Probador Mecánico para Ensayos de Tracción Uniaxial en Materiales Suaves y Tejidos Biológicos - Flores Vázquez, Daniel Oswaldo (My University, 2014)
Se realizó el diseño,selección de materiales y la manufactura de una máquina para ensayos de tracción en materiales suaves y tejidos biológicos. Posteriormente se seleccionaron los dispositivos e instrumentos necesarios para controlar el equipo. Finalmente se desarrollo una interface de control para la manipulación del equipo.Actualmente los tejidos suaves o también llamados polímeros naturales y en general los materiales biológicos, han tomado un papel muy importante en el desarrollo de productos y aplicaciones propios de la bioingeniería y de la medicina. Estos materiales pueden ser utilizados en prótesis de apoyo, prótesis de reemplazo, prótesis dentales y en un gran número de aplicaciones más. Es por ello que el estudio de estos materiales es muy importante, pues sólo a través de procedimientos de análisis podrán determinarse las propiedades de éstos y por consecuencia saber en qué área de aplicación podrán brindar beneficios. En ingeniería, el estudio de estos materiales se lleva a cabo bajo los ensayos de pruebas mecánicas, como se realizan en un material convencional, como los aceros y los polímeros. Uno de los ensayos más solicitados en área de las pruebas mecánicas es el ensayo de tracción uniaxial. Para llevar a cabo el ensayo de tracción uniaxial en dichos materiales, se requiere de un equipo de pruebas mecánicas para ensayos de tracción. Hoy en día existe una vasta disponibilidad en el mercado de estos equipos; sin embargo, puede afirmarse que el costo de estos equipos es muy elevado y en ocasiones inaccesible para las Instituciones de Investigación. En la mayoría de las Instituciones de Investigación, es posible que se cuente con un equipo de pruebas mecánicas para ensayos de tracción, estos equipos son muy robustos y de gran capacidad, pues han sido diseñados para ensayar materiales convencionales como los ya mencionados. Este detalle puede traducirse en que las dimensiones y capacidad de los equipos, están fuera de rango de las propiedades y geometrías que poseen los materiales suaves y los tejidos biológicos, pues estos, son de dimensiones reducidas y de consistencia delicada. Ocurre entonces que los equipos puedan no poseer la sensibilidad requerida para ensayar dichos materiales y ocasionar que los resultados obtenidos puedan estar fuera de los parámetros determinados por las normas que rigen estos ensayos. La importancia que tiene este trabajo de tesis, se centra en cubrir las necesidades existentes en el Laboratorio de Mecánica y Micromecánica de Sólidos en el Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM. Actualmente en el laboratorio se cuenta con un equipo de la marca MTS. Este equipo cuenta con un área de trabajo reducida, y por lo tanto no adecuada para materiales con deformaciones del 400% al 800%. A su vez, esta área en ocasiones no es modificable, al menos así lo indica el fabricante, por lo tanto se tiene que recurrir a modificaciones fuera de las especificaciones técnicas de la máquina, lo que significa un riesgo potencial para la configuración original del equipo. De esta forma el desarrollo del diseño se centra en crear un equipo con las características físicas y geométricas especiales para trabajar en el laboratorio el estudio de estos materiales. Con este diseño se pretende mejorar el área de trabajo, brindando un espacio mayor en la configuración horizontal del equipo y aumentando la carrera vertical de éste, ajustar la capacidad del equipo mediante sensores adecuados para el ensayo de tracción en materiales suaves y tejidos biológicos, además de un sistema de sujeción especialmente diseñado para estos materiales.
Este trabajo de tesis se realizó con el objetivo de diseñar un equipo con las características físicas necesarias y las prestaciones adecuadas para realizar los ensayos de tracción en materiales suaves y tejidos biológicos. Es importante mencionar que en el mercado existen equipos destinados para ensayos de tracción y compresión uniaxial; sin embargo, estos equipos son diseñados para ensayar materiales convencionales como los aceros. Estos equipos tienden a ser muy robustos en sus marcos de carga y sus sensores no poseen la sensibilidad necesaria para realizar el ensayo de tracción en materiales suaves y tejidos biológicos como lo pueden ser: piel, colágeno, tejidos naturales, pericardio bovino, látex, tejido muscular, o algún tejido de tipo cartilaginoso. Por otra parte los equipos comerciales tienen actuadores que ofrecen un desplazamiento limitado en su configuración; lo anterior se traduce en una carrera corta en su espacio de trabajo, por lo tanto, no son útiles para estudiar los materiales con grandes deformaciones como los que se mencionaron anteriormente. Por otra parte, los equipos comerciales especialmente diseñados para el ensayo de tracción en tejidos biológicos son de muy alto costo, además de ser equipos con una configuración predeterminada por el fabricante. En este caso si la configuración original quiere modificarse, el equipo estará en riesgo de perder precisión. Por lo tanto se cuenta con sólo una versión del equipo, la modernización y actualización se le deja solamente al fabricante. Para el desarrollo de este equipo fue indispensable identificar todas y cada una de las necesidades para realizar la caracterización mecánica de materiales suaves y los tejidos biológicos. A partir de dichas necesidades y conociendo las características y el funcionamiento de los equipos comerciales, se pudo plantear un diseño conceptual adecuado. Este diseño tomó en cuenta las ventajas, desventajas y limitaciones de los equipos comerciales. Lo anterior con el objetivo de satisfacer las necesidades presentes al caracterizar mecánicamente un material suave o tejido biológico. Con todas las consideraciones anteriores y el desarrollo del diseño mecánico fue posible realizar un análisis de selección de materiales conveniente para la manufactura del Probador Mecánico. En este trabajo se describe el planteamiento del diseño conceptual y el diseño mecánico del Probador mecánico, además se presenta la evolución del mismo durante las diversas etapas de su desarrollo. Posteriormente se muestra el análisis de selección de materiales para la manufactura del Probador Mecánico, así como, sus procesos de manufactura asociados. En los siguientes capítulos se presenta detalladamente la parte de instrumentación y la electrónica correspondiente del Probador, es decir los elementos necesarios para comunicar la parte mecánica del equipo con la parte electrónica del mismo y sus respectivos sensores. Posteriormente se muestra el desarrollo del sistema de control, lo que permitirá la manipulación del equipo mediante un instrumento virtual programado en el software de control LABVIEW. En la parte final de este trabajo de tesis se presentan los resultados obtenidos, el balance del cumplimiento de los objetivos planteados, así como las expectativas que se generan con la manufactura del Probador Mecánico. También se muestran los resultados obtenidos a través del ensayo de tracción para materiales suaves y tejidos biológicos. Pudiendo obtener de dicho ensayo las propiedades mecánicas de los materiales suaves y tejidos biológicos sometidos a estudio.
Keywords: Tracción; Tejidos; Biomateriales; Diseño; Ensayos