Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia

EDITORIAL

EIS, Mott Schottky and EFM analysis of the electrochemical stability and dielectric properties of Ca-P-Ag and Ca-P-Si-Ag coatings obtained by plasma electrolytic oxidation in Ti6Al4V

ABSTRACT Ti6Al4V ELI (ASTM F136) alloy is one of the most used alloys in devices for osteosynthesis and joint replacement. However, the properties of this alloy can be improved regarding biocompatibility and the osteointegration with the bone tissue through coatings. The aim of this study was the evaluation of the electrochemical behavior of a coating obtained by plasma electrolytic oxidation on Ti6Al4V ELI, using electrolyte solutions enriched with PO4 2-, Ca+2, Si+4 ions and various concentrations of Ag+1. The coatings were characterized by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and Mott-Schottky (M-S) in a three-electrode cell with a simulated physiological solution. The electrochemical behavior was compared with electrostatic force microscopy (EFM). The EIS results showed improved stability properties in corrosion for Ca-P-Ag coatings, compared with Ca-P-Si-Ag. Nyquist and Bode Spectra showed relaxations related to charge transference to the double electrochemical layer and the reflex of the microstructural changes and conductivity of the coating given by its composition. According to with M-S results, all the samples showed an n-type conductivity increased with silver inclusion. The potential, the phase, and amplitude of the coatings with silver inclusion compared to uncoated Ti6Al4V were observed by EFM.

RESUMEN El Ti6Al4V ELI (ASTM F136) es una de las aleaciones más empleadas en dispositivos de osteosíntesis y reemplazo articular. Sin embargo, las propiedades de esta aleación pueden ser mejoradas respecto a su biocompatibilidad y osteointegración con el tejido óseo a través de recubrimientos. El objetivo de este trabajo fue evaluar el comportamiento electroquímico de un recubrimiento obtenido por oxidación por plasma electrolítico sobre Ti6Al4V ELI empleando soluciones electrolíticas enriquecidas con iones de PO4 2-, Ca+2, Si+4 y varias concentraciones de Ag+1. Los recubrimientos se caracterizaron mediante espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) y Mott-Schottky (M-S) en una celda de tres electrodos con una solución fisiológica simulada. El comportamiento electroquímico se contrastó con microscopía de fuerza electrostática (EFM), donde se analizó el potencial eléctrico del recubrimiento. Los resultados de EIS mostraron mejores propiedades de estabilidad frente a la corrosión en los sustratos recubiertos con Ca-P-Ag, comparados con los recubiertos con Ca-P-Si-Ag. Los espectros de Nyquist y Bode mostraron relajaciones relacionadas con la transferencia de carga hacia la doble capa electroquímica como reflejo de los cambios microestructurales y de conductividad de los recubrimientos, dada por la presencia particular en cada caso, de los elementos contenidos en estos. De acuerdo con los resultados de M-S, todas las muestras ensayadas presentaron un comportamiento con dopado tipo n, cuya conductividad incrementó con la inclusión de plata. Mediante EFM se observaron mayores contrastes en el potencial, fase y la amplitud de los recubrimientos con mayor cantidad de plata respecto al Ti6Al4V sin recubrir.

Study of the visible light activity of Pt and Au-TiO ₂ photocatalysts in organic pollutants degradation

ABSTRACT Pt-TiO2 and Au-TiO2 photocatalysts were prepared by noble metal photodeposition on sulfated TiO2. It was observed that optical absorption, oxidation state and particle size of the metallic species (Pt or Au) play an important role in the TiO2 photocatalytic activity under visible-light irradiation. Photocatalytic activity of the bare TiO2 powder in the phenol and methyl orange degradation increased with the sulfation and metal addition. The highest degradation rate under UV-Visible and visible light irradiation was obtained on Pt-S-TiO2 photocatalyst; this is mainly due to the optical properties of TiO2 induced by platinization and also to the good distribution and low Pt particles size. It was also found that this catalyst has a good stability after two cycles of reaction in the phenol photodegradation under UV-Visible light irradiation. The Pt-S-TiO2 photocatalyst was also active under solar light and under the environmental conditions of the city of Tunja (Boyacá), Colombia.

RESUMEN Los fotocatalizadores Pt-TiO2 y Au-TiO2 se prepararon por fotodeposición del metal noble sobre el TiO2 sulfatado. Se encontró que las propiedades ópticas, el estado de oxidación y el tamaño de partícula de las especies metálicas (Pt o Au) juegan un papel fundamental en la actividad fotocatalítica del TiO2 bajo luz visible. La actividad fotocatalítica del TiO2 en la degradación de fenol y naranja de metilo aumentó significativamente a través de los tratamientos de sulfatación y metalización de este óxido. La más alta velocidad de degradación bajo luz UV-Visible y visible, se alcanzó usando el fotocatalizador Pt-S-TiO2; esto se debe principalmente a la modificación de las propiedades ópticas del TiO2 inducidas por la platinización, también a la buena distribución y al pequeño tamaño de las partículas de Pt. Se encontró, además, que este catalizador presenta una buena estabilidad después de dos ciclos de reacción en la degradación de fenol bajo luz UV-Visible. El fotocatalizador Pt-S-TiO2 fue activo también bajo luz solar directa y bajo las condiciones medioambientales de la ciudad de Tunja (Boyacá), Colombia.

Iron based coatings deposited by arc thermal spray

ABSTRACT In this paper, the results of wear resistance and hardness of iron alloy coatings applied by the method of arc thermal spray on substrates of steel AISI-SAE 4340 at room temperature, are presented. The coatings were performed using three different types of wires: Castolin Eutectic: 30AS, 560AS y 140MXC deposited as single layers (one element) and bilayers of the type 530AS/140MXC and 560AS/140MXC, with different thicknesses. The coatings were characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), Nano hardness and wear resistance determined by the Pin on Disk technique. The coatings obtained were highly inhomogeneous. The best wear behavior was found in the single layers of 140 MXC and bilayers 530/140MXC and 560/140MXC and it was generally thickness independent.

RESUMEN En este trabajo se estudió la resistencia al desgaste y la dureza de recubrimientos a base de hierro, aplicados mediante el método de proyección térmica por arco sobre sustratos en acero AISI-SAE 4340 a temperatura ambiente. Los recubrimientos se realizan con tres tipos diferentes de alambres Castolin Eutectic: 530AS, 560AS y 140MXC; depositados en forma de capas de un solo elemento y bicapas de tipo 530AS/140MXC y 560AS/140MXC, las cuales fueron depositadas con diferentes espesores. Los recubrimientos se caracterizaron mediante difracción de rayos X (DRX), espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS), se determinó su nano dureza y se determinó su resistencia al desgaste mediante la técnica de Pin on Disk. Los recubrimientos obtenidos son altamente inhomogéneos, el mejor comportamiento frente al desgaste se encontró en las capas de material 140 MXC y en las bicapas 530/140MXC y 560/140MXC y fue independiente en general del número de capas aplicadas.

Effect of aeration on Tafelian behavior of the carbon steel corrosion in acid sulfate medium

ABSTRACT This study presents a corrosion analysis of carbon steel by electrochemical polarization tests on a rotating disk electrode at several aeration and hydrodynamic conditions in solution 0.2 mol L-1 K2SO4 at pH 3. The reactions involved in the dissolution of the steel are analyzed by studying the Tafel regions of the polarization curves, confirming that the dissolved oxygen plays a predominant role in the corrosion of the metal. The corrosion rate was 35 times higher in natural aeration conditions than in the deaerated medium. Under natural aeration conditions, it is not possible to make a simple analysis of the corrosion of the steel from the extrapolation of the Tafel slopes since such slopes were not well defined due to the formation of rust in the anodic region and the influence of mass transport in the cathodic region. At cathodic polarization potentials and with natural aeration, there is an increase in polarization currents with respect to the deaerated system and the oxygen reduction reaction is controlled by the mass transport. Under deaerated conditions and at intermediate polarization potentials, there is a change in the dissolution mechanism of the steel. At high overpotential, the rate of dissolution of the steel tends to be equal in both systems, aerated and deaerated because the corrosion of the metal is controlled by the diffusion of species through corrosion products film.

RESUMEN Este estudio presenta un análisis de corrosión del acero al carbono mediante pruebas de polarización electroquímica en un electrodo de disco rotatorio en varias condiciones de aireación e hidrodinámicas en solución 0,2 mol L-1 K2SO4 a pH 3. Las reacciones implicadas en la disolución del acero se analizan estudiando Tafel regiones de las curvas de polarización, lo que confirma que el oxígeno disuelto desempeña un papel predominante en la corrosión del metal. La velocidad de corrosión fue 35 veces mayor en condiciones de aireación natural que en el medio desaireado. Bajo condiciones de aireación natural no es posible realizar un análisis simple de la corrosión del acero a partir de la extrapolación de las pendientes de Tafel, ya que tales pendientes no están bien definidas debido a la formación de óxido en la región anódica y a la influencia del transporte de masa en la región catódica. En los potenciales de polarización catódica y con aireación natural, hay un aumento en las corrientes de polarización con respecto al sistema desaireado y la reacción de reducción de oxígeno es controlada por el transporte de masa. Bajo condiciones desaireadas y en potenciales de polarización intermedios, hay un cambio en el mecanismo de disolución del acero. A altos sobre potenciales, la velocidad de disolución del acero tiende a ser igual en ambos sistemas (aireado y desaireado), porque la corrosión del metal es controlada por la difusión de especies a través de la película de productos de corrosión.

Structural and vibrational studies on composites polymer electrolytes (PEO) ₁₀ CF ₃ COONa + x wt.% Al ₂ O ₃

ABSTRACT Composites formed by combinations of polyethylene oxide (PEO) and sodium trifluoroacetate (CF3COONa) with different aluminum oxide (Al2O3) concentrations were synthetized. Infrared (IR), Raman spectroscopy, X ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM) analyses, were performed to characterize the composites. Changes on the XRD intensity peaks, and variations in intensity and position of some peaks in Raman and IR spectroscopy were observed for different concentrations of added Al2O3. The decrease in the XRD peaks of the PEO when it is combined with the salt, revealed that crystallinity in polymer was reduced, being lower when the alumina is added. The increase in roughness root medium square (RRMS) observed by AFM when Al2O3 was added, agree with reduction in crystallinity observed with XRD studies. Changes in the structure of PEO showed in the absorption lines IR and Raman, due to addition of CF3COONa salt and Al2O3 filler, have been attributed to the interactions between the electrolyte and the filler.

RESUMEN Se sintetizaron compósitos formados entre polióxido de etileno (PEO) y trifluoroacetato de sodio (PEO10CF3COONa) con diferentes concentraciones de óxido de aluminio (Al2O3). Los compósitos fueron caracterizados por espectroscopía infrarroja (IR), espectroscopía Raman, difracción de rayos X (XRD) y microscopía de fuerza atómica (AFM). Las combinaciones del electrolito sólido PEO10CF3COONa con diferentes concentraciones de Al2O3, mostraron cambios en la intensidad de los picos de XRD, así como cambios en la intensidad y posición de algunos picos de IR y Raman. El decrecimiento de los picos del PEO en XRD, cuando este fue combinado con la sal, reveló que la cristalinidad del polímero se redujo, siendo más baja cuando se le adicionó alúmina. Se observó un incremento en la raíz cuadrática media de la rugosidad (RRMS) obtenida por microscopia de fuerza atómica cuando se adicionó Al2O3. Este incremento está en concordancia con la reducción de la cristalinidad observada con estudios de XRD. Los cambios en la estructura del PEO mostrados en las líneas de absorción de IR y Raman, debidos a la adición de CF3COONa y Al2O3, fueron atribuidos a interacciones entre el electrolito y el relleno Al2O3.

Recycling rotating electrical machines

ABSTRACT This paper establishes design principles for rotating recyclable electrical machines (synchronous and induction), in other words electrical machines and machine components may be reused. Also, technological issues arising from following machine components are covered: stator core, rotor core, stator windings, rotor windings, bearings, shafts, and frames. Design principles discussed may be extended to transformers. Insulation materials in high voltage windings are not considered. This paper did not consider economic advantages of the processes, neither environmental consequences. Rotating machines considered in the present study are of a power range within 0.1 kW to 400 kW, frequencies 50 hertz and 60 hertz and poles 2, 4 and 6 although the general concepts could be applied to other machines. Required machine standards to achieve these goals are discussed, covering: speed, nominal voltage, capacities, shapes, dimensions, insulation, cores, windings, bearings, shafts and frames.

RESUMEN Este trabajo establece los principios de diseño para el reciclaje de máquinas eléctricas rotativas (sincrónicas y de inducción), en otras palabras, las máquinas eléctricas y sus componentes pueden ser reutilizados. Además, se cubren temas tecnológicos surgidos de las siguientes componentes de la máquina: núcleo del estator y rotor, devanados del estator y rotor, cojinetes, ejes, y carcasas. Los principios de diseño discutidos pueden extenderse a los transformadores. Este trabajo no consideró materiales de aislamiento en devanados de alta tensión. La economía de reciclaje no se discute ni consecuencias ambientales. Las máquinas rotativas consideradas en el presente estudio son de un rango de potencia entre 0,1 kW a 400 kW, frecuencias de 50 hertz y 60 hertz y polos 2, 4 y 6, aunque los conceptos generales podrían aplicarse a otras máquinas. Se discuten las normas de máquina necesarios para lograr estos objetivos, que abarca: velocidad, tensión nominal, capacidades, formas, dimensiones, de aislamiento, de los devanados, cojinetes, ejes y carcasas.

Experimental study of flat plate cooling using draft induced by a submerged radial jet

ABSTRACT An experimental research has been conducted for evaluating heat transfer in a modified configuration of a submerged radial jet, so it was possible to extract the fluid directly under the nozzle, looking for an improvement in the heat transfer rate. The experiments were conducted for the following ranges of the phenomenon governing parameters: 16 mm nozzle diameter, nozzle to plate distance ranging from 10 mm to 20 mm, Reynolds number ranging between 10,000 and 20,000, and heat density of 10.2 - 13.6 kW/m2. The heat transfer coefficient as well as Nusselt number for the different conditions under study were estimated using the temperature distribution obtained from a data acquisition device and appropriated post-processing. The use of fluid extraction through induced draft generated a significant increase in heat transfer in the area under the nozzle, obtaining values ranging from 290 up to 1500 W/m2.°C.

RESUMEN Una investigación experimental se ha llevado a cabo para evaluar la transferencia de calor en una configuración modificada de un chorro radial sumergido, por medio del cual se puede extraer el fluido directamente debajo de la boquilla, en busca de una mejora en la velocidad de transferencia de calor. Los experimentos se llevaron a cabo para las siguientes gamas de parámetros que rigen el fenómeno: boquilla de 16 mm de diámetro, distancia entre boquilla y placa entre 10 mm a 20 mm, número de Reynolds que oscila entre 10.000 y 20.000, y calor de 10,2 - 13,6 kW/m2. La transferencia de calor se estima a través de la distribución de temperatura obtenida por medio de un dispositivo de adquisición de datos y un apropiado post-procesamiento, lo que hace posible determinar el coeficiente de transferencia de calor y el número de Nusselt para las diferentes condiciones en estudio. El uso de la extracción de fluido a través de tiro inducido genera un aumento significativo en la transferencia de calor en el área debajo de la boquilla, obteniendo valores desde 290 hasta 1500 W/m2.°C.

A simple geomagnetic field compensation system for uniform magnetic field applications

ABSTRACT In this paper a simple geomagnetic field compensation system for uniform magnetic field applications of low magnitude and frequency is presented. The compensation system is based on an array of Tri-axial Square Helmholtz (TSH) coils, an array of tri-axial Hall effect sensors and a microcontroller system in order to compensate the small variations of the ambient magnetic fields (magnitudes close to the geomagnetic field between 25 μT and 65 μT) on a volume of interest. The geomagnetic field experimentally obtained of 39.5 μT was compensated, achieving a uniform magnetic field of approximately zero. Finally, the proposed system emerges as a simple alternative for control and compensation of magnetic fields in several applications.

RESUMEN En este trabajo se presenta la implementación de un sistema de compensación simple de campo geomagnético para aplicaciones con campos magnéticos uniformes de baja magnitud y frecuencia. El sistema de compensación está basado en un arreglo tri-axial de bobinas Helmholtz cuadradas, un arreglo tri-axial de sensores de efecto Hall y un sistema microcontrolado con el propósito de compensar pequeñas variaciones del campo magnético ambiente (magnitudes cercanas al campo geomagnético entre 25 μT y 65 μT) sobre un volumen de trabajo. El campo geomagnético obtenido en las pruebas experimentales de 39,5 μT fue compensado, logrando un volumen uniforme con campo magnético aproximadamente igual a cero. Finalmente, el sistema propuesto surge como una alternativa simple para el control y compensación de campo magnético en diversas aplicaciones.

An algorithm for learning sparsifying transforms of multidimensional signals

ABSTRACT Multidimensional signals contain information of an object in more than one dimension, and usually their processing relies on complex methods in comparison with their unidimensional counterparts. In signal processing, finding a sparse representation of a signal is of great importance for compression purposes. Analytical multidimensional bases such as the Fourier, Cosine, or Wavelet Transform have been conventionally used. Recently, the use of learned dictionaries that directly adapt to the given signal are becoming popular in tasks such as image classification, image denoising, spectral unmixing, and medical image reconstruction. This paper presents an algorithm to learn transformation bases for the sparse representation of multidimensional signals. The proposed algorithm alternates between a sparse coding step solved by hard or soft thresholding strategies, and an updating dictionary step solved by a conjugate gradient method. Furthermore, the algorithm is tested using both: two-dimensional and three-dimensional patches, which are compared in terms of the sparsity performance for different types of multidimensional signals such as hyperspectral images, computerized axial tomography images and, magnetic resonance images. The attained results are compared against traditional analytical transforms and the state-of-the-art dictionary learning method: K-SVD.

RESUMEN Las señales multidimensionales contienen información de un objeto en más de una dimensión y, comúnmente, su procesamiento requiere métodos de mayor complejidad que las señales unidimensionales. En procesamiento de señales, la representación escasa de una señal es de gran importancia para fines de compresión. Convencionalmente, transformaciones analíticas como las transformadas de Fourier, Coseno o Wavelet, han sido utilizadas. Recientemente, se ha popularizado el uso de diccionarios entrenados, que se adaptan a una señal dada, en aplicaciones como clasificación de imágenes, eliminación de ruido, separación espectral, y reconstrucción de imágenes médicas. Este artículo presenta un algoritmo para entrenar bases de transformación para representación escasa de señales multidimensionales. El algoritmo propuesto alterna entre una codificación escasa que se resuelve por umbralización, y la actualización del diccionario que se resuelve mediante el método de gradiente conjugado. Además, el artículo incluye una comparación entre parches bidimensionales y tridimensionales en términos del nivel de escasez que ofrecen en diferentes tipos de señales multidimensionales como: imágenes hiperespectrales, imágenes de tomografía computarizada, e imágenes de resonancia magnética. Los resultados obtenidos son comparados contra transformaciones analíticas tradicionales y contra el método de entrenamiento de diccionarios más conocido en el estado del arte: K-SVD.

New methodology for calibration of hydrodynamic models in curved open-channel Flow

ABSTRACT This paper evaluates a new methodology for calibration of hydrodynamic models based on the theory of statistical design of experiments. An Eulerian-Eulerian hydrodynamic homogeneous model, integrated by the commercial software CFX Ansys Inc., is used to perform the numerical experiments. For the screening step, the fractional factorial experimental design 2(7-2) was used, followed by a Draper-Lin design of second order to find the optimum point in the calibration. A new method is introduced to generate the level of points to the center and to carry out the test of lack of fit. In this work, we develop a validated methodology for the calibration of deterministic hydrodynamic models with several factors, suggesting a second-order regression model for forecasting the optimum point of the simulations, with acceptable accuracy in predicting the response variable.

RESUMEN Se propone una nueva metodología para la calibración de modelos hidrodinámicos a partir de la aplicación del diseño estadístico de experimentos. Un modelo hidrodinámico Euleriano-Euleriano homogéneo se usa para realizar los experimentos numéricos, el cual está incorporado en el software comercial CFX de Ansys Inc. En la etapa de calibración se utiliza un diseño factorial fraccionado, 2(7-2), seguido de un diseño Draper-Lin de segundo orden, para encontrar el punto óptimo de la calibración. Se introduce un nuevo método para generar los niveles de los puntos al centro necesarios para la realización de la prueba de falta de ajuste, logrando configurar una metodología validada para la calibración de modelos hidrodinámicos determinísticos con varios factores de entrada. Se logra un modelo de regresión de segundo orden para la predicción del punto óptimo de las simulaciones, con una aceptable precisión en la predicción de la variable de respuesta analizada.

Architectural capability analysis using a model-checking technique

ABSTRACT This paper describes a mathematical approach based on a model-checking technique to analyze capabilities in enterprise architectures developed by using DoDAF and TOGAF architecture frameworks. Such approach base is the requirements’ validation related to the enterprise capabilities by employing operational or business artifacts associated with the dynamic behavior processes. We show how this approach can be used to quantitatively verify if the operational models in an enterprise architecture can achieve the enterprise capabilities by using a case study connected to a capability integration problem.

RESUMEN Este trabajo describe un enfoque matemático basado en una técnica de validación de modelos para analizar capacidades en arquitecturas empresariales construidas utilizando los marcos arquitecturales DoDAF y TOGAF. La base de este enfoque es la validación de requerimientos relacionados con las capacidades empresariales empleando artefactos arquitecturales operacionales o de negocio asociados con el comportamiento dinámico de los procesos. Se muestra cómo este enfoque puede ser utilizado para verificar, de forma cuantitativa, si los modelos operacionales en una arquitectura empresarial pueden satisfacer las capacidades empresariales. Para ello, se utiliza un estudio de caso relacionado con un problema de integración de capacidades.