

5 6,8

6 3,3

Prueba 5 Prueba 6

Tabla 11.Datos prueba 5 Tabla 12. Datos prueba 6

Distancia cm

Muestra2

0 100

1 63

2 40

3 18,7

4 12,7

5 7,8

6 3,7

Distancia cm

Muestra 4

0 106

1 66,5

2 42

3 19,5

4 10,5

5 5,6

6 1,7

Distancia cm Muestra 5

0 100

1 78

2 46

3 23

4 13,5

5 8,5

6 2,3

Distancia cm

Muestra 6

0 111

1 76

2 44

3 19,6

4 12

5 5,7

6 1,5

79

Prueba 7 Prueba 8

Tabla 13 Datos prueba 7 Tabla 14. Datos prueba 8

Prueba 9 Prueba 10 Tabla 15.Datos prueba 9 Tabla 16.Datos prueba 10

Prueba 11 Prueba 12 Tabla 17.Datos prueba 12 Tabla 18.Datos prueba 11

Distancia cm

Muestra 7

0 103

1 68

2 47

3 25,5

4 18,5

5 10

6 3,8

Distancia cm

Muestra 8

0 105

1 69

2 52

3 25

4 13,6

5 6,8

6 2

Distancia cm

Muestra 9

0 96

1 70

2 53

3 27,6

4 18,5

5 11

6 4,7

Distancia cm

Muestra 10

0 105

1 78

2 47

3 19

4 9,4

5 4,5

6 2,5

Distancia cm

Muestra 11

0 98

1 62

2 42

3 16

4 7,8

5 5,2

6 2,2

Distancia cm

Muestra 12

0 98

1 65

2 45

3 21

4 10,5

5 4,5

6 1

80

Prueba 13 Prueba 14 Tabla 19.Datos prueba 13 Tabla 20.Datos prueba 14

Prueba 15 Tabla 21.Datos prueba 15

Media Aritmetica Voltaje Equivalente Tabla 22. Medidas de tendencia central

Distancia cm

Muestra 13

0 99

1 88

2 41

3 18,6

4 8,6

5 4,5

6 1,4

Distancia cm

Muestra 14

0 98

1 62

2 42

3 15

4 9

5 3,8

6 2

Distancia cm

Muestra 15

0 102

1 70

2 40

3 19

4 8,3

5 4,1

6 1

Distancia Cm Media

0 101,4

1 70,08

2 44

3 20,6733333

4 11,52

5 6,26666667

6 2,28666667

Distancia Cm

Voltaje

0 33800

1 23360

2 14666,66667

3 6891,111111

4 3840

5 2088,888889 6 762,2222222

81

El arco electrico probocado a traves de diferentes concentraciones de solucion proboca como efecto una caida de tension directamente proporcional a la concentracion de la solución y a la distancia a la cual esta es suministrada, por tanto se debe tener en cuenta los anteriores datos para determinar los espesores de fibra deseados.

10.4 ANALISIS ESTADISTICO DE LAS PRUEBAS DESARROLLADAS VOLTAJE Vs DISTANCIA

SOLUCION AL 6% - 2 cms TOMA DE DATOS A continuación mostraremos un analisis estadistico relacionando voltaje Vs Diametro de la fibra, con el fin de obtener una tabla de parametros y poder analizar sus porcentajes de error y rangos de operación aplicado para solción al 6% 8% y 10 % de concentración Los datos que se muestran en las tablas muestra los experimentos obtenidos a partir de 15 pruebas. En el vemos el voltaje obtenido a una distancia de 2, 4, 7 Cm de Distancia (Colector respecto a la punta del inyector) Tabla 23 Toma de datos 6%

MUESTRA VOLTAJE (V) DIÁMETRO FIBRA(Um)

M1 17970 0,52

M2 16523 0,45

M3 17650 0,502

M4 16520 0,46

M5 16650 0,47

M6 17510 0,49

M7 16480 0,46

M8 17395 0,48

M9 16425 0,46

M10 15386 0,45

M11 16410 0,46

M12 15396 0,43

M13 16540 0,4

M14 15230 0,43

82

M15 15300 0,45

PROMEDIO 17670,36 0,49

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL VOLTAJE Tabla 24 Medidas de tendencia central

MEDIA DEL VOLTAJE: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 16492,333

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 880,564

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 16520,00

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 642,578

VARIANZA 775393,524

COEF.

VARIANZA 5,339%

COEF.

ASIMETRIA 0,023

En esta tabla se puede observar que el valor promedio o media estadistica del voltaje es de 16492,333 V y su desviacion estandar es de 880,564 V. TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 25. Tabla de frecuencias

Nº DE CLASE

LIMITE INFERIOR (VOLTAJE)

LIMITE SUPERIOR (VOLTAJE)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

FRECUENCIA ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 15229,9 15621,3 4 26,7% 4 26,7%

2 15621,4 16012,9 0 0,0% 4 26,7%

3 16013,0 16404,4 0 0,0% 4 26,7%

4 16404,5 16795,9 7 46,7% 11 73,3%

5 16796,0 17187,4 0 0,0% 11 73,3%

6 17187,5 17579,0 2 13,3% 13 86,7%

7 17579,1 17970,5 2 13,3% 15 100,0%

83

En el analisis de frecuencias se puede observar que la mayor cantidad de voltajes suministrados en esta prueba estan en el rango de 16404,5 V a 16795,9 V. Graficamente se puede observa el en siguiente instagrama Graficas 5 Analisis de frecuencia Asbsoluta solucion al 6% - 2cms

4

0 0

7

0

2 2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

84

Graficas 6 Poligono de Frecuencias Relativas 6% - 2 cms

Graficas 7 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 6% - 2 cms

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

VOLTAJE

85

En esta grafica se puede observar que el 73,3% de los datos estan por debajo de la media del voltaje suministrado, lo cual indica que se encuentra alrededor de los 16492,333 V

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL DIAMETRO PARA SOLUCIÓN DEL 6% A 2 cms DE DISTANCIA Tabla 26. Medidas de tendencia central para Diametro

MEDIA DIAMETRO: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA (DIAMETRO)

0,461

DESVIACION DIAMETRO: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR

0,030

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 0,46

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 0,021

VARIANZA 0,001

COEF.

VARIANZA 6,473%

COEF.

ASIMETRIA 0,072

En esta tabla se puede observar que el valor promedio o media estadistica del diametro de los nanohilos es de 0,461 micrometros y su desviacion estandar es de 0,03 micrometros. TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 27. Tablas de frecuencia

Nº DE CLASE

LIMITE INFERIROR (DIAMETRO)

LIMITE SUPERIOR

(DIAMETRO)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

PORCENTAJE DE

FRECUENCIA ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 0,3 0,3 0 0,0% 0 0,0%

2 0,4 0,4 3 20,0% 3 20,0%

3 0,5 0,6 12 80,0% 15 100,0%

4 0,7 0,7 0 0,0% 15 100,0%

5 0,8 0,8 0 0,0% 15 100,0%

6 0,9 0,9 0 0,0% 15 100,0%

7 1,0 1,0 0 0,0% 15 100,0%

86

En esta tabla se puede observar que la mayor cantidad de diámetros suministrados en esta prueba se encuentran en el rango de 0,5 a 0,6 micrometros. Lo que signifia que el 20% de los datos estan por debajo de la media del diámetro desarrollado la cual esta alrededor de los 0,461 micrometros como se puede observar en las siguientes graficas: Graficas 8 Analisis de Frecuencia absoluta al 6%-2 cms

Graficas 9 Poligono de Frecuencias Relativas al 6% - 2 cms

0

3

12

0 0 0 00

2

4

6

8

10

12

14

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

87

Graficas 10 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 6% - 2 cms

ANALISIS DE CORELACION – REGRESION LINEAL

Graficas 11 Diametro en funcion del Voltaje solucion al 6% - 2 cms

Se puede observar que el voltaje suministrado en esta prueba se relaciona con el diametro desarrollado en el nanohilo por medio de la ecuacion lineal Y = 3x10-5X + 0,0384

-20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%P

OR

CEN

TRA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

DIAMETROS

y = 3E-05x + 0,0384R² = 0,5717

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

15000 15500 16000 16500 17000 17500 18000 18500

DIA

MET

RO

VOLTAJE

Diámetro en función del voltaje Solución al 6% - 2 cms

88

SOLUCIÓN AL 8% - 2 cms TOMA DE DATOS Tabla 28, Toma de datos 8%

MUESTRA VOLTAJE (V) DIÁMETRO FIBRA(Um)

M1 11141,4 1,42

M2 10244,26 1,31

M3 10943 1,4

M4 10242,4 1,35

M5 10323 1,32

M6 10856,2 1,4

M7 10217,6 1,29

M8 10784,9 1,38

M9 10183,5 1,3

M10 9539,32 1,22

M11 10174,2 1,3

M12 9545,52 1,2

M13 10254,8 1,31

M14 9442,6 1,19

M15 9486 1,19

PROMEDIO 10955,62 1,40

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL VOLTAJE Tabla 29. Medidas de tendencia central para el voltaje

MEDIA VOLTAJE: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 10225,247

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 545,950

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 10242,40

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 398,398 VARIANZA 298061,271

COEF. VARIANZA

5,339%

89

COEF. ASIMETRIA

0,023

En esta solución al 8% se puede observar que el valor promedio o media estadistica del voltaje es de 10225,247 y su desviacion estandar es de 545,95, teniendo encuenta las pruebas realizadas TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 30. Tabla de frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR (VOLTAJE)

LIMITE SUPERIOR (VOLTAJE)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

PORCENTAJE FRECUENCIA

ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 9442,5 9685,2 4 26,7% 4 26,7%

2 9685,3 9928,0 0 0,0% 4 26,7%

3 9928,1 10170,8 0 0,0% 4 26,7%

4 10170,9 10413,5 7 46,7% 11 73,3%

5 10413,6 10656,3 0 0,0% 11 73,3%

6 10656,4 10899,1 2 13,3% 13 86,7%

7 10899,2 11141,9 2 13,3% 15 100,0%

Graficas 12 Analisis de Frecuencia absoluta voltaje al 8% - 2 cms

4

0 0

7

0

2 2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

90

Graficas 13 Poligono de Frecuencias Relativas al 8% - 2 cms

Graficas 14 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 8% - 2 cms

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

VOLTAJES

91

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL DIAMETRO Tabla 31. Medidas de tendencia central y dispersiòn

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 1,305

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 0,078

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 1,31

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 0,060

VARIANZA 0,006

COEF.

VARIANZA 5,9402%

COEF.

ASIMETRIA -0,203

TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 32 Tabla de frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR

(DIAMETRO)

LIMITE SUPERIOR

(DIAMETRO)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

PORCENTAJE DE

FRECUENCIA ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 1,1 1,1 0 0,0% 0 0,0%

2 1,2 1,3 4 26,7% 4 26,7%

3 1,4 1,4 8 53,3% 12 80,0%

4 1,5 1,5 3 20,0% 15 100,0%

5 1,6 1,7 0 0,0% 15 100,0%

6 1,8 1,8 0 0,0% 15 100,0%

7 1,9 1,9 0 0,0% 15 100,0%

92

Graficas 15 Analisis de frecuencia absoluta de Diametro al 8% - 2 cms

Graficas 16 Poligono de Frecuencias Relativas de diametro 8% - 2 cms

0

4

8

3

0 0 00

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

93

Graficas 17 ojiva de frecuencias acumuladas de diametro al 8% - 2 cms

ANALISIS DE CORELACION – REGRESION LINEAL Graficas 18 Diametro en funcion del voltaje solucion al 8% - 2 cms

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ENC

UEN

CIA

VOLTAJES

94

SOLUCION AL 10% - 2 cms

TOMA DE DATOS Tabla 33.Toma de datos 10%

MUESTRA VOLTAJE (V) DIÁMETRO FIBRA(Um)

M1 6350,598 1,93

M2 5839,2282 1,76

M3 6237,51 1,9

M4 5838,168 1,76

M5 5884,11 1,77

M6 6188,034 1,87

M7 5824,032 1,75

M8 6147,393 1,87

M9 5804,595 1,75

M10 5437,4124 1,64

M11 5799,294 1,77

M12 5440,9464 1,66

M13 5845,236 1,76

M14 5382,282 1,64

M15 5407,02 1,65

PROMEDIO 6244,70 1,89

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL VOLTAJE Tabla 34. Medidas de tendencia central

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 5828,391

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION):

DESVIACION

ESTANDAR 311,191

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 5838,17

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 227,087 VARIANZA 96840,107

COEF.

VARIANZA

5,339%

COEF. ASIMETRIA

0,023

95

TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 35.Tabla de frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR (VOLTAJE)

LIMITE SUPERIOR (VOLTAJE)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

PORCENTAJE DE

FRECUENCIA ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 5382,2 5520,5 4 26,7% 4 26,7%

2 5520,6 5658,9 0 0,0% 4 26,7%

3 5659,0 5797,4 0 0,0% 4 26,7%

4 5797,5 5935,8 7 46,7% 11 73,3%

5 5935,9 6074,2 0 0,0% 11 73,3%

6 6074,3 6212,7 2 13,3% 13 86,7%

7 6212,8 6351,1 2 13,3% 15 100,0%

Graficas 19 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 10% - 2 cms

4

0 0

7

0

2 2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

96

Graficas 20 Poligono de Frecuencias Relativas voltaje al 8% - 2 cms

Graficas 21 ojiva de frecuencias acumuladas voltaje 10% - 2 cms

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

VOLTAJE

97

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL DIAMETRO Tabla 36. Medidas de tendencia central y dispersion

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 1,765

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 0,094

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 1,76

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 0,069

VARIANZA 0,009

COEF.

VARIANZA 5,3220%

COEF.

ASIMETRIA 0,254

TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 37. Tabla de frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR

(DIAMETRO)

LIMITE SUPERIOR

(DIAMETRO)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

PORCENTAJE FRECUENCIA

ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 1,5 1,6 0 0,0% 0 0,0%

2 1,7 1,7 4 26,7% 4 26,7%

3 1,8 1,9 7 46,7% 11 73,3%

4 2,0 2,0 4 26,7% 15 100,0%

5 2,1 2,1 0 0,0% 15 100,0%

6 2,2 2,3 0 0,0% 15 100,0%

7 2,4 2,4 0 0,0% 15 100,0%

98

Graficas 22 Analisis de frecuencia absoluta diametro al 10% - 2 cms

Graficas 23 Poligono de frecuencias relativas al 10% - 2 cms

0

4

7

4

0 0 00

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N°DE CLASES

99

Graficas 24 ojiva de frecuencias acumuladas al 10% - 2 cms

ANALISIS DE CORRELACION – REGRESION LINEAL Graficas 25 Diametro en funcion del voltaje solucion al 10% - 2 cms

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

VOLTAJE

100

SOLUCION AL 6% - 4 CMS TOMA DE DATOS Tabla 38. Toma de datos

MUESTRA VOLTAJE (V) DIÁMETRO FIBRA(Um)

M1 5360 0,27

M2 5216 0,25

M3 5120 0,26

M4 4860 0,25

M5 4587 0,22

M6 4720 0,24

M7 5214 0,27

M8 5369 0,26

M9 4986 0,25

M10 4580 0,24

M11 4326 0,22

M12 4985 0,26

M13 4778 0,23

M14 4886 0,25

M15 4523 0,22

PROMEDIO 5250,71 0,26

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL VOLTAJE Tabla 39. Medidas de tendencia central

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 4900,667

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 317,814

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 4886,0

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION

PROMEDIO 259,378 VARIANZA 101005,810

COEF. VARIANZA

6,48512%

COEF.

ASIMETRIA

-0,107

101

TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 40.Tabla de frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR (VOLTAJE)

LIMITE SUPERIOR (VOLTAJE)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

PORCENTAJE FRECUENCIA

ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 4325,9 4474,9 1 6,7% 1 6,7%

2 4475,0 4624,0 3 20,0% 4 26,7%

3 4624,1 4773,1 1 6,7% 5 33,3%

4 4773,2 4922,2 3 20,0% 8 53,3%

5 4922,3 5071,3 2 13,3% 10 66,7%

6 5071,4 5220,4 3 20,0% 13 86,7%

7 5220,5 5369,5 2 13,3% 15 100,0%

Graficas 26 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 6% - 4 cms

1

3

1

3

2

3

2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

102

Graficas 27 Ojiva de frecuencias acumuladas al 6% - 4 cms

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL DIAMETRO Tabla 41. Medidas de tendencia central

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 0,246

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 0,017

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 0,25

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 0,014

VARIANZA 0,000297

COEF.

VARIANZA 7,01%

COEF.

ASIMETRIA -0,340

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

VOLTAJE

103

TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 42.Tabla de frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR

(DIAMETRO)

LIMITE SUPERIOR

(DIAMETRO)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

PORCENTAJE FRECUENCIA

ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 0,1 0,1 0 0,0% 0 0,0%

2 0,2 0,2 4 26,7% 4 26,7%

3 0,3 0,3 11 73,3% 15 100,0%

4 0,4 0,4 0 0,0% 15 100,0%

5 0,5 0,6 0 0,0% 15 100,0%

6 0,7 0,7 0 0,0% 15 100,0%

7 0,8 0,8 0 0,0% 15 100,0%

Graficas 28 Analsis de frecuencia absoluta diametro al 6% - 4 cms

0

4

11

0 0 0 00

2

4

6

8

10

12

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

104

Graficas 29 ojiva de frecuencias acumuladas al 6%- 4 cms

ANALISIS DE CORRELACION – REGRESION LINEAL Graficas 30 Diametro en funcion del voltaje solucion al 6% - 7 cms

-20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IAS

DIAMETROS

y = 0,0002x - 0,0227R² = 0,6654

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 100 200 300 400 500 600 700

DIA

MET

RO

VOLTAJE

Diámetro en función del voltaje Solución al 6% 7cm

105

SOLUCION AL 8% - 4 CM

TOMA DE DATOS Tabla 43.Toma de datos 8%

MUESTRA VOLTAJE (V) DIÁMETRO FIBRA(Um)

M1 3323,2 1,21

M2 3233,92 1,15

M3 3174,4 1,1

M4 3013,2 1,08

M5 2843,94 1

M6 2926,4 1,01

M7 3232,68 1,13

M8 3328,78 1,2

M9 3091,32 1,08

M10 2839,6 1,01

M11 2682,12 1

M12 3090,7 1,11

M13 2962,36 1,05

M14 3029,32 1,09

M15 2804,26 1,01

PROMEDIO 3255,44 1,16

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL VOLTAJE Tabla 44. Medidas de tendencia central

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 3038,413

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 197,045

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 3029,32

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 160,814 VARIANZA 38826,633

COEF. VARIANZA

6,48512%

COEF. ASIMETRIA

-0,107

106

TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 45.Tabla de frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR (VOLTAJE)

LIMITE SUPERIOR (VOLTAJE)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

PORCENTAJE FRECUENCIA

ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 2682,0 2774,4 1 6,7% 1 6,7%

2 2774,5 2866,9 3 20,0% 4 26,7%

3 2867,0 2959,4 1 6,7% 5 33,3%

4 2959,5 3051,8 3 20,0% 8 53,3%

5 3051,9 3144,3 2 13,3% 10 66,7%

6 3144,4 3236,8 3 20,0% 13 86,7%

7 3236,9 3329,3 2 13,3% 15 100,0%

Graficas 31 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 8%- 4 cms

1

3

1

3

2

3

2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SSO

LUTA

N° DE CLASES

107

Graficas 32 Ojiva de frecuencias acumuladas al 8% - 4 cms

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL DIAMETRO Tabla 46. Medidas de tendencia central

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 1,082

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 0,070

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 1,08

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 0,055

VARIANZA 0,005

COEF.

VARIANZA 6,46%

COEF.

ASIMETRIA 0,467

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

2635,730 2728,21 2820,69 2913,17 3005,65 3098,13 3190,61 3283,09

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

VOLTAJES

108

TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 47.Tablas de frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR

(DIAMETRO)

LIMITE SUPERIOR

(DIAMETRO)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

PORCENTAJE FRECUENCIA

ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 0,9 0,9 0 0,0% 0 0,0%

2 1,0 1,1 6 40,0% 6 40,0%

3 1,2 1,2 7 46,7% 13 86,7%

4 1,3 1,3 2 13,3% 15 100,0%

5 1,4 1,5 0 0,0% 15 100,0%

6 1,6 1,6 0 0,0% 15 100,0%

7 1,7 1,7 0 0,0% 15 100,0%

Graficas 33 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 8% - 4 cms

0

6

7

2

0 0 00

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

109

Graficas 34 Ojiva de frecuencias acumuladas al 8% - 4 cms

ANALISIS DE CORRELACION – REGRESION LINEAL Graficas 35 Diametro en funcion del voltaje solucion al 8% - 4 cms

-20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0,785 0,915 1,045 1,175 1,305 1,435 1,565 1,695

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

DIAMETROS

y = 0,0003x + 0,0538R² = 0,9096

0

0,5

1

1,5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

DIA

MET

RO

VOLTAJE

Diámetro en función del voltaje Solución al 8% 4cm

110

SOLUCION AL 10% - 4 cms TOMA DE DATOS Tabla 48. Toma de datos

MUESTRA VOLTAJE (V) DIÁMETRO FIBRA(Um)

M1 1894,224 1,52

M2 1843,3344 1,46

M3 1809,408 1,44

M4 1717,524 1,36

M5 1621,0458 1,31

M6 1668,048 1,32

M7 1842,6276 1,48

M8 1897,4046 1,53

M9 1762,0524 1,42

M10 1618,572 1,3

M11 1528,8084 1,24

M12 1761,699 1,4

M13 1688,5452 1,33

M14 1726,7124 1,36

M15 1598,4282 1,29

PROMEDIO 1855,60 1,48

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL VOLTAJE Tabla 49. Medidas de tendencia central

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 1731,896

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 112,316

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 1726,71

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 91,664 VARIANZA 12614,773

COEF. VARIANZA

6,485%

COEF. ASIMETRIA

-0,107

111

TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 50. Tabla de frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR (VOLTAJE)

LIMITE SUPERIOR (VOLTAJE)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

PORCENTAJE FRECUENCIA

ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 1528,7 1581,4 1 6,7% 1 6,7%

2 1581,5 1634,1 3 20,0% 4 26,7%

3 1634,2 1686,9 1 6,7% 5 33,3%

4 1687,0 1739,6 3 20,0% 8 53,3%

5 1739,7 1792,4 2 13,3% 10 66,7%

6 1792,5 1845,1 3 20,0% 13 86,7%

7 1845,2 1897,9 2 13,3% 15 100,0%

Graficas 36 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 10% - 4 cms

1

3

1

3

2

3

2

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

112

Graficas 37 Ojiva de frecuencias acumuladas al 10% - 4 cms

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL DIAMETRO Tabla 51. Medidas de tendencia central

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 1,384

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 0,089

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 1,36

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 0,075

VARIANZA 0,008

COEF.

VARIANZA 6,40%

COEF.

ASIMETRIA 0,227

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

VOLTAJE

113

TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 52.Tabla de frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR

(DIAMETRO)

LIMITE SUPERIOR

(DIAMETRO)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

FRECUENCIA ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 1,1 1,2 0 0,0% 0 0,0%

2 1,3 1,3 5 33,3% 5 33,3%

3 1,4 1,5 7 46,7% 12 80,0%

4 1,6 1,6 3 20,0% 15 100,0%

5 1,7 1,7 0 0,0% 15 100,0%

6 1,8 1,9 0 0,0% 15 100,0%

7 2,0 2,0 0 0,0% 15 100,0%

Graficas 38 Analisis de frecuencia absoluta diametro al 10% - 4 cms

0

5

7

3

0 0 00

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N°DE CLASES

114

Graficas 39 Ojiva de frecuencias acumuladas al 10% - 4 cms

ANALISIS DE CORRELACION – REGRESION LINEAL Graficas 40 Diametro en funcion del voltaje solucion al 10% - 4 cms

-20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

DIAMETRO

y = 0,0008x + 0,0341R² = 0,9775

0

0,5

1

1,5

2

0 500 1000 1500 2000

DIA

MET

RO

VOLTAJE

Diámetro en función del voltaje Solución al 10% 4cm

115

SOLUCION AL 6% - 7 cms

TOMA DE DATOS Tabla 53. Toma de datos

MUESTRA VOLTAJE (V) DIÁMETRO FIBRA(Um)

M1 623 0,085

M2 582 0,1

M3 480 0,06

M4 515 0,08

M5 489 0,05

M6 420 0,04

M7 435 0,04

M8 409 0,06

M9 425 0,06

M10 398 0,05

M11 386 0,05

M12 408 0,06

M13 376 0,05

M14 386 0,045

M15 365 0,05

PROMEDIO 478,36 0,06

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL VOLTAJE Tabla 54. Medidas de tendencia central

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 446,467

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 76,813

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 420

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 60,889 VARIANZA 5900,267

COEF. VARIANZA

17,21%

COEF. ASIMETRIA

1,244

116

TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 55. Tabla de frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR (VOLTAJE)

LIMITE SUPERIOR (VOLTAJE)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

PORCENTAJE DE

FRECUENCIA ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 364,9 401,8 5 33,3% 5 33,3%

2 401,9 438,7 5 33,3% 10 66,7%

3 438,8 475,7 0 0,0% 10 66,7%

4 475,8 512,6 2 13,3% 12 80,0%

5 512,7 549,6 1 6,7% 13 86,7%

6 549,7 586,5 1 6,7% 14 93,3%

7 586,6 623,5 1 6,7% 15 100,0%

Graficas 41 Analisis de frecuencia abnsoluta voltaje al 6% - 7 cms

5 5

0

2

1 1 1

0

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

117

Graficas 42 Ojiva de frecuencias acumuladas al 6% - 7 cms

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL DIAMETRO Tabla 56.Medidas de tendencia central

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 0,059

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 0,017

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 0,05

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 0,013

VARIANZA 0,000

COEF.

VARIANZA 29,25%

COEF.

ASIMETRIA 1,301

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

VOLTAJE

118

TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 57. Tabla de frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR

(DIAMETRO)

LIMITE SUPERIOR

(DIAMETRO)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 -0,2 -0,1 0 0,0% 0 0,0%

2 0,0 0,1 8 53,3% 8 53,3%

3 0,2 0,2 7 46,7% 15 100,0%

4 0,3 0,3 0 0,0% 15 100,0%

5 0,4 0,4 0 0,0% 15 100,0%

6 0,5 0,5 0 0,0% 15 100,0%

7 0,6 0,6 0 0,0% 15 100,0%

Graficas 43 Analisis de frecuencia diametro al 6% - 7 cms

0

8

7

0 0 0 00

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

119

Graficas 44 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 6% - 7 cms

ANALISIS DE CORRELACION – REGRESION LINEAL Graficas 45 Diametro en funcio del voltaje solucion al 6% - 7 cms

-20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

DIAMETRO

y = 0,0002x - 0,0227R² = 0,6654

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 100 200 300 400 500 600 700

DIA

MET

RO

VOLTAJE

Diámetro en función del voltaje Solución al 6% 7cm

120

SOLUCION AL 8% - 7 cms

TOMA DE DATOS Tabla 58.Toma de datos

MUESTRA VOLTAJE (V) DIÁMETRO FIBRA(Um)

M1 386,26 0,6

M2 360,84 0,54

M3 297,6 0,42

M4 319,3 0,5

M5 303,18 0,45

M6 260,4 0,39

M7 269,7 0,42

M8 253,58 0,37

M9 263,5 0,41

M10 246,76 0,38

M11 239,32 0,35

M12 252,96 0,37

M13 233,12 0,35

M14 239,32 0,36

M15 226,3 0,34

PROMEDIO 296,58 0,45

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL VOLTAJE

Tabla 59. Medidas de tendencia central y dispersión

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 276,809

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 47,624

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 260,40

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 37,751 VARIANZA 2268,063

COEF. VARIANZA

17,21%

COEF. ASIMETRIA

1,244

121

TABLA DE FRECUENCIAS

Tabla 60.Tabla de frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR (VOLTAJE)

LIMITE SUPERIOR (VOLTAJE)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA CUMUL.

ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 226,2 249,1 5 33,3% 5 33,3%

2 249,2 272,0 5 33,3% 10 66,7%

3 272,1 295,0 0 0,0% 10 66,7%

4 295,1 317,9 2 13,3% 12 80,0%

5 318,0 340,9 1 6,7% 13 86,7%

6 341,0 363,8 1 6,7% 14 93,3%

7 363,9 386,8 1 6,7% 15 100,0%

Graficas 46 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 8% - 7 cms

5 5

0

2

1 1 1

0

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

122

Graficas 47 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 8% - 7 cms

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL DIAMETRO

Tabla 61.Medidas de tendencia central y dispersión Diametro

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 0,417

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 0,076

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 0,39

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 0,057

VARIANZA 0,006

COEF.

VARIANZA 18,29%

COEF.

ASIMETRIA 1,332

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

VOLTAJE

123

TABLA DE FRECUENCIAS

Tabla 62.frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR

(DIAMETRO)

LIMITE SUPERIOR

(DIAMETRO)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 0,2 0,3 0 0,0% 0 0,0%

2 0,4 0,4 9 60,0% 9 60,0%

3 0,5 0,6 5 33,3% 14 93,3%

4 0,7 0,7 1 6,7% 15 100,0%

5 0,8 0,8 0 0,0% 15 100,0%

6 0,9 1,0 0 0,0% 15 100,0%

7 1,1 1,1 0 0,0% 15 100,0%

Graficas 48 Analisis de frecuencia absoluta diametro al 8% - 7 cms

0

9

5

1

0 0 00

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

124

Graficas 49 Ojiva de frecuencias acumuladas al 8%- 7 cms

ANALISIS DE CORRELACION – REGRESION LINEAL Graficas 50 Diametro en funcion del voltaje solucion al 8% - 7 cms

-20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

DIAMETRO

y = 0,0016x - 0,0203R² = 0,973

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

DIA

MET

RO

VOLTAJE

Diámetro en función del voltaje Solución al 8% 7cm

125

SOLUCION AL 10% - 7 cms

TOMA DE DATOS Tabla 63.Toma de datos

MUESTRA VOLTAJE (V) DIÁMETRO µ FIBRA(Um)

M1 220,1682 1,12

M2 205,6788 1

M3 169,632 1,1

M4 182,001 1

M5 172,8126 1,05

M6 148,428 1,1

M7 153,729 1

M8 144,5406 1,1

M9 150,195 1,01

M10 140,6532 1

M11 136,4124 1,1

M12 144,1872 0,95

M13 132,8784 1,01

M14 136,4124 1,01

M15 128,991 0,98

PROMEDIO 169,05 1,11

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL VOLTAJE Tabla 64. Medidas de tendencia central y dispersión

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 157,781

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 27,146

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 148,43

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION

PROMEDIO 21,518 VARIANZA 736,894

COEF. VARIANZA

17,21%

COEF.

ASIMETRIA

1,244

126

TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 65. Frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR (VOLTAJE)

LIMITE SUPERIOR (VOLTAJE)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 128,9 141,9 5 33,3% 5 33,3%

2 142,0 155,0 5 33,3% 10 66,7%

3 155,1 168,2 0 0,0% 10 66,7%

4 168,3 181,3 2 13,3% 12 80,0%

5 181,4 194,4 1 6,7% 13 86,7%

6 194,5 207,5 1 6,7% 14 93,3%

7 207,6 220,7 1 6,7% 15 100,0%

Graficas 51 Analisis de frecuencia absoluta voltaje al 10% - 7 cms

5 5

0

2

1 1 1

0

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

127

Graficas 52 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 10% - 7 cms

MEDIDAS DE TENDENCIA CENTRAL Y DISPERSION PARA EL DIAMETRO Tabla 66. Medidas de tendencia central

MEDIA: (MEDIDA TENDENCIA CENTRAL): MEDIA 1,035

DESVIACION: (MEDIDA DE DISPERSION): DESVIACION ESTANDAR 0,054

OTRAS MEDIDAS DE T.C. MEDIANA 1,01

OTRAS MEDIDAS DE DISP: DESVIACION PROMEDIO 0,048

VARIANZA 0,003

COEF.

VARIANZA 5,25%

COEF.

ASIMETRIA 0,347

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

VOLTAJE

128

TABLA DE FRECUENCIAS Tabla 67.Frecuencias

Nº DE

CLASE

LIMITE INFERIOR

(DIAMETRO)

LIMITE SUPERIOR

(DIAMETRO)

FRECUENCIA ABSOLUTA

FRECUENCIA RELATIVA

FRECUENCIA ACUMUL.

ACUMUL. RELATIVO

0 0 0%

1 0,9 0,9 0 0,0% 0 0,0%

2 1,0 1,0 2 13,3% 2 13,3%

3 1,1 1,1 13 86,7% 15 100,0%

4 1,2 1,2 0 0,0% 15 100,0%

5 1,3 1,4 0 0,0% 15 100,0%

6 1,5 1,5 0 0,0% 15 100,0%

7 1,6 1,6 0 0,0% 15 100,0%

Graficas 53 Analisis de frecuencia diametro 10% - 7 cms

0

2

13

0 0 0 00

2

4

6

8

10

12

14

1 2 3 4 5 6 7

FREC

UEN

CIA

AB

SOLU

TA

N° DE CLASES

129

Graficas 54 Ojiva de Frecuencias Acumuladas al 10% - 7 cms

ANALISIS DE CORRELACION – REGRESION LINEAL Graficas 55 diametro en funcion del voltaje solucion al 10% - 7 cms

-20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

PO

RC

ENTA

JE D

E FR

ECU

ENC

IA

DIAMETRO

130

10.5 VOLTAJES Y DIAMETROS PROMEDIOS DE LOS EXPERIMENTOS Tabla 68. Voltajes y diametros promedio

CARACTERISTICA VOLTAJE

(V)

DESV. ESTAND. PARA EL VOLTAJE

DIAMETRO (1 x 10-6)

m

DESV. ESTAND. PARA EL

DIAMETRO

Solución 6% - 2 cm 16492,333 880,564 0,461 0,030

Solución 8% - 2 cm 10225,247 545,950 1,305 0,078

Solución 10% - 2 cm 5828,391 311,191 1,765 0,094

Solución 6% - 4 cm 4900,667 317,814 0,246 0,017

Solución 8% - 4 cm 3038,413 197,045 1,082 0,070

Solución 10% - 4 cm 1731,896 112,316 1,384 0,089

Solución 6% - 7 cm 446,467 76,813 0,059 0,017

Solución 8% - 7 cm 276,809 47,624 0,417 0,076

Solución 10% - 7 cm 157,781 27,146 1,035 0,054

ANALISIS ESTADISTICO DE LAS PRUEBAS DESARROLLADAS DISTANCIA Vs DIAMETRO Se realizaron una serie de prubas teniedo en cuenta la variacion de la distancia a diferentes medidas en relacion con el Diametro de la fibra obteniendo los siguientes datos. Tabla 69 Solucion al 6%

SOLUCION AL 6%

Distancia (cm) Diámetro (1 x 10-6) m Desviación estándar

1 0,527 0,02886

2 0,461 0,02524

3 0,394 0,02158

4 0,246 0,01636

5 0,168 0,01117

6 0,098 0,00652

7 0,059 0,00341

131

Tabla 70 Metodo de Minimos Cuadrados

X Y X^2 Y^2 X*Y

Distancia (cm)

DIÁMETRO FIBRA(Um)

1 0,527 1 0,277945 0,5272049

2 0,461 4 0,212521 0,922

3 0,394 9 0,1554485 1,18280874

4 0,246 16 0,060516 0,984

5 0,168 25 0,02830631 0,8412239

6 0,098 36 0,00959408 0,5876962

7 0,059 49 0,003481 0,413

TOTAL 28 1,954 140 0,74781189 5,45793374

Pendiente= -0,084169313

Intercepto= 0,615772769 ECUACION:

Diámetro= -0,0842*Distancia + 0,6158

Graficas 56 Diametro en función de la distancia solucion al 6%

y = -0,0842x + 0,6158R² = 0,9793

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0 1 2 3 4 5 6 7 8

DIA

MET

RO

(1

x 1

0-6

) m

DISTANCIA - cm

Diámetro en función de la distancia Solución al 6%

132

Graficas 57 Relacion de propocionalidad entre Diametro y Distancia - Solucion al 5%

Graficas 58 Curva del diametro en funcion de la distancia solucion al 6%

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1 2 3 4 5 6 7

RELACION DE PROPORCIONALIDAD ENTRE DIAMETRO Y DISTANCIA - SOLUCION AL 6%

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0 1 2 3 4 5 6 7 8

DIA

MET

RO

DISTANCIA

CURVA DEL DIAMETRO EN FUNCIÓN DE LA DISTANCIA

133

Tabla 71 Porcentaje de error

Diámetro Real

Diámetro Teórico

% Error

0,527 0,532 0,83%

0,461 0,447 2,94%

0,394 0,363 7,86%

0,246 0,279 13,45%

0,168 0,195 15,86%

0,098 0,111 13,08%

0,059 0,027 54,94%

CORRELACION ENTRE VARIABLES: Diámetro en función de la Distancia para una Solución al 8% Tabla 72 Solucion al 8%

SOLUCION AL 8%

Distancia (cm)

Diámetro (1 x 10-6) m Desviación estándar

1 1,607 0,10726

2 1,305 0,08000

3 1,245 0,06801

4 1,082 0,07669

5 0,755 0,05010

6 0,582 0,03839

7 0,417 0,03223

Tabla 73 Metodo de minimos cuadrados

X Y X^2 Y^2 X*Y

Distancia

DIÁMETRO FIBRA(Um)

1 1,607 1 2,58177634 1,6067907

2 1,305 4 1,703025 2,61

3 1,245 9 1,55002613 3,73500136

4 1,082 16 1,170724 4,328

5 0,755 25 0,569794 3,77423503

6 0,582 36 0,33927876 3,49485843

7 0,417 49 0,173889 2,919

TOTAL 28 6,993 140 8,08851324 22,4678855

134

Pendiente= -0,196591883

Intercepto= 1,785383899 ECUACION:

Diámetro= -0,1966*Distancia + 1,7853

Graficas 59 Diametro en funcion de la distancia solucion al 8%

Graficas 60 Relacion de proporcionalidad entre diametro y distancia - solucion al 8%

135

Graficas 61 Curva del diametro en funcion de la distancia - solucion al 8%

Tabla 74 Porcentaje de Error

Diámetro Real Diámetro Teórico % Error

1,607 1,589 1,12%

1,305 1,392 6,68%

1,245 1,196 3,97%

1,082 0,999 7,67%

0,755 0,802 6,30%

0,582 0,606 4,01%

0,417 0,409 1,86%

CORRELACION ENTRE VARIABLES: Diámetro en función de la Distancia para una Solución al 10%

Tabla 75 Solucion al 10%

SOLUCION AL 10%

Distancia (cm) Diámetro (1 x 10-6) m Desviación estándar

1 1,922 0,1168

2 1,765 0,1024

3 1,630 0,0891

4 1,384 0,0951

5 1,262 0,0838

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0 2 4 6 8

DIA

MET

RO

DISTANCIA

Curva del Diámetro en función de la distanciaSolución al 8%

136

6 1,121 0,0742

7 1,035 0,1168

Tabla 76 Metodo de minimos cuadrados

X Y X^2 Y^2

X*Y

Distancia

DIÁMETRO FIBRA(Um)

1 1,922 1 3,695654691 1,922408565

2 1,765 4 3,115225 3,53

3 1,630 9 2,655856365 4,889039505

4 1,384 16 1,915456 5,536

5 1,262 25 1,591617214 6,307965626

6 1,121 36 1,257318428 6,727812678

7 1,035 49 1,071225 7,245

TOTAL 28 10,119 140 15,3023527 36,15822637

Pendiente= -0,154203864

Intercepto= 2,062384545

ECUACION:

Diámetro= -0,1542*Distancia + 2,0623

Graficas 62 Diametro en funcion de la distancia - solucion al 10%

137

Graficas 63 Relacion de proporcionalidad entre diametro y distancia - solucion al 10%

Graficas 64 Curva del diametro en funcion de la distancia - solucion al 10%

138

Tabla 77 Porcentaje de error

Diámetro Real

Diámetro Teórico

% Error

1,922 1,908 0,74%

1,765 1,754 0,62%

1,630 1,600 1,84%

1,384 1,446 4,45%

1,262 1,291 2,36%

1,121 1,137 1,41%

1,035 0,983 5,03%

139

11. INVESTIGACIÒN DE MODELACION Y SIMULACION DE SISTEMAS NANOTECNOLOGICOS DOTADOS EN NANOINSTRUMETACION

(NANOSENSORES) El diseño de nanosensores referido a aplicaciones en instrumentacion biomedica, se realiza a travez de la metodologia figura 72

Fuente: Jaime Castillo y otrs MEMORIAS I SEMINARIO INTERNACIONAL DE NANOTECNOLOGÍA UDES. Universidad de Dinamarca DTU 2011

Para el diseño de los nanosensores anteriormente descritos se realiza a traves del tratamiento de los resultados de muestras obtenidas por hilado electronico utilizando el equipo de electrospinning con base en el diseño experimental establecido en el proyecto, usando como material de trabajo polimero Acetato de alcohol polivinilico (PVA) El resultado del diseño permite establecer el modelo cuantico obtenido a partir del software SIESTA, que permite evaluar diseños de nanosistemas teniendo en cuenta la estructura geometria y dimensional de muestras representativas del proceso de electrohilado de la aplicación basada en nanohilos donde se considera la norma ISO TC 213, (Geometria y dimensionamiento del producto) para el procesamiento de los resultados de las muestras que permitan identificar y dimensionar los parametros que intervienen en el comportamiento de los nanomateriales en configuración de nanohilos.

Figura 72.Proceso de modelación y simulación de nanosensores

140

Inicialmente la simulación incluye las bases de datos referidas de los calculos de los modelos cuanticos identificados con el software siesta y extrapolados al software MATLAB, para el diseño del modelo del nanoenlace que establece la relacion entre el nanosensor y el medio y/o entorno donde se aplicará el modelo que utiliza diseño de nano- circuitos cuanticos, como nanosensores que permite replicar funciones a través de la clusterización en conjuntos difuso y la configuración de circuitos evolutivos,donde se sustituye la conmutación por mutación, como resultado del cambio en el circuito de los bloques lógicos configurables por bloques lógicos mutables. Para la verificación de los modelos cuanticos simulados en el diseño se utiliza la metodologia bottom up(de abajo hacia arriba), donde se considera la naturaleza y las caracteristicas del modelo cuantico y teniendo en cuenta las propiedas electricas de los nanohilos, sedefine el modelo de los nanohilos establecidos en el software COMSOL, que define las caracteristicas fisicomecanicas de la conformación de la estructura geometrica y dimensional de los nanosensores. Para la integración y empaquetamiento de los modelos electricos y fisicomecanicos se utliza aplicaciones de instrumentacion virtual con el uso del software LABVIEW, que permite verificar la conversion de señales para la validacion de los modelos con base en los datos obtenidos experimentalmente. Figura 73.Proceso de simulación

141

Modelación y simulación de sistemas nanotecnológicos dotados de nanoinstrumentación (nanosensores) asociados a la instrumentación biomédica. La modelación y simulación de sistemas nanotecnológicos se desarrolla de acuerdo a la metodología basada en sistemas (nanosensor-control-nanoactuador) para el control de bioequipos, nanobiosensores para el diagnóstico de enfermedades infecciosas nano sensores para la medición de los niveles de calcio en los huesos, piel artificial sensible nanobiosensores para el cuerpo humano, nanobioparticulas, nanomarcapasos donde a partir de las señales del sisitema se procesan en forma de cluster difusos con técnicas de inteligencia artificial. Las aplicaciones previstas en el proyecto en instrumentacion biomedica estan referidas a nanobiosensores utilizados para la medicion de la presión sanguinea, fuerza a traves de la piel artificial sensible y carga para aplicaciones de nanohilos con particulas a nanoescala nanomarcapasos. A continucacion se presentan los modelos de medición que soportan cada una de estas aplicaciones. Para la aplicación de nanosensores en piel artificial para aplicaciones en protesis de mientro superior e inferior (manos y piernas) se utilizan el modelo de deformacion para filamentos conformados como nanohilos para la medicion del parametro de deformación donde su uso en nanobiosensores puede verificarse a traves del modelo Donde el nanosensor se deforma en la dirección del conductor, los tres parámetros 𝝆, L y A han de variar. Entonces la resistencia variará según (Doebelin E 2004)

𝑑𝑅 =𝜕𝑅𝜕𝜌

∙ 𝑑𝜌 +𝜕𝑅𝜕𝐿

∙ 𝑑𝐿 +𝜕𝑅𝜕𝐴

∙ 𝑑𝐴;

Donde

𝜕𝑅

𝜕𝜌= 𝐿 𝐴⁄ ;

𝜕𝑅

𝜕𝐿= 𝜌 𝐴⁄ ;

𝜕𝑅

𝜕𝐴= − 𝜌𝐿 𝐴2⁄

Entonces

𝑑𝑅 =𝐴(𝜌𝑑𝐿+𝐿𝑑𝜌)−𝜌𝐿𝑑𝐴

𝐴2 (11)

La sección transversal se puede reducir a una sección circular de diámetro equivalente 𝑑𝑒 . por lo tanto,

𝐴 = 𝑄𝑑𝑒2

Claro que el conductor es circular, 𝑄 =𝜋

4. Derivando

𝑑𝐴 = 2𝑄𝑑𝑒𝑑(𝑑𝑒)

142

Recordando la magnitud del coeficiente de poisson

𝑑(𝑑𝑒)

𝑑𝑒= −𝜇

𝑑𝐿

𝐿

Resulta entonces que

𝑑𝐴 = −2𝑄𝑑𝑒2𝜇

𝑑𝐿

𝐿= −2𝐴𝜇

𝑑𝐿

𝐿 (12)

Sustituyendo la ecuación (12) en la ecuación (13)

𝑑𝑅 =𝜌𝑑𝐿(1+𝜇)+𝐿𝑑𝜌

𝐴 (13)

Eliminando A con la ayuda de la ecuación (13)

𝑑𝑅

𝑑= (1 + 2𝜇 +

𝑑𝜌 𝜌⁄

𝑑𝐿 𝐿⁄)

𝑑𝐿

𝐿

Ahora se toma en cuenta que la deformación longitudinal unitaria 𝜀 = ∆𝐿 𝐿⁄ y entonces

𝑑𝑅

𝑅= 𝐾𝑔𝜀; 𝐾𝑔 = 1 + 2𝜇 +

𝑑𝜌 𝜌⁄

𝜀 (14)

Se observa que 𝐾𝑔 depende aparentemente de 𝜀, pero el término (𝑑𝜌 𝜌)/𝜀⁄ es una

propiedad física del material del conductor y se denomina piezorresistividad, de forma tal que

𝑑𝜌 𝜌⁄

𝜀= 𝜋1𝐸. (15)

En la ecuación (4.1), E es el modulo de la elasticidad del material y 𝜋1 es el coeficiente de piezorresistividad longitudinal, pudiendo ser positivo o negativo.

Finalmente,

𝑑𝑅

𝑑= 𝐾𝑔𝜀; 𝐾𝑔 = 1 + 2𝜇 + 𝜋1𝜀 (4.1)

𝐾𝑔 es el coeficiente del tensoelemento y relaciona la deformación longitudinal

unitaria (cambio relativo de longitud) con el cambio relativo de resistencia del conductor.

143

La sensibilidad 𝐾𝑔𝑅 de este conductor es la relación entre el cambio de resistencia

y la deformación longitudinal unitaria.

𝑑𝑅 = 𝐾𝑔𝑅𝜀; 𝐾𝑔𝑅 =𝑑𝑅

𝜀 (16)

Esto puede lograrse haciendo el alambre de muy poco calibre, pero la resistencia mecánica del alambre pone un límite inferior a este calibre. La otra posibilidad es aumentar 𝐿. pero si la longitud es grande no se estará midiendo un adecuado valor

de la deformación longitudinal unitaria, la cual exige que la longitud 𝐿 sea lo menor posible. Para aumentar la longitud del alambre sin aumentar la longitud de la zona de medición se recurrió a la solución mostrada. Si la pieza tiene en la dirección de medición una deformación longitudinal unitaria 𝜀, tendrá en la dirección transversal una deformación longitudinal unitaria – 𝜇𝜀. Asumiendo que la longitud total longitudinal del alambre sigue siendo 𝐿 y su área

𝐴, pero que la longitud total transversal del alambre es 𝐿𝑇, con una sección 𝐴𝑇, resulta que el cambio de resistencia longitudinal es:

∆𝑅𝐿 = 𝐾𝑔

𝜌𝐿

𝐴𝜀

El cambio de resistencia transversal

∆𝑅𝑇 = 𝐾𝑔

𝜌𝐿𝑡

𝐴(−𝜇𝜀)

El cambio de resistencia total es

∆𝑅 = 𝐾𝑔𝜌𝜀 (𝐿

𝐴− 𝜇

𝐿𝑇

𝐴𝑇) = 𝐾𝑔

𝜌𝐴

𝐿𝜀 (−1𝜇

𝐴

𝐴𝑇∙

𝐿𝑇

𝐿)

∆𝑅 = 𝐾𝑔 (1 − 𝜇𝐴

𝐴𝑇∙

𝐿𝑇

𝐿) 𝑅 = 𝐾𝑔

′ 𝑅

Entonces

𝐾𝑔′ = 𝐾𝑔 (1 − 𝜇

𝐴

𝐴𝑇∙

𝐿𝑇

𝐿) (17)

En este caso todo el alambre tiene la misma sección uniforme 𝐴. Entonces 𝐴𝑇 = 𝐴 y finalmente

𝐾𝑔′ = 𝐾𝑔 (1 − 𝜇

𝐿𝑇

𝐿) (18)

Se observa cómo, aunque la longitud total del alambre es 𝐿 + 𝐿𝑇, la sesnsibilidad ahora es menor que si el almabre fuese recto con una longitud 𝐿. Esto no es motivo de preocupación para el que Usa un tensoelemento de alambre, por cuanto en la

144

fábrica se ensaya las muestras de tensoelementos midiendo en una pieza. Entonces se mide el cambio de resistencia real correspondiente a cierta deformación

longitudinal unitaria y se determina 𝐾𝑔 en forma experimental. Por lo tanto, ya el

coeficiente del tensoelemento tiene en cuenta este fenómeno. Con los tensoelementos se mide la deformación unitaria 𝜀𝑥, en la dirección

longitudinal, que se le designará ahora como la dirección 𝑥. Para calcular el esfuerzo normal en la dirección x, es necesario conocer a priori que no hay esfuerzo normal en la dirección 𝑦, como en el caso de una barra sometida a tracción o compresión. Entonces, para un material elástico con módulo de elasticidad 𝐸 (𝑃𝑎) y dentro de la zona elástica se tiene

𝜎𝑥 = 𝐸𝜀𝑥 [𝑃𝑎] (19)

Si no se estuviese seguro de la ausencia de 𝜎𝑦, se colocaría otro tensoelemento en

la dirección 𝑦, de forma que su eje tendría 90° con respecto al eje del primer tensoelemento. Ahora se tendría las lecturas 𝜀𝑥 y 𝜀𝑦. Recordando la ley de Hooke

generalizada se tiene que

𝜀𝑥 =𝜎𝑥

𝐸−

𝜇

𝐸(𝜎𝑦 + 𝜎𝑦); (20)

𝜀𝑦 =𝜎𝑦

𝐸−

𝜇

𝐸(𝜎𝑥 + 𝜎𝑥); (21)

La letra griega 𝜇 representa el coeficiente de Poisson del material (se supone que no se excede el límite elástico). Aquí𝜎𝑥 = 0. Entonces, despejando los esfuerzos se obtiene

𝜎𝑥 =𝐸

1−𝜇2(𝜀𝑦 + 𝜀𝑦): (22)

𝜎𝑦 =𝐸

1−𝜇2(𝜀𝑥 + 𝜀𝑥): (23)

De esta forma se puede determinar los esfuerzos normales en las dos direcciones.

La longitud de la parrilla en la dirección 𝑦 es 𝜇 veces la longitud de la parrilla en la

longitud 𝑥. además, ambas parrillas están en serie, por lo que sus resistencias se suman. Llamando 𝐾𝑔0 a la constante de cada parrilla, que es la misma para las dos,

145

se tiene para el cambio de resistencia en cada parrilla

∆𝑅𝑥 = 𝐾𝑔0𝑅𝑥𝜀𝑥 ; ∆𝑅𝑦 = 𝐾𝑔0𝜇𝑅𝑥𝜀𝑦

La resistencia total es

∆𝑅 = 𝐾𝑔0𝑅𝑥(𝜀𝑥 + 𝜇𝜀𝑦) (24)

Comparando las ecuaciones (24) y (21) se obtienen las expresiones

𝜎𝑥 = 𝐾𝑔∆𝑅[𝑃𝑎]; 𝐾𝑔 =𝐸

(1−𝜇2)𝐾𝑔0𝑅𝑥 [

𝑃𝑎

Ω] (25)

El valor de 𝐾𝑔 es dado por el fabricante y sin realizar operaciones se tiene el

esfuerzo 𝜎𝑥, solamente al medir el cambio total ∆𝑅 de resistencia del tensoelemento. Muchas veces no basta con hallar los esfuerzos normales en dos ejes perpendiculares entre sí; sino que se desea conocer el estado tensional del punto; por ejemplo, posición de los ejes principales con respecto a una posición dada, esfuerzos principales , etc. En tal caso se debe recurrir como mínimo a tres tensoelementos y procesar las lecturas de cada uno de ellos. Los esfuerzos normales máximos (𝜎𝑚𝑎𝑥) y mínimos (𝜎𝑚𝑖𝑛) en el plano y la posición

de los ejes principales (𝛽𝑝) tomando siempre como referencia a la dirección del

tensoelemento 1, se dan a continuación:

Roseta Rectangular:

𝜎𝑚𝑎𝑥𝑚𝑖𝑛

=𝐸

2(

𝜀1+𝜀3

1−𝜇) ±

1

1+𝜇√(𝜀1 − 𝜀3)2 + [2𝜀2 − (𝜀1 + 𝜀3)]2 (15)

𝛽𝑝 =1

2𝑎𝑟𝑐 𝑡𝑎𝑛 (

2𝜀2−(𝜀1+𝜀3)

𝜀1−𝜀3) (26)

Roseta Delta

𝜎𝑚𝑎𝑥𝑚𝑖𝑛

= 𝐸𝜀1+𝜀2+𝜀3

3(1−𝜇)±

1

1+𝜇√(𝜀1 −

𝜀1+𝜀2+𝜀3

3)

2

+ (𝜀2−𝜀3

√3)

2

;

146

𝛽𝑝 =1

2𝑎𝑟𝑐 𝑡𝑎𝑛 (

𝜀2−𝜀3

√3

𝜀1−𝜀1+𝜀2+𝜀3

3

) (27)

Roseta Delta T:

𝜎𝑚𝑎𝑥𝑚𝑖𝑛

=𝐸

2(

𝜀1 + 𝜀4

1 − 𝜇) ±

1

1 + 𝜇√(𝜀1 − 𝜀2)2 +

4

3(𝜀2 − 𝜀3)2;

𝛽𝑝 =1

2𝑎𝑟𝑐 𝑡𝑎𝑛 (

2(𝜀1−𝜀2)

√3(𝜀1−𝜀4)) (28)

La roseta Delta T presenta, pagando el precio correspondiente a un tensoelemento (y después a un amplificador) adicional, la ventaja de mayor exactitud en los cálculos. Es posible medir con una roseta Delta T y usar las fórmulas de la roseta Delta, sin usar la información del tensoelemento . Después se vuelve a calcular con la fórmula de la roseta Delta T, y si no se obtiene el mismo resultado, se deben tomar decisiones adecuadas. Con los valores de 𝜎𝑚𝑎𝑥; 𝜎𝑚𝑖𝑛 y 𝛽𝑝 se puede calcular todos los restanteparámetros

del estado tensional y deformacional. (Gómez, 2016)12 NANOMARCAPASOS

Para la aplicación de nanosensores para la generación de carga se realiza en un dispositivo soportado en un nanouente A-V que permite la medicion de los pulsos fisiologicos naturales del corazon y conduce, amplica y genera cargas para la activación de las pulsaciones del corazon de baja amplitud y baja frecuencia. Para el desarrollo del nanosensor basado en el nanopuente se tulizan materiales que presentan un efecto piezoeléctrico significativo caen dentro de dos categorías: Naturales (como el cuarzo) o cristales sintéticos (sulfato de litio, fosfato de amonio) y cerámicas ferroeléctricas polarizadas (titanio de bario) las cerámicas ferroeléctricas no presentan este efecto en forma natural y deben ser polarizadas artificialmente, mientras se encuentran a una temperatura superior al punto de Curie del material. Después se las deja enfriar lentamente con el campo aplicado. Cuando se remueve el campo externo, el material ya enfriado retiene cierta polarización remanente y por lo tanto exhibe el efecto piezoeléctrico. La temperatura de Curie es aquella temperatura por encima de la cual el material pierde sus propiedades ferroeléctricas. Es este el límite de temperatura al cual el material puede utilizarse.

12Grupo de investigación Mecatrónica (Gómez, 2016)

147

El material piezoeléctrico puede exhibir este efecto en diferentes direcciones; transversal, longitudinal, cortante, etc. Esto depende de la forma de cuerpo y su orientación con respecto a sus ejes cristalográficos y también de la posición de los electrodos. En las cerámicas polarizadas es de extrema importancia a la dirección del campo eléctrico durante la polarización artificial. En la figura 1 se muestra los ejes que relacionan el efecto eléctrico y el mecanico, definido por constantes gik y dik.

Figura 74 Elemento piezoeléctrico

Fuente: MUÑOZ, Antonio Faustino. Medición del movimiento. En: Sensórica e instrumentación de alta precisión. Editorial mes. República de Cuba, 1996. p. 132.

Así, para el elemento piezoeléctrico de la figura 1 se define la constante

2

1

33/

/

.3

3

mN

mV

lbf

he

direcciónlaenaplicadocampo

direcciónlaenproducidocampog o

Para constantes los valores típicos son:

bariodetilanatomNmVg 23

33 ///1012

.///1050 23

33 cuarzomNmVg

También se puede definir la constante:

N

C

f

e

direcciónlaenaplicadoesfuerzo

direcciónlaengeneradaacg

1

333

3arg

b f

L e

f

h

ELE

3

2

1

5

6

4

148

Para estas constantes los valores típicos son:

NCd /10.150 12

33

Titanio de bario.

NCd /1003.2 12

33

Cuarzo.

Ambas constantes no son independientes. La capacitancia del cristal es 0e

q

h

bl

entonces en la constante ssg en la siguiente ecuación.

33

101

033

d

f

q

e

q

f

eg

Luego, 0

3333

qk

dg

La constante dieléctrica del titanio de bario es 1410 y la del cuarzo es 4.58. Para expresar la sensibilidad del cristal en términos de desplazamiento, es necesario conocer el módulo de elasticidad del material. Para el cuarzo el valor del módulo de elasticidad es 8.6·10^4 MPa y para el titanio de bario 12·10^4 MPa. La

fuerza 1f se expresa, en términos de esfuerzo y de formaciones x como

blh

xEáreaesfuerzof 1

Sustituyendo en la ecuación (2) se tiene que:

xdh

Eblq 33

Finalmente

xg

h

EAKxd

h

EAq

q 33

0

33

(4)

En la expresión (4), A(m2) es el área de la sección transversal del elemento piezoeléctrico y x la deformación con respecto a su espesor inicial h. Por ejemplo, la sensibilidad carga-desplazamiento de un elemento de titanio de bario de 1cm3 de sección y 2mm de espesor es de 0.9 C/m. para deformar el elemento un micrón, hace falta una fuerza de 6000N.

149

El elemento piezoeléctrico de la figura 1 se puede interpretar como un generador de cargas entre sus placas, según la deformación del elemento, es decir, según se acerquen o alejen dichas placas. Esta relación está dad por

mCdh

EAKCxKQ qq /; 33 (5)

También hay una resistencia entre las placas, que es la resistencia de fuga del capacitor formado por las placas y el elemento piezoeléctrico. Su valor depende de la resistividad del material y la separación del área de las placas (electrodos). Para los materiales y las dimensiones usuales la resistencia de fuga Ra tiene valores del orden de las decenas de giga Modelamiento fuzzy El presente modelo matrical permite el manejo de las bases de datos de las señales de entrada y salida del nanocircuio, en donde las filas son las salidas y las columnas son las entradas (Matriz tomada del modelo de conocimiento ) tomada de codigo genetico ADN, donde las variables son asignadas en conjuntos borrosos. Figura 75 Modelo matrical

150

Tabla 78. DNA CODE nano sensor

Tabla 79. DNA CODE nano actuador

151

CONCLUSIONES

Se diseño, desarrolló e implementó un Dispositivo de Fabricación de Nanofibras poliméricas (nanohilos en forma de hilos fibrosos) por el método de Electrohilado (Electrospinning) dotado de sistemas automáticos e instrumentación para el control del flujo de la solución de un polímero bajo la acción del campo eléctrico de alto voltaje y control de velocidad en la distancia recorrida entre la punta de la aguja (inyector ) y el colector la fibra .

A partir de las pruebas realizadas se estableció el comportamiento tomando

como referencia el analisis de las corridas de las pruebas con las muestras obtenidas del proceso fabricación por electrohilado y los resultados del producto obtenidos de los nanohilos nanoestructurados con fibras de polímero se evaluaron microcoscopio por superposición de muestras original y patron

Se investigo el desarrolló la metodología para el diseño basada en el método

científico analítoco sintético como parte de la metodología Bottom up que parte de la estructura del nanomaterila y desarrolla la implementación en el diseño desarrollo de nanosensores por fabricación basados en la técnica del electrohilado como parte de sistemas y medios de nanoinstrumentación.

Se estableció los procedimientos para la modelación y simulación de sistemas

nanotecnológicos dotados de nanoinstrumentación (nanosensores) a partir de ejemplos de aplicación en instrumentación biomédica soportados en el desarrollo para la medición de la presión sanguínea y un nanomarcapasos .

En la validación experimental se consideran las características electricas de las muestras del polímero conductor en concentraciones de 6%, 8% y 10% donde se estableció que de acuerdo a lo definido para la aplicación en la fabricación de nanosensores por la norma ISO TC 213 que tiene en cuenta la estructura geometrica del nanomaterial nanoestructurado y su su principal dimension longitudinal la distribución espacial de la muestran obtenidas (enrejado) determinan su conductividad electrica a pesar de su anisotropía electrica, el ensamblado en superficie de los nanohilos se define para conductivodad en distancias mayores a 200 nm siendo la nanoe structura obtenida para los nanohilos con el 6% de concentración del polímero.

La modelación y simulación del diseño de las superficies nanestructuradas con

nanohilos del polímero conductor se realiza con el software SIESTA versión WinWulff SIESTA donde se realizaron las corridas del modelo cuántico a través del diseño basado en superficies de respuesta y el cálculo de Ingeniería en Nanotecnología de las características energéticas cuánticas de las muestras con base el circuito equivalente donde Modelación del comportamiento eléctrico de nanoestructuras de polímeros conductores donde se aplica un voltaje a los

152

nanohilos (voltaje de fuente) y a la superficie (voltaje de puerta) para la caracterización eléctrica de fibras poliméricas obtenidas por electrohilado a través de las curvas I/V obtenidas simulación con nanotecnología computacional para 1D en conductividad longitudinal

Debido a que no contamos con los sofwares y herramientas para la simulaciòn

de nanosensores se opto por realizar la parte investigativa siendo esta parte del estado del arte, desarrollando el proceso para su respectivo analisis y desarrollo

En el estudio estadistico podemos ver con mayor claridad el analisis de los

resultados obtenido a travez de las pruebas realizadas en el laboratorio, dando como uno de los resultados que el acetato de alcohol polivinilico (PVA) utilizado a mayor distancia de la punta del inyector y el colector los diametros de las fibras disminuyen viendo su variaciòn.

En la mayor parte de los experimentos hemos observado que al reducir el voltaje

aplicado disminuye el diámetro de las fibras obtenidas, incluso llegando a la formación de gotas.

El mayor porcentaje de error lo podemos observar en las pruebas realizadas con

la solucion al 6% ya que por su viscocidad las fibras salen de manera dispersa

153

RECOMENDACIONES

Se recomienda realizar la implementación de los nanosensores a través

desarrollo replicción funcional basada en células madres y sistemas inteligentes para la fabricación que permita por réplicas de imitación reproducida por generaciones de “cromosomas”, representaciones de configuraciones de algoritmos evolutivos, clusterización en conjuntos difusos y control distribuido con redes neuronales profundas de la población inicial, información sobre funciones de desempeño del equipo y/o instalación, ordenadas de acuerdo a una función de multiobjetivo soportada en el modelo cuántico, con "operadores genéticos”; herramientas que permiten alterar la composición de los nuevos cromosomas generados por los padres (población inicial), durante la reproducción e incluye: Mutación (generación de nueva información en un sistema), Cruce (intercambio de información entre dos sistemas), Inversión (intercambio información en un mismo sistema); de esta forma con el modelo de circuitos evolutivos se pueden tener las estructuras básicas para el diseño de células madres como solución para la caracterización de los circuitos evolutivos de micro- y nanoautómatas donde se sustituye la conmutación por mutación, como resultado del cambio en el circuito de los bloques lógicos configurables por bloques lógicos mutables.

Utilizar la concepción de la metodología Bottom up para la implementación de

los sistemas adaptrónicos dotados de nanosensores en fusión de las tecnologías de sensores y las funciones de actuadores en los materiales inteligentes ha dado como resultado una nueva tecnología: adaptrónica o materiales adaptables. La idea de esta nueva tecnología es utilizar materiales inteligentes que funcionen como sensores para que detecten –por ejemplo– cambios en el medio ambiente como presión, temperatura, humedad, y puedan responder a estos cambios de manera controlada por medio de actuadores (Utku, 1998). En adaptrónica, el sensor y el actuador se encuentran integrados en una misma estructura. El sensor detecta cambios en su entorno, y envía esta información al sistema de control, que produce una señal de respuesta y la remite al actuador. Este dispositivo es, finalmente, el encargado de realizar la acción encomendada.

La técnica de electrohilado se debe realizar controlando la mayoría de los

parámetros involucrados, ya que todos estos tiene su influencia en el diámetro y morfología de la fibra, es por esta razón que se recomienda el uso de instrumentaciones adecuadas, los equipos correctamente calibrados, así como de la manipulación del polímero que se desea analizar

Incentivar el estudio y aplicación de la máquina para que los estudiantes puedan

encontrar o analizar las diferentes aplicaciones que puede brindar esta máquina de pruebas

154

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159

ANEXOS PLANOS Anexo 1. Base para colector

Fuente: Autora

160

Anexo 2. Cilindro colector

Fuente: Autora

161

Fuente: Autora

162

Anexo 3. Barilla, Tornillo sin fin

Fuente: Autora

163

Anexo 4. Rodamiento y motor

Fuente: Autora

164

Anexo 5. Inyector

Fuente:Autora

165

Anexo 6. Tensor

Fuente:Autora

166

Anexo 7. Ayuda al Servicio

DISEÑO, DESARROLLO Y APLICACIÓN DE SISTEMAS

NANOTECNOLÓGICOS EN PIEL ARTIFICIAL CON

INSTRUMENTACIÓN BIOMÉDICA Y MONITOREO DE

PRESIÓN SANGUÍNEA

Mónica F. Roa Rodríguez 1, Camilo A. Bohórquez Vergara 2,

Grupo Control y Mecatrónica GICYM / Semillero de Instrumentación & Control

mroa3@unab.edu.co1, cbohorquez3@unab.edu.co 2,

Universidad Autónoma de Bucaramanga.

Resumen— El presente trabajo contempla la investigación y el desarrollo de una nueva metodología basada en sistemas

nanotecnológico (nanosensor-control-nanoactuador) por control mecatrónico de una prótesis bioeléctrica de miembro

inferior para discapacitados de la violencia en Colombia; equipándolo con un sistema de adquisición de datos que tome las

señales de su par biológico y luego sean replicadas en la prótesis usando técnicas de inteligencia artificial para prótesis

mecatrónica de piel artificial con nanopartículas.

Palabras clave— Sistema nanotecnológico, Control mecatrónico, Prótesis bioeléctrica de miembro inferior.

Abstract— This paper deals with the research and development of new methodology based on nanotech systems

(nanosensor-control-nanoactuator) by mechatronic control of a bioelectric prosthesis for lower limb to handicapped

persons due to the violence in Colombia; equipping it with a data acquisition system which takes their biological signals

of its couple and then be replied in the prosthesis using artificial intelligence techniques applied to advanced real time

control by artificial cloning for mechatronic prosthesis in the artificial skin with nanoparticles .

Keywords— Nanotech System, Mechatronic Control, Prosthesis for lower limb bioelectrical.

I. INTRODUCCIÓN

En el transcurso de la investigación se desarrollaron

nuevos modelos nanotecnológicos basados en una nueva

metodología basada en patrones de células madres y

control mecatrónico de piel artificial para el

recubrimiento de prótesis de mano y pierna para

discapacitados; equipándolas con un sistema de

adquisición de datos que tome las señales de su par

biológico y luego sean replicadas en las prótesis para el

recubrimiento de prótesis de mano y pierna usando

técnicas de inteligencia artificial dotada de piel artificial

con nanopartículas, en la detección y registro de la señal

en la piel artificial proveniente de la aplicación de

nanopartículas,

Se aplican dos tipos de nanosensores para medir el

movimiento producido por las ondas de la piel artificial:

• Sensores extensometricos, que miden el

movimiento de un punto de la membrana relativo a otro

punto.

• Sensores inerciales, basados en piezoelementos, los

cuales miden el movimiento de la piel utilizando una

referencia inercial (una masa que tiene un acoplamiento

débil con la membrana).

En la investigación se realizó el estudio de la

anatomía y morfología de la piel artificial para el

recubrimiento de prótesis de mano y pierna; con el fin

de establecer los patrones de contracción y estiramiento

y las variables físicas (desplazamiento, ángulos, torque o

momento, etc).

El sistema que se desarrolló para la aplicación de esta

metodología utiliza datos de las variables del

comportamiento del miembro inferior (prótesis) tales

como posición, fuerza-torque, los cuales permite

establecer el desempeño.

EL hardware evolutivo aplicado, para la

implementación de la clonación artificial en ingeniera,

está fundamentado en el aprendizaje del sistema, es

evidente que la instrumentación asociada, sensor y/o

controlador, intervienen con funciones en tiempo real,

debido a esta situación es necesario prever que las

condiciones, de autoaprendizaje del dispositivo, cambian

o evolucionan, adicionando nuevas variables al proceso,

lo que requeriría una adaptación del clon a su nuevo

ambiente.

Para la implementación de un dispositivo y/o clon

con aprendizaje periódico se hizo de dos formas, "off-

line" o "on-line", la primera de ellas consiste en detener

el funcionamiento del clon, en condiciones de laboratorio

o unidad de aprendizaje se le introducen los nuevos

parámetros a través del software y/o hardware, lo que

incluyen tiempos muertos en el funcionamiento del clon,

es decir, el dispositivo estará fuera de funcionamiento

cada vez que se requiera,

En el aprendizaje "On-line", se activan las funciones

cada cierto periodo de tiempo y la ejecuta paralelamente

a su desempeño, evitando tener que detener el proceso

de ejecución del clon , posteriormente, el clon puede

modificar su estructura (Hardware evolutivo) para

permitir la ejecución de una nueva configuración, o

modificar totalmente su estructura .

En este caso en particular se desea implementar el

uso del aprendizaje "On-line", para lo cual se aplican las

células madres mecatrónicas, que pueden evolucionar

para replicarse , la que se desarrolla en una unidad de

procesamiento lógico digital, que debido a su estructura

puede modificar su comportamiento, gracias a la

inclusión de una entrada denominada de mutación, que es

capaz de replicarse a sí misma, esta habilidad se realiza a

través del software para concebir la generación de nuevas

células madres.

II. METODOLOGIA

En esta investigación la metodología pretende

romper con el paradigma clásico de diseño desde la

concepción del problema hasta su posterior

desarrollo ver Fig. 1.

Fig. 1. Metodología de desarrollo de la investigación

El objetivo fundamental en la detección y registro de

la señal en la piel artificial proveniente de la

aplicación de nanopartículas, son las ondas que se

producen en la membrana del cuerpo P y S. La onda

P se produce por el cambio de volumen y la onda S

por el cambio de la forma de la piel. La onda P se

presenta produciendo en el material dilataciones–

compresiones a lo largo de la dirección de

propagación (Serrano H 2001). La onda S se

comporta produciendo en el material

desplazamientos perpendiculares a la dirección de

propagación. En la figura 2 se puede observar estas

propiedades de las ondas P y S perpendiculares a la

dirección de propagación. En la figura 1 se puede

observar estas propiedades de las ondas P y S.

Fig. 2. Comportamiento por flexibilidad de la piel

artificial ondas P y S

Tabla 1.

La metodología de clonación presentada, permite la

replicación del movimiento de la pierna sana.

Garantizando que la persona al caminar no cojee y

ejecute su desplazamiento en forma normal, para

esta metodología (Muñoz A.F 2001) aparece a

continuación:

INICIO

Procesamiento de

señales

Recopilación de

datos

Busqueda de

Operadores

Genéticos.

Resulatado

FIN

Aplicación de filtros y eliminación

de señales no significativas,

Metodologia de identificación

experimental.

Aprendizaje de

secuencia correcta

por medio de Ags.

Clonación basada en

operadores genéticos; basada

en el método de comparación y

minimización del error.

Selección de cantidad de

muestras por Metodología

de diseño experimental,

basada en superficies de

respuestas.

C/G

OG

G/C

Conversor de

Cluster a

Genoma

Operadores

Geneticos

Conversor

de Genoma

a Cluster

Figura 3. Metodología de clonación

Las señales electromiográficas (EMG) son señales

eléctricas producidas por un músculo durante el

proceso de contracción y relajación.

Existen en estos momentos investigaciones en el

campo de las aplicaciones de las señales EMG

para anticipación de los movimientos humanos en

aproximadamente 100ms en avance (Hoffman &

Herr 2002).

En teoría, el mejor desempeño de un sistema de

control será obtenido, cuando los músculos que

quedan son usados en la misma forma en la que

ellos funcionaban antes de la amputación.

Cuando se trata de adquisición de señales EMG se

habla siempre de la obtención de la señal que

realmente se desea. Siempre es deseable obtener

una señal EMG que contenga la máxima cantidad

de información de la señal EMG y la mínima

cantidad de contaminación de ruido eléctrico. Así,

la maximización de la relación señal-ruido debe

ser hecha con la mínima distorsión de la señal

EMG. Por lo tanto, es importante que cualquier

dispositivo de detección y captura procese la señal

linealmente. En particular la señal no debe ser

acortada, esto es, los picos no deben ser

distorsionados y ninguna filtración innecesaria

debe ser desarrollada.

Debido a que la radiación de la línea de potencia

(50 o 60 Hz) es una fuente dominante de ruido

eléctrico, esto provoca diseñar dispositivos que

tengan un filtro de muesca a esta frecuencia.

Teóricamente este tipo de filtro solamente

remueve la frecuencia no deseada de la línea de

potencia, sin embargo, implementaciones prácticas

también remueven porciones del componente de

frecuencia adyacentes. Debido a que la

componente de energía dominante de la señal

EMG esta localizada en el rango de frecuencias de

50 – 100 Hz, el uso de filtros de muesca no es

disponible cuando hay métodos alternativos para

tratar la radiación de la línea de potencia.

Para medir potenciales bioeléctricos se requiere de

un dispositivo capaz de convertir potenciales y

corrientes iónicas en potenciales y corrientes

eléctricas. Este se conoce como transductor, consta

de dos electrodos, que miden la diferencia del

potencial iónico entre sus puntos de aplicación

respectivos.

III. MATERIALES Y MÉTODOS

A. Materiales

Las células madres se desarrolla, es una unidad de

procesamiento lógico digital, la cual, debido a su

estructura puede modificar su comportamiento, por la

inclusión de una entrada denominada entrada de

mutación, esta célula madre a diferencia de su

homóloga en la naturaleza, no es capaz de replicarse a

sí misma, esta habilidad es reemplazada por la

habilidad que poseerá el software para exigir la

generación de nuevas células madres.

Para la implementación de este paradigma, es

necesario contar con elementos que permitan una

rápida y flexible configuración en hardware, para

lograrlo utilizamos cualquier tipo de dispositivo

lógico programable, en este caso en específico se

utiliza un FPGA (Field Programmable Gate Array).

El diseño de circuitos digitales, entre los paradigmas

ya propuesto se conocen los diseños de compuerta

AND y OR y sus correspondientes inversores,

NAND y NOR, con estos operadores básicos se puede

diseñar cualquier clase de los circuitos lógicos

existentes (OR, AND, XOR, NOT), por lo que estas 2

compuertas se pueden llamar las compuertas base de

toda la lógica digital.

Centrando la atención en las compuertas NAND y

NOR, la característica más importantes de estos

operadores es que uno o cualquiera de los dos es el

resultado de negar o invertir las entradas de señal del

otro es por esto que el diseño del circuito evolutivo se

enfocará en la implementación de estas dos

compuertas.

Para este diseño se implementó una FPGA

SPARTAN3 de XILINX [Vera Pérez ,2006], que es

muy comercial y de fácil acceso, con esta selección es

necesario implementar una compuerta NOR y

compuerta NAND dentro del mismo circuito, en este

caso en especial, se trabajarán compuertas de 2

entradas, para lograr el funcionamiento del circuito

como célula madre, se debe incorporar una 3 entrada,

la cual funcionará como operador lógico mutable

entre la NAND y la NOR. el circuito se puede

apreciar en la figura 4.

Fig. 4. Referente Hardware Evolutivo

Como se puede observar, la célula madre puede

trabajar tanto como NOR o NAND, dependiendo de

su entrada de operador lógico mutable, lo que

permite, al implementar una amplia cantidad de estas

células, el desarrollo de una alta variedad de

aplicaciones, así como igual número de arreglos

lógicos es de carácter opcional y donde se puede dar

crédito a instituciones y personas por su aporte.

De la extremidad inferior se puede obtener

información como posición, fuerza, ángulo de cada

junta y actividad muscular, gran parte de esta

información facilita en parte la comprensión y

asimilación del complejo proceso de marcha humana.

Toda esta información debe ser tomada y organizada

para un mejor aprovechamiento de la misma, parte de

este proyecto de investigación consiste en emplear

una técnica de agrupamiento de datos conocida como

fuzzy c-mean, en la cual a cada dato le corresponde

un grado de pertenencia.

Para crear un cluster de datos el primer paso consiste

en crear los clusters para los valores de las entradas y

salidas que en este caso las entradas son velocidad,

fuerza, actividad EMG y ángulo de las juntas, entre

las señales de salida están las que van a los actuadores

que ejecutan las acciones del control que se ejerce

sobre la prótesis; esto contribuirá con la concepción

de una metodología que permitirá trabajar con

problemas de tipo multiobjetivo.

Este procedimiento se repite para las entradas del

sistema y para todas las salidas, pasando de una

representación por valor a una representación por

grado de pertenencia en los clústeres,

Definidos los valores de la entrada y salida, y

colocados en términos de clusters, codificamos esta

información en forma de cromosoma para su

utilización en el algoritmo genético, para esta

creación de cromosoma, fue implementada la visión

dada por la referencia, en la cual se utiliza una

división del cromosoma en antecedentes y

consecuentes (AC), los antecedentes corresponden a

las entradas del sistema, es decir, todas la diferentes

variables que influyen en al inferencia de la o de las

variables de salida, en esta sección también se pueden

encontrar la información codificada de los clusters,

grados de pertenencia, tipos de conjuntos difusos,

entre otros . Los consecuentes del cromosoma

contienen información que ha sido obtenida de los

antecedentes, estas pueden ser, características

estáticas y dinámicas del valor de salida propuesto,

error estático y dinámico.

Los operadores genéticos, serán los encargados de

hacer interactuar los cromosomas previamente

armados, estas operaciones convertirán los

cromosomas de entrada en cromosomas de salida,

estos cromosomas de salida deben corresponder a una

estructura de cromosoma AC, para lograrlo, la

metodología de clonación dispone de una etapa de

aprendizaje utilizando un método de comparación con

el patrón, donde, evidentemente el patrón a utilizar

como referencia es la señal de salida deseada; para

lograr este objetivo, los operadores genéticos

modifican la información es necesario implementar

un algoritmo genético (AG), cuyo objetivo sea el

encontrar una población optima de secuencia de

operaciones, las cuales serán evaluadas tomando en

cuenta el valor deseado de salida y el número de

operaciones genéticas (entre menos operaciones,

mejor calificación tendrá el individuo)

Conserva los N mejores

individuos de la población.

Fin

Inicio

Inicialización del

AG

Error<Si

No

Calificar Población

Aplicar Elitismo

2

-Aleatoria.

-Predefinida.

Se utiliza una función de

desempeño, que evalua

la secuencia aplicada.

Evalua si el error es

muy cercano a cero.

Guardar Población

Mostrar Mejor

individuo

1

Fig.5. Referente Algoritmos genéticos aplicados

Con esto la información completa del mapa genético

(genoma), es suficiente para el análisis y se tiene en

cuenta la potencialidad del software basado en

algoritmos genéticos

A. Métodos

Como un ejemplo numérico se determinara la

sensibilidad y la respuesta de frecuencias de un

elemento piezoeléctrico de titanato de bario de 1 cm2

de sección y 2 mm de espesor, con una resistencia de

fuga de 20 GΩ, conectado por un cable de 2 metros a

un preamplificador típico de calidad de laboratorio.

Su constante de generación de cargas se halla como

𝐾𝑞 = 0,9 C/m. Su capacitancia se obtiene en la

ecuación 𝐶𝑎 = 624 pF. La capacitancia de 2 m de

cable es de 190 pF y por lo tanto, la capacitancia total

es 𝐶 = 815 ∙ 10−12F. La resistencia del

preamplificador en paralelo con la resistencia de fuga

del piezoeléctrico tiene un valor 𝑅 = 3,67 ∙ 109(Ω). La constante de tiempo es entonces de 3 s y se puede

medir correctamente a partir de 1 rad/s, o sea, 0,16

Hz.

La sensibilidad estática resulta dividir 0,9 C/m, es

decir, 0,9 F ∙ 𝑉/m entre 815 ∙ 10−12F, siendo el

resultado de 1104∙ 106 𝑉/m, es decir, 1104 𝑉/𝜇m. La

variación relativa en sensibilidad estática debido al

cambio de la capacitancia ∆𝐶𝑐 del cable se puede

hallar según la expresión:

cambio en sensibilidad

sensibilidad inicial= −

∆𝐶𝑐

𝐶+∆𝐶𝑐

(1)

Nuevamente se recuerda que para comprimir (o

fraccionar) 1𝜇m a este elemento hace falta una fuerza

de 6000 N.

Ya se hace evidente un hecho: este sistema es

extraordinariamente sensible, pero el efecto de carga

mecánico es también extraordinariamente grande. En

realidad, con el elemento piezoeléctrico no se mide

desplazamientos en el sentido que lo hacen los

restantes transductores que ha visto en este capítulo,

pero sirve como base a sistemas para medir

aceleraciones, fuerzas y presiones. En la práctica, la

deformación del elemento piezoeléctrico es del orden

de decenas de millonésimas de micrón.

Otra solución al circuito necesario para transformar

en potencial útil las deformaciones del elemento

piezoeléctrico se muestra en la figura 11.

Fig. 6. Circuito de medición para un elemento

piezoeléctrico. Preamplificador de carga. (MUÑOZ,

1996)

Ahora se coloca un amplificador operacional a la

salida del piezoeléctrico, conectado por un cable. El

amplificador operacional, debido a su alta ganancia y

su alta impedancia de entrada se comporta como un

elemento con un potencial de entrada prácticamente

nulo y que sin embargo, no deja pasar la corriente. La

relación entre el voltaje 𝑒𝑥 a la entrada y 𝑒𝑜 a la

salida es:

𝑒𝑜 = −𝑘𝑒(𝑥); 𝑒𝑜(𝑆) = −𝑘𝑒𝑥(S)

(2)

La ganancia k del amplificador en lazo abierto es del

orden de los centenares de miles o millones.

La figura 7 muestra un circuito simplificado del

circuito de la figura 6.

Fig. 7. Circuito reducido para el sistema La

impedancia 𝑍1(𝑆) resultante de la capacitancia del

piezoeléctrico y del cable en paralelo con la

resistencia de fuga del piezoeléctrico es

𝑍1(𝑆) =𝑅𝑎

1+𝑅𝑎(𝐶𝑎+𝐶𝑐)𝑆 (3)

La impedancia 𝑍2(𝑆) resultante de la resistencia y la

capacitancia de retroalimentación del amplificador

operacional es

𝑍2(𝑆) =𝑅𝑓

1+𝑅𝑓𝐶𝑓𝑆𝑓 (4)

Para el circuito de la figura 12 se puede escribir:

𝑒𝑥(𝑆) = 𝑖𝑎(𝑆)𝑍1(𝑆); (5)

𝑒𝑥(𝑆) − 𝑒𝑜(𝑆) = 𝑖𝑏(𝑆)𝑍2(𝑆); (6)

𝑖(𝑆) = 𝑖𝑎(𝑆) + 𝑖𝑏(𝑆) (7)

Resolviendo el sistema formado por las ecuaciones

(4), (5), (6) y (7), se tiene

𝑒𝑜(𝑆)

𝑥(𝑆)=

𝑘𝑞𝑍2(𝑆)𝑆 𝑥(𝑆)

1+1

𝑘+

1

𝑘∙𝑍2(𝑆)

𝑍1(𝑆)

(8)

Como la ganancia k del amplificador operacional es

muy grande, el denominador vale la unidad. Por lo

tanto,

𝑒𝑜(𝑆)

𝑥(𝑆)= 𝐺(𝑆) = −𝑎2 ∙

𝜏𝑆

1+𝜏𝑆; (9)

Básicamente sigue siendo todo semejante al caso

anterior, pero ahora ni la sensibilidad ni la constante

de tiempo tienen que ver teóricamente con la

capacitancia del cable, sino con los parámetros de

diseño de la resistencia y la capacitancia de

retroalimentación del amplificador operacional. En la

práctica es posible utilizar cables hasta alrededor de

500 m de largo. Algunos preamplificadores tienen

ajustable en pasos el valor de capacitancia de

retroalimentación, ganando en constante de tiempo,

pero disminuyendo la sensibilidad. No es extraño

encontrar respuestas de frecuencias desde 0,03 Hz

hasta 30 kHz. Una frecuencia mínima de 0,03 Hz

significa una constante de tiempo de 16 s.

Los preamplificadores del tipo de recién descrito y

representados en la figura 11 se denominan

preamplificadores de carga. Desde el punto de vista

electrónico son más complejos que los

preamplificadores de voltaje, pero cada año se nota

una tendencia mayor a reemplazar totalmente a los

primeros, debido a la ventaja de independizar el

comportamiento del transductor de la longitud de

cable utilizado.

Aunque en algunos tipos de células se pueden hacer

medidas de potenciales de acción individuales, dichas

medidas son difíciles por cuanto exigen una

colocación precisa de un electrodo dentro de una

célula. La forma mas común de los biopotenciales

medidos es el efecto combinado de una gran cantidad

de potenciales de acción tal como aparecen en la

superficie del cuerpo.

El conductor se ha pegado a una superficie a través de

un material base. El pegamento tiene un alto

aislamiento eléctrico. Así, aunque la pieza sea

metálica, la resistencia entre el conductor y la pieza

es de más de 100 mΩ. La resistencia del conductor

es:

𝑅 = 𝜌𝐿 𝐴 ∙ [Ω]⁄ (10)

Si la pieza se deforma en la dirección del conductor,

los tres parámetros 𝜌, L y A han de variar. Entonces la

resistencia variará según (Doebelin E 2004)

𝑑𝑅 =𝜕𝑅

𝜕𝜌∙ 𝑑𝜌 +

𝜕𝑅

𝜕𝐿∙ 𝑑𝐿 +

𝜕𝑅

𝜕𝐴∙ 𝑑𝐴;

Donde

𝜕𝑅

𝜕𝜌= 𝐿 𝐴⁄ ;

𝜕𝑅

𝜕𝐿= 𝜌 𝐴⁄ ;

𝜕𝑅

𝜕𝐴= − 𝜌𝐿 𝐴2⁄

Entonces

𝑑𝑅 =𝐴(𝜌𝑑𝐿+𝐿𝑑𝜌)−𝜌𝐿𝑑𝐴

𝐴2 (11)

La sección transversal se puede reducir a una sección

circular de diámetro equivalente 𝑑𝑒 . por lo tanto,

𝐴 = 𝑄𝑑𝑒2

Claro que el conductor es circular, 𝑄 =𝜋

4. Derivando

𝑑𝐴 = 2𝑄𝑑𝑒𝑑(𝑑𝑒)

Recordando la magnitud del coeficiente de poisson

𝑑(𝑑𝑒)

𝑑𝑒

= −𝜇𝑑𝐿

𝐿

Resulta entonces que

𝑑𝐴 = −2𝑄𝑑𝑒2𝜇

𝑑𝐿

𝐿= −2𝐴𝜇

𝑑𝐿

𝐿 (12)

Sustituyendo la ecuación (12) en la ecuación (13)

𝑑𝑅 =𝜌𝑑𝐿(1+𝜇)+𝐿𝑑𝜌

𝐴 (13)

Eliminando A con la ayuda de la ecuación (13)

𝑑𝑅

𝑑= (1 + 2𝜇 +

𝑑𝜌 𝜌⁄

𝑑𝐿 𝐿⁄)

𝑑𝐿

𝐿

Ahora se toma en cuenta que la deformación

longitudinal unitaria 𝜀 = ∆𝐿 𝐿⁄ y entonces

𝑑𝑅

𝑅= 𝐾𝑔𝜀; 𝐾𝑔 = 1 + 2𝜇 +

𝑑𝜌 𝜌⁄

𝜀 (14)

Se observa que 𝐾𝑔 depende aparentemente de 𝜀, pero

el término (𝑑𝜌 𝜌)/𝜀⁄ es una propiedad física del

material del conductor y se denomina

piezorresistividad, de forma tal que

𝑑𝜌 𝜌⁄

𝜀= 𝜋1𝐸. (15)

En la ecuación (4.1), E es el modulo de la elasticidad

del material y 𝜋1 es el coeficiente de

piezorresistividad longitudinal, pudiendo ser positivo

o negativo.

Finalmente,

𝑑𝑅

𝑑= 𝐾𝑔𝜀; 𝐾𝑔 = 1 + 2𝜇 + 𝜋1𝜀

(4.1)

𝐾𝑔 es el coeficiente del tensoelemento y relaciona la

deformación longitudinal unitaria (cambio relativo de

longitud) con el cambio relativo de resistencia del

conductor.

La sensibilidad 𝐾𝑔𝑅 de este conductor es la relación

entre el cambio de resistencia y la deformación

longitudinal unitaria.

𝑑𝑅 = 𝐾𝑔𝑅𝜀; 𝐾𝑔𝑅 =𝑑𝑅

𝜀 (16)

Esto puede lograrse haciendo el alambre de muy poco

calibre, pero la resistencia mecánica del alambre pone

un límite inferior a este calibre. La otra posibilidad es

aumentar 𝐿. pero si la longitud es grande no se estará

midiendo un adecuado valor de la deformación

longitudinal unitaria, la cual exige que la longitud 𝐿

sea lo menor posible. Para aumentar la longitud del

alambre sin aumentar la longitud de la zona de

medición se recurrió a la solución mostrada

Si la pieza tiene en la dirección de medición una

deformación longitudinal unitaria 𝜀, tendrá en la

dirección transversal una deformación longitudinal

unitaria – 𝜇𝜀. Asumiendo que la longitud total

longitudinal del alambre sigue siendo 𝐿 y su área 𝐴,

pero que la longitud total transversal del alambre es

𝐿𝑇, con una sección 𝐴𝑇, resulta que el cambio de

resistencia longitudinal es:

∆𝑅𝐿 = 𝐾𝑔

𝜌𝐿

𝐴𝜀

El cambio de resistencia transversal

∆𝑅𝑇 = 𝐾𝑔

𝜌𝐿𝑡

𝐴(−𝜇𝜀)

El cambio de resistencia total es

∆𝑅 = 𝐾𝑔𝜌𝜀 (𝐿

𝐴− 𝜇

𝐿𝑇

𝐴𝑇

) = 𝐾𝑔

𝜌𝐴

𝐿𝜀 (−1𝜇

𝐴

𝐴𝑇

∙𝐿𝑇

𝐿)

∆𝑅 = 𝐾𝑔 (1 − 𝜇𝐴

𝐴𝑇

∙𝐿𝑇

𝐿) 𝑅 = 𝐾𝑔

′𝑅

Entonces

𝐾𝑔′ = 𝐾𝑔 (1 − 𝜇

𝐴

𝐴𝑇∙

𝐿𝑇

𝐿) (17)

En este caso todo el alambre tiene la misma sección

uniforme 𝐴. Entonces 𝐴𝑇 = 𝐴 y finalmente

𝐾𝑔′ = 𝐾𝑔 (1 − 𝜇

𝐿𝑇

𝐿) (18)

Se observa cómo, aunque la longitud total del

alambre es 𝐿 + 𝐿𝑇 , la sesnsibilidad ahora es menor

que si el almabre fuese recto con una longitud 𝐿. Esto

no es motivo de preocupación para el que Usa un

tensoelemento de alambre, por cuanto en la fábrica se

ensaya las muestras de tensoelementos midiendo en

una pieza. Entonces se mide el cambio de resistencia

real correspondiente a cierta deformación longitudinal

unitaria y se determina 𝐾𝑔 en forma experimental.

Por lo tanto, ya el coeficiente del tensoelemento tiene

en cuenta este fenómeno.

Con los tensoelementos se mide la deformación

unitaria 𝜀𝑥, en la dirección longitudinal, que se le

designará ahora como la dirección 𝑥. Para calcular el

esfuerzo normal en la dirección x, es necesario

conocer a priori que no hay esfuerzo normal en la

dirección 𝑦, como en el caso de una barra sometida a

tracción o compresión. Entonces, para un material

elástico con módulo de elasticidad 𝐸 (𝑃𝑎) y dentro de

la zona elástica se tiene

𝜎𝑥 = 𝐸𝜀𝑥 [𝑃𝑎] (19)

Si no se estuviese seguro de la ausencia de 𝜎𝑦, se

colocaría otro tensoelemento en la dirección 𝑦, de

forma que su eje tendría 90° con respecto al eje del

primer tensoelemento. Ahora se tendría las lecturas

𝜀𝑥 y 𝜀𝑦. Recordando la ley de Hooke generalizada se

tiene que

𝜀𝑥 =𝜎𝑥

𝐸−

𝜇

𝐸(𝜎𝑦 + 𝜎𝑦); (20)

𝜀𝑦 =𝜎𝑦

𝐸−

𝜇

𝐸(𝜎𝑥 + 𝜎𝑥); (21)

La letra griega 𝜇 representa el coeficiente de Poisson

del material (se supone que no se excede el límite

elástico). Aquí𝜎𝑥 = 0. Entonces, despejando los

esfuerzos se obtiene

𝜎𝑥 =𝐸

1−𝜇2 (𝜀𝑦 + 𝜀𝑦): (22)

𝜎𝑦 =𝐸

1−𝜇2(𝜀𝑥 + 𝜀𝑥): (23)

De esta forma se puede determinar los esfuerzos

normales en las dos direcciones.

La longitud de la parrilla en la dirección 𝑦 es 𝜇 veces

la longitud de la parrilla en la longitud 𝑥. además,

ambas parrillas están en serie, por lo que sus

resistencias se suman. Llamando 𝐾𝑔0 a la constante

de cada parrilla, que es la misma para las dos, se tiene

para el cambio de resistencia en cada parrilla

∆𝑅𝑥 = 𝐾𝑔0𝑅𝑥𝜀𝑥 ; ∆𝑅𝑦 = 𝐾𝑔0𝜇𝑅𝑥𝜀𝑦

La resistencia total es

∆𝑅 = 𝐾𝑔0𝑅𝑥(𝜀𝑥 + 𝜇𝜀𝑦) (24)

Comparando las ecuaciones (24) y (21) se obtienen

las expresiones

𝜎𝑥 = 𝐾𝑔∆𝑅[𝑃𝑎]; 𝐾𝑔 =𝐸

(1−𝜇2)𝐾𝑔0𝑅𝑥 [

𝑃𝑎

Ω] (25)

El valor de 𝐾𝑔 es dado por el fabricante y sin realizar

operaciones se tiene el esfuerzo 𝜎𝑥, solamente al

medir el cambio total ∆𝑅 de resistencia del

tensoelemento.

Muchas veces no basta con hallar los esfuerzos

normales en dos ejes perpendiculares entre sí; sino

que se desea conocer el estado tensional del punto;

por ejemplo, posición de los ejes principales con

respecto a una posición dada, esfuerzos principales ,

etc. En tal caso se debe recurrir como mínimo a tres

tensoelementos y procesar las lecturas de cada uno de

ellos.

Los esfuerzos normales máximos (𝜎𝑚𝑎𝑥) y mínimos

(𝜎𝑚𝑖𝑛) en el plano y la posición de los ejes

principales (𝛽𝑝) tomando siempre como referencia a

la dirección del tensoelemento 1, se dan a

continuación:

Roseta Rectangular:

𝜎𝑚𝑎𝑥𝑚𝑖𝑛

=𝐸

2(

𝜀1+𝜀3

1−𝜇) ±

1

1+𝜇√(𝜀1 − 𝜀3)2 + [2𝜀2 − (𝜀1 + 𝜀3)]2 (15)

𝛽𝑝 =1

2𝑎𝑟𝑐 𝑡𝑎𝑛 (

2𝜀2−(𝜀1+𝜀3)

𝜀1−𝜀3) (26)

Roseta Delta

𝜎𝑚𝑎𝑥𝑚𝑖𝑛

= 𝐸𝜀1+𝜀2+𝜀3

3(1−𝜇)±

1

1+𝜇√(𝜀1 −

𝜀1+𝜀2+𝜀3

3)

2

+ (𝜀2−𝜀3

√3)

2

;

𝛽𝑝 =1

2𝑎𝑟𝑐 𝑡𝑎𝑛 (

𝜀2−𝜀3√3

𝜀1−𝜀1+𝜀2+𝜀3

3

) (27)

Roseta Delta T:

𝜎𝑚𝑎𝑥𝑚𝑖𝑛

=𝐸

2(

𝜀1+𝜀4

1−𝜇) ±

1

1+𝜇√(𝜀1 − 𝜀2)2 +

4

3(𝜀2 − 𝜀3)2;

𝛽𝑝 =1

2𝑎𝑟𝑐 𝑡𝑎𝑛 (

2(𝜀1−𝜀2)

√3(𝜀1−𝜀4)) (28)

La roseta Delta T presenta, pagando el precio

correspondiente a un tensoelemento (y después a un

amplificador) adicional, la ventaja de mayor exactitud

en los cálculos. Es posible medir con una roseta Delta

T y usar las fórmulas de la roseta Delta, sin usar la

información del tensoelemento . Después se vuelve a

calcular con la fórmula de la roseta Delta T, y si no se

obtiene el mismo resultado, se deben tomar

decisiones adecuadas.

Con los valores de 𝜎𝑚𝑎𝑥; 𝜎𝑚𝑖𝑛 y 𝛽𝑝 se puede calcular

todos los restantes parámetros del estado tensional y

deformacional.

En las ecuaciones (13) hasta (16), 𝐸 es el módulo de

elasticidad del material en 𝑃𝑎 y 𝜇 el coeficiente de

Poisson.

IV. RESULTADOS

El transductor compuesto piezoeléctrico tiene una

geometría cilíndrica que consiste en una capa

piezocerámica, dos capas de aluminio, y dos capas de

adhesivo, el sistema aplica un potencial de CA sobre las

superficies de los electrodos de ambos lados de la capa

piezocerámica; el potencial de este ejemplo tiene un

valor de pico de 1 V en la gama de frecuencias de 20

kHz a 106 kHz.

El modelo estudia dos casos que se diferencian

entre sí por las diferentes condiciones de contorno, el

caso 1 representa el efecto piezoeléctrico directo, el

caso 2 representa el efecto piezoeléctrico inverso.

Caso 1: efecto piezoeléctrico directo

Figura 8. Dispositivo deformado y el desplazamiento

radial debido a una presión interna de 0,1 MPa (caso 1 - el

efecto piezoeléctrico directo).

• Condición estructural mecánica limite - que limita

la superficie inferior axialmente (en la dirección z),

también añaden una presión interna del fluido de 0,1

MPa.

• Condición electrostática de frontera - en las

superficies interior y exterior.

Caso 2: efecto piezoeléctrico inverso

Figura 9. Deformado y desplazamiento radial del

actuador tubo piezocerámico debido al campo eléctrico radial

(Caso 2 - efecto piezoeléctrico inverso).

• Condición estructural mecánica limite – limita la

superficie inferior axialmente (en la dirección z).

• Condición electrostática límite - aplica una

diferencia de potencial de 1 V entre el tubo de la

superficie interior y exterior.

El modelo informativo fuzzy, a través del modelo

informativo fuzzy se establecen, cuales son las variables

de entrada y las variables de salida. ver fig. 10

Figura 10. Modelo informativo fuzzy

Figura 11. Modelo de conocimiento basado en reglas

Las primeras variables corresponden a la medición y las

variables de salida, los sistemas y métodos de

accionamiento que sirven para analizar las condiciones

del comportamiento de la piel

V. CONCLUSIONES

Entre las principales conclusiones se establece la

evaluación de las variables manipuladas y

controladas en la piel artificial, como parte de la

investigación para determinar los cambios podrían

ejecutarse en la piel sensible, se desarrollaron los

modelos de funcionamiento de la piel artificial

analizando su sensibilidad, y definió la

instrumentación y los sistemas de control para la

presión sanguínea y la instrumentación

biomédica, sensible.

VI. REFERENCIAS

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[6] Maneiro Malavé Ninoska. Algoritmos genéticos

aplicados al problema cuadrático de asignación de

facilidades. Departamento de Investigación

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Universidad de Carabobo, Valencia. Venezuela.

Febrero 2002

[7] Loyo De Sardi Jaqueline Algoritmos Genéticos y

Optimización en la Investigación de Operaciones.

Caso: Problema de Optimización con Objetivos

Múltiples Expresado como un Modelo de

Programación No – Lineal por Metas.

Departamento de Computación, Facultad de

Ciencias y Tecnología, Universidad de Carabobo,

Valencia, Venezuela. Febrero 2002.

[8] Leonardo Emiro Contreras Bravo y Máximo

Alejandro Roa Garzón. Modelamiento de la marcha

humana por medio de gráficos de unión.

[9] J.M. Grosso, Miembro, IEEE, y D. Tibaduiza,

Miembro, IEEE. Diseño Conceptual de un

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Miembro Inferior

[10] H. Boudouda, H. Seridi and H.Akdag. The Fuzzy

Possibilistic C-Means Classifier. Asian Journal of

Infomation Technology 4 (11): 981-985, 2005.

[11] Delgado Alberto. Inteligencia Artificial y

Minirobots. Ecoe Ediciones 1998.

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Borroso aplicada en Plantas Industriales. Editorial

Pueblo y Educación. Ministerio de Educación

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Editorial Pueblo y Educación. Ministerio de

Educación Superior de Cuba. 279 páginas.

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320 páginas.

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Mogrovejo, Perú. 2009

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Editorial .2001 Alfaomega marcombo.

[21]

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IEEE Transactions on Magnetics 36:2748.

[20] Norma Técnica NTC Colombiana 2019 2008-12-16.

Materiales poliméricos celulares flexibles espumas

de poliuretano para aplicaciones... especificaciones.

167

GUÍA DEL USUARIO MAQUINA DE ELECTROHILADO

MANUAL DEL USUARIO

“Invertimos en el talento de los colombianos”

168

INDICE Capítulo 1

QUE ES UNA MAQUINA DE ELECTROHILADO

(ELECTROSPINING)

NUESTRA MISION

PRECAUCIONES IMPORTANTES

Capítulo 2

PARTES DE LA MAQUINA

ELEMENTOS DE LA MAQUINA

Capítulo 3

FUNCIONAMIENTO

169

¿QUE ES UNA MAQUINA DE ELECTROHILADO?

Es un instrumento de pruebas que funciona a través de una técnica denominada Electrospinning,

cuyo proceso Consiste en un proceso de atomización electrostática, utilizado para la

conformación de fibras a escala nanométrica, a partir de un fluido de material bajo la acción de

un campo eléctrico, esta técnica está compuesta por dos partes fundamentales un inyector y un

dispositivo colector; el inyector esencialmente consiste en una jeringuilla de cristal o plástico con

una boquilla metálica, que contiene la solución del polímero.

Capítulo

1

1

170

NUESTRA MISION

Es el diseño, desarrollo e implementación de un dispositivo de pruebas de electrohilado

(electrospinning) para aplicaciones en nanoinstrumentación que controla las variables físicas que

intervienen en la producción de nanohilos. Analizando el comportamiento de las fibras

obtenidas a través de los diferentes polímeros que se deseen implementar.

171

PRECAUSIONES IMPORTANTES

INFORMACIÓN IMPORTANTE

Este equipo opera c con una tensión de 110 V AC, contiene piezas móviles que pueden generar algún tipo de incidente en las personas que la manipulen, para lo cual es necesario seguir todas las instrucciones y recomendaciones que se mencionan a continuación.

Verificar que la conexión eléctrica (toma corriente) proporcione 110 VAC, ya que si se alimenta

con un voltaje superior se podrá averiar los motores y dispositivos electrónicos.

Antes de llenar el contenedor (jeringa) con el polímero que será suministrado en el proceso

asegurarse que la máquina se encuentre completamente apagada y desconectada de la fuente de corriente.

Una vez esté lista para iniciar el proceso es necesario asegurarse de que la carcasa de protección este

completamente cerrada mediante el proceso, para evitar riesgos con las partes móviles y perturbaciones en su funcionamiento

NO introducir objetos extraños que puedan averiar la máquina o afectar el proceso que se desarrolla

NUNCA Manipule la maquina con las manos mojadas

NO mover la máquina durante el proceso, ya que necesita estabilidad

Si se presenta alguna anomalía durante el funcionamiento de la máquina, que no permita realizar el

proceso de manera satisfactoria, es conveniente acudir a personal especializado para su revisión

Apague el interruptor de la fuente cuando no esté en uso

Este aparato no está destinado a que lo usen personas (incluso niños) con falta de experiencia

y conocimiento, a menos que cuenten con la supervisión o instrucción necesaria referente al uso del

equipo de una persona responsable de su seguridad.

¡Estas precauciones prevendrán lesiones personales o daños a la máquina!

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SECCIÓN 2 - PARTES 1. PARTES DE LA MÁQUINA DE ELECTROHILADO

. ITEM DESCRIPCION CANTIDAD

Base Estructura de soporte,(mesa 53x36 en madera prensada)

1

Soportes de desplazamiento Paso de varillas de desplazamiento 2 Piñón pequeño ( dientes) Dientes 21 2 Piñón grande ( dientes) Dientes 62 2 Varillas 5/32 lisa 25 cm , línea de desplazamiento, guías 2 Varillas 5/16” roscada 27 cm de largo permite desplazamiento del

colector 1

Varilla 5/16 5 cm de largo, Bomba de infusión 1 Motores Establecen ubicación y desplazamiento 3 Inyector Herramienta encargada de inyectar

polímero 1

Capítulo

2

1

173

2. ELEMENTOS DE LA MAQUINA RUTEADORA DE CIRCUITOS ELECTRICOS

ELEMENTOS MAQUINA RUTEADORA

UBICACION ITEM

1 Colector

2 Bomba de infusión

3 Varillas lisa 5/32 (desplazamiento)

4 Varillas roscada 5/16”

5 Motor NEMA 17

6 Caja de protección

7 Soportes

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SECCIÓN 3 -Uso de la máquina de electrohilado

Ubique el equipo en una superficie plana, limpia y seca.

Revise que la fuente esté DESCONECTADA

Ubique el material con el cual se recolectará la fibra (papel aluminio)

tener prepara la solución en un inyector (jeringa) de 5ml

Revise que la carcasa este completamente cerrada

Conectar la maquina a una toma corriente con tensión de 110 VAC.

3.1 SOFTWARE LABVIEW

Es necesario contar con el software, de no tenerlo instalado, debe descargarlo

Iniciar labview versión 2013 o superior

Previamente el puerto de comunicación USB entre la máquina de electohilado y el PC se debe

seleccionar el puerto correspondiente

Capítulo

3

3

2

1

175

En la parte superior de la pantalla del programa labview en la barra de tareas seleccionar el icono

(Run) para iniciar el aplicativo

Una vez se haya establecido la comunicación el indicador en la sección del puerto de comunicación

cambiara de rojo a verde

Seleccionar la cantidad de suministro del polímero a utilizar

Seleccionar la posición del colector (distancia entre la punta del inyector y el tambor giratorio)

Seleccionar la concentración del polímero a utilizar

176

Dar clic en el botón de INICIO para iniciar el proceso o STOP en caso de ser detenido

177

MÓNICA FERNANDA ROA RODRIGUEZ