Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

Rapid manufacturing technologies: Part 1: Optimization and improvement of rapid tooling technology-Coproinmold

La producción de piezas físicas directamente de modelos CAD, se considera un método importante de reducción de los costos y el tiempo de fabricación de nuevos productos. Las técnicas de prototipado rápido son una forma de producir modelos conceptuales de forma rápida y sencilla. Se denomina mecanizado rápido, al método de fabricación rápida de utillajes en general, para obtener series pequeñas y medianas de piezas. En esta contribución se describe el estudio de la optimización de la tecnología de mecanizado rápido Coproinmold para la obtención de moldes para la inyección de piezas plásticas.

Making pieces directly from a CAD model is considered an important method for reduction of production time and manufacturing costs of new products. Rapid prototyping techniques are a way of producing conceptual models in a quick and simple fashion. Rapid tooling is the method of producing tools of general use, aimed specifically at obtaining small and medium series of pieces. This article studies the optimization of Coproinmold technology for obtaining molds for plastic injection.

Grounding transient response of lightning protection GTIERRAS software

Se usa un programa computacional desarrollado en Matlab (GTIERRAS) que implementa un modelo de base electromagnética, para determinar la impedancia de puesta a tierra de configuraciones arbitrarias y su comportamiento ante excitaciones tipo impulso. Impedancia, corrientes y voltajes, u otras variables eléctricas de sistemas de puesta a tierra se pueden presentar en el dominio de la frecuencia o del tiempo usando la transformada rápida de Fourier. La base general del modelo considerado se usa para valorar no sólo sobretensiones por descargas atmosféricas, sino también, otros transitorios típicos asociados con problemas de compatibilidad electromagnética. Los resultados muestran la influencia de algunas variables en la respuesta del sistema de puesta a tierra y revelan algunas diferencias que se deben tener en cuenta cuando se aplican criterios basados en el desempeño a baja frecuencia, para esfuerzos impulsivos de puestas a tierra. Adicionalmente, se presentan ejemplos de cálculo y comparaciones con resultados de otros autores para ilustrar algunos comportamientos que de ninguna manera son evidentes. Se investiga además, el efecto de la geometría de los electrodos y la resistividad del suelo, así como del frente de onda y el número de puntos de inyección. También se presentan resultados de tensiones de contacto y de paso, así como, el estudio de un sistema de protección contra rayos como ampliación de las aplicaciones del modelo. Finalmente, se derivan algunas conclusiones útiles para el diseño de sistemas de puesta a tierra.

A computer program developed in Matlab (GTIERRAS) from an electromagnetic-based model is used to assess grounding impedances and the behavior of grounding electrodes of arbitrary shapes under lightning impulses. Impedance, currents and voltages, or other electric variables of the grounding system can be presented as well in frequency or in time domain with the use of Fast Fourier Transform. The generality of the model allows its use for assessing lightning overvoltages, but also for other typical transients associated with electromagnetic compatibility problems. Results show the influence of some variables on the response of grounding system and shed light on some differences that must be taken into account when applying criteria based on low frequency performance to groundings stressed by surges. Calculation examples and comparison with results from other authors are presented and analyzed so as to illustrate some grounding behaviors that by no means are evident. Effects of electrode geometry and soil resistivity, as well as of wave front and number of injection points are also investigated. Results of touch and step potentials are shown. A study of a lightning protection system is presented as an extension of the model application capabilities. Some conclusions useful for grounding system design are derived.

Characterization of mechanical properties and micro-structural features of welds used for rebuilding shafts

Se analizaron las propiedades mecánicas y las características microestructurales de los materiales de aporte y la zona afectada térmicamente (ZAT) de tres procedimientos de soldadura de arco eléctrico, usados para la recuperación de ejes desgastados de molinos de caña de azúcar. En dos procedimientos se identificó que en la ZAT había ferrita en bordes de grano, mayor crecimiento de grano y la estructura Widmanstaetten, lo cual reduce la tenacidad del acero. Las soldaduras se compararon partiendo de sus propiedades mecánicas por medio de ensayos de tensión y de impacto Charpy.

Mechanical properties and micro-structural features of welded metal and heat-affected zone (HAZ) of three welding processes used to rebuild worn shafts in sugar cane mills were analyzed. For two welding processes the following characteristics were observed in the HAZ: presence of ferrite in the grain boundary, higher grain growth and Widmanstaetten structure, features that reduce steel toughness. A weld ranking was established from mechanical properties obtained by both tension and Charpy impact tests.

Nopol synthesis from β-pinene and turpentine oil over Sn-MCM-41

Se obtuvo nopol mediante la reacción de Prins por condensación de β-pineno y paraformaldehído usando el catalizador Sn-MCM-41. El catalizador se sintetizó por deposición química al vapor de una sal precursora de Sn sobre MCM-41. Las reacciones se realizaron partiendo de β-pineno de alta pureza o aceite comercial de trementina. Se evaluó el efecto de varios parámetros en la selectividad a nopol, tales como: la carga de Sn en el catalizador, la cantidad de solvente y catalizador, la temperatura y el tiempo de reacción. Los catalizadores se caracterizaron por DRX, IR, UV-VIS, absorción atómica y área superficial BET. Usando Sn-MCM-41 con bajas cargas de Sn se alcanzaron rendimientos a nopol cercanos a 100% con β-pineno de alta pureza. Partiendo de trementina como fuente de β-pineno y relaciones equimolares de reactivos, se alcanzaron selectividades a nopol hasta del 93%.

Nopol was obtained by the Prins condensation of β-pinene and paraformaldehyde over Sn-MCM-41. The catalyst was synthesized by chemical vapor deposition using a Sn salt over MCM-41. Reactions were carried out using either high purity β-pinene or turpentine oil as a starting material. The effect of catalyst Sn loading, temperature, type of solvent, catalyst amount, and reaction time on nopol selectivity was studied. Catalyst samples were characterized by XRD, IR, UV-VIS, elemental analysis and BET surface area. Low Sn loaded Sn-MCM-41 yields near 100% nopol with high purity β-pinene; whereas using turpentine as β-pinene source, nopol selectivities up to 93% were attained for equimolar ratios of reactants.

Reliability analysis of cutting tools appliedto drilling process

Se presenta un análisis teórico de confiabilidad para herramientas de corte utilizadas en maquinado y aplicado al proceso de taladrado. Para calcular la confiabilidad, se asume que la vida de la herramienta de corte puede ser modelada por una distribución de probabilidad y la falla se define como el instante en el cual la herramienta de corte alcanza un desgaste de flanco superior a un valor preestablecido. Dado lo anterior, es posible definir una función de densidad acumulada (FDA) para la distribución de probabilidad del desgaste que indica la posibilidad de que la herramienta se desgaste hasta un cierto nivel durante un tiempo específico de uso. Basados en los resultados obtenidos experimentalmente se calculan los parámetros para la distribución de probabilidad y la curva de confiabilidad.

This study presents a theoretical reliability analysis of mechanical manufacturing process of a cutting tool subject to flank wear. The process reliability is a statistical relation between cutting tool, operator and machine-tool. The cutting tool life is modeled with a probability function representing the chance that a critical wear magnitude is achieved in a given time period. Parameters for this probability function are calculated based on experimental analysis, as well as on reliability of a cutting tool.

Mathematical model for the combustion phenomena in a cupola furnace

Se presenta un modelo matemático que describe los fenómenos de combustión en un horno de cubilote. La construcción del modelo se realizó con base en las reacciones heterogéneas coquegas más importantes; es decir, la reacción de combustión, la gasificación por CO2 y la gasificación por vapor de agua. Se usó el programa Matlab versión 5.3 y los resultados de la simulación se compararon con los datos experimentales obtenidos en el horno de cubilote de la planta ecoeficiente de la Universidad de Antioquia. El modelo proporciona los perfiles de composición de los gases en la columna del horno, la composición de los gases en chimenea y la velocidad de carga del metal durante la operación. Las desviaciones máximas obtenidas con el modelo fueron menores de 1% para CO2, 5% para CO, 7% para la relación de combustión y 9% para la velocidad de carga del metal.

A mathematical model of the combustion phenomena occurring in a cupola furnace is presented. The most important heterogeneous cokegas reactions: combustion, CO2 gasification and steam gasification were used for modelling and Matlab (version 5.3) was used to solve said model. Results were compared with experimental data obtained in the cupola furnace of the ecoefficient plant at the University of Antioquia. The model evaluates composition profiles along the furnace column, composition of gases at the chimney and velocity at which metal is fed during this operation. Maximum deviations within 1% for CO2, 5% for CO, 7% for combustion ratio, and 9% for velocity of metal charge were obtained with the model.

Environmental impact assessment for ethanol production process using the waste reduction algorithm

En el presente trabajo se evalúa el desempeño ambiental de dos procesos para la obtención de etanol a partir de materias primas propias del país como el maíz y la caña de azúcar. Inicialmente se realizó la simulación de los procesos en el software comercial Aspen Plus. Obtenidos los balances de materia y energía de los procesos, se efectuó el análisis de impacto ambiental utilizando el algoritmo de reducción de residuos (algoritmo WAR), el cual evalúa la amigabilidad ambiental de un proceso. De los resultados obtenidos, el proceso a partir de maíz presenta un menor potencial de impacto ambiental de salida que el proceso a partir de caña de azúcar. Igualmente, la mayor generación de impacto ambiental en ambos procesos se da en la categoría de potencial de toxicidad acuática, debido principalmente a la elevada carga orgánica que involucran las vinazas producidas en este proceso.

The environmental performance of ethanol production from maize and sugar cane was evaluated. Process simulation was initially conducted using the commercial process simulator Aspen Plus. After mass and energy balances, analysis of the environmental impact was carried out using the waste algorithm reduction (WAR), which evaluates the environmental friendliness of each process. It was found that ethanol production from maize shows a lower potential environmental impact than that from sugar cane. The larger environmental impact of both processes occurs in the aquatic toxicity category, primarily due to high organic charge of the stillage produced.

Use of a biological additive to enhance the physical-mechanical and thermal properties of concrete

Se utilizó un aditivo biológico compuesto principalmente por bacterias calcificantes (T. ferroxidans, T. thioxidans, Desulfovibrio y Sulfolobus acidularios) en una mezcla de hormigón. El aditivo se sintetizó a partir de cepas nativas con un medio nutritivo (medio 9 K modificado), 2,5 ≤ pH ≤ 3,0 a temperatura ambiente en un bioreactor de 30 L. Con el fin de determinar la factibilidad técnica se prepararon cilindros de hormigón con 30, 60, y 100% de aditivo biológico para 2 edades (7 y 28 días.), se utilizaron mezclas 1:2,3:3 (para la relación cemento: arena: grava) y una relación agua: cemento de 0,56:1. La muestra sin aditivo biológico se usó como patrón. La resistencia aumentó 17,2 % para la muestra con 30% aditivo biológico (14,63 ± 2,11 MPa y 15,17 ± 0,85 MPa a los 7 y 28 días. respectivamente); el porcentaje y el diámetro de poros disminuyó en 39 y 46%, respectivamente para 30% de aditivo biológico (0,91% de poros y diámetro de poro de 144,7 μm); el coeficiente de conductividad térmica disminuyó en todas las muestras con aditivo biológico. La mejor dosificación fue la de 30% que disminuyó el coeficiente de conductividad térmica en un 50% (0,33W/m K). La probeta patrón fue desfavorable frente el ácido nítrico, presentando una mayor pérdida de peso promedio (0,464 ± 0,012 g), mientras que la pérdida de peso de la probeta con 30% de aditivo biológico fue 0,326 ± 0,028 g.

The effect of the addition of a biological ingredient composed primarily of calcific bacteria (T. ferroxidans, T. thioxidans, Desulfovibrio and Sulfolobus acidularios) on the properties of concrete is studied. The biological additive was synthesized based on native cultures in a nutritive medium (modified 9K medium), 2.5 ≤ pH ≤ 3.0, at room temperature in a 30 L bioreactor. Cylinders of concrete containing 30, 60, and 100% of the biological additive were prepared using different aging times (7 and 28 days) in order to determine the technical feasibility of the mixture. The mixture of concrete was prepared using a cement to sand to gravel ratio of 1:2,3:3 and a water to cement ratio of 0.56:1. The sample without biological additive was used as the reference. The main findings are: an increase of 17.2% in resistance was observed in the sample with 30% biological additive (14.63 ± 2.11 MPa and 15.17 ± 0.85 MPa at 7 and 28 days, respectively); the percentage of pores and their diameter decreased by 39% and 46%, respectively, in the sample with 30% biological additive (porosity: 0.91%, pore diameter: 144.7 μm); thermal conductivity decreased in all samples containing the biological additive (the best behavior was obtained in the sample with 30% biological which displayed a 50% reduction in thermal conductivity: 0.33W/m K); Durability to nitric acid indicates that weight lose was larger for the reference probe than for the sample with 30% additive, 0.464 ± 0.012 g and 0.326 ± 0.028 g, respectively.

Liquid-liquid extraction of barium with DEPHA: chemical equilibrium

El objetivo de este trabajo fue evaluar el proceso de extracción líquido-líquido para separar bario presente en fase acuosa mediante una fase orgánica compuesta de DEPHA (bis-2-ethylhexyl phosphate), disuelto en queroseno y con alcohol isopropílico como agente modificador. Se estudiaron diferentes variables: a) concentración del metal en la fase líquida, b) pH de la solución, c) concentración del portador orgánico d) relación de volumen de fase orgánica y acuosa. Se obtuvo una eficiencia de recuperación de 89.5% usando una solución orgánica de 30% (V/V), 30% (V/V) isopropil alcohol. La extracción de bario ocurre a pH 11. La fase acuosa consistió de 100 mg/L de BaCl2.2H2O. Se describió el equilibrio químico del sistema y se obtuvo KqE = 0,338. Este parámetro es útil para establecer la viabilidad del proceso industrial para la separación de bario en fase acuosa.

The objective of this work was to evaluate a liquid - liquid extraction process to separate barium in aqueous phase by means of an organic phase consisting of DEPHA (bis-2-ethylhexyl phosphate) in kerosene and isopropyl alcohol as modifying agent. Different variables were studied: a) metal concentration in the liquid phase, b) pH of the solution, c) concentration of the organic carrier and d) ratio of the organic to aqueous phase volume. A recovery efficiency of 89.5% was obtained using an organic solution based on DEPHA, 30% (V/V) and isopropyl alcohol, 30% (V/V) as selective extraction medium. The extraction of barium occurs at pH 11. A solution containing 100 mg/L of BaCl2.2H2O was used as aqueous phase. The chemical equilibrium present in the system was described and the parameter KqE = 0.338 was obtained. This parameter is useful for establishing the viability of the industrial barium separation process in the aqueous phase.

The temperature of compacting and energy influence in dynamics properties of an asphalt mixture

La temperatura de las mezclas asfálticas varía significativamente desde su producción en la planta hasta la conformación de la estructura de pavimento, especialmente en el proceso de compactación. Estas diferencias de temperatura de la mezcla de un punto a otro, generan segregación, microfisuras, superficies onduladas, desgarramientos y especialmente cambios en las propiedades mecánicas y dinámicas de la mezcla. En este estudio de laboratorio se determinó el efecto en el módulo dinámico, densidad, estabilidad y flujo de una mezcla asfáltica con granulometría 0/10 y asfalto con penetración 60/70, al variar la temperatura de compactación. Se establece que al compactar muestras entre 100 y 150 ºC existe descenso del orden de 30% en el módulo dinámico, 5% en la densidad y 50% en la estabilidad.

The temperature of asphalt mixtures varies significantly from the plant production to in-situ formation of the pavement structure, especially during the compacting process. Temperature differences from point to point generate segregation, microfissures, and, especially, changes in the mechanical and dynamic properties of the mixture. In this laboratory study the effect of the temperature during the compacting process on the dynamic module, density, stability and flow of an asphalt mixture with gradation 0/10 and asphalt with penetration 60/70 was determined. When the compacting process was conducted at 100 and 150 oC reductions of: around 30%, 5% and 50% were obtained for dynamic module, density and stability, respectively.