Revista Facultad de Ingeniería

Effect of copper-enriched layers on localized corrosion of aluminium-copper alloys

Abstract Copper-enriched layers were developed onto aluminum-copper alloys using alkaline etching in sodium hydroxide, for both, sputter deposited and bulk conditions. Enriched alloys were evaluated by potentiodynamic polarization in sodium chloride solution in order to determine the effect of the enriched layers on the pitting potential of the alloys. Rutherford backscattering spectroscopy was employed to quantify the enrichments and their locations just beneath the alumina-based oxides remaining from the etching. For the sputter deposited aluminum-copper alloys, the results show some scattering of the pitting potential data, and no correlation between pitting potential and the alloy enriched layer. In the case of bulk Al-2wt.%Cu alloy, with the copper in solid-solution, the pitting potential increased for the enriched specimens, indicating also a different pit morphology, with respect to the non-enriched alloy.

Resumen Fueron desarrolladas capas de enriquecimiento de cobre mediante ataque alcalino en hidróxido de sodio sobre aleaciones aluminio-cobre. Se usaron aleaciones tanto depositadas por pulverización catódica, como vaciadas convencionalmente. Las aleaciones con las capas de enriquecimiento de cobre fueron estudiadas mediante polarización potenciodinámica en una solución de cloruro de sodio, para poder determinar si existe alguna correlación entre las capas de enriquecimiento de cobre y el potencial de picadura de las aleaciones. Los resultados no son concluyentes en el caso de las aleaciones depositadas por pulverización catódica; sin embargo, en el caso de la aleación en condición de vaciado, con el cobre en solución sólida, el potencial de picadura aumenta por la presencia de la capa de enriquecimiento, mostrando además una morfología diferente.

Resumo Foram desenvolvidas camadas de enriquecimento de cobre mediante ataque alcalino em hidróxido de sódio sobre ligas alumínio-cobre. Usaram-se ligas tanto depositadas por pulverização catódica, como esvaziadas convencionalmente. As ligas com as camadas de enriquecimento de cobre foram estudadas mediante polarização potenciodinâmica em uma solução de cloreto de sódio, para poder determinar se existe alguma correlação entre as camadas de enriquecimento de cobre e o potencial de picadura das ligas. Os resultados não são concluintes no caso das ligas depositadas por pulverização catódica; porém, no caso da liga em condição de esvaziado, com o cobre em solução sólida, o potencial de picadura aumenta pela presença da camada de enriquecimento, mostrando além disso, uma morfologia diferente.

Manufacture of titanium dioxide scaffolds for medical applications

Abstract The skeletal system is vulnerable to injuries and bone loss over the years, making the use of autologous or allogeneic implants necessary. However, these implants have complications, such as the limited amount of bone to be extracted and the cell death at the extraction site; hence, biomaterials have been developed as platforms for cell growth (scaffolds). Biomaterials and bones have similar properties that facilitate the integration between the material and the bone tissue, helping the tissue to regenerate. Traditional ceramic implants are hydroxyapatite, but given their low mechanical properties, they have been replaced with better inert ceramics. Therefore, this study aims at manufacturing titanium dioxide scaffolds through various techniques, using collagen, polyvinyl alcohol (PVA), sodium chloride, and corn flour as binders to influence pore size. Scaffolds were characterized by a Scanning Electron Microscope (SEM) and evaluated by compression and degradability tests in a Simulated Body Fluid (SBF). The prepared scaffolds had mechanical behaviors with ranges within the bone parameters; among them, the scaffold obtained by infiltration with 10% PVA presented values of compression strength (6.75 MPa), elastic modulus (0.23 GPa), and porosities (54-67%) closer to the values of the trabecular bone.

Resumen El Sistema esquelético es vulnerable a lesiones y a perder hueso a lo largo de los años, lo que hace necesario el uso de implantes autólogos o alogénicos; sin embargo, estos implantes tienen complicaciones, como la cantidad limitada de hueso que se extrae y la muerte celular en el sitio de extracción; por lo tanto, se han desarrollado biomateriales como plataformas para el crecimiento celular (scaffolds). Los biomateriales tienen propiedades similares a las del hueso, lo que facilita su integración con el tejido óseo, ayudando a la regeneración de este. Tradicionales los implantes de cerámica son de hidroxiapatitas, pero, debido a sus pobres propiedades mecánicas, han sido reemplazados por cerámicas inertes, que tienen mejores propiedades mecánicas. Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue fabricar scaffolds de dióxido de titanio, por medio de diferentes técnicas, utilizando colágeno, polivinil alcohol (PVA), cloruro de sodio y harina de maíz como aglutinante para influenciar el tamaño del poro. Los scaffolds se caracterizaron por medio de microscopía electrónica de barrido (SEM) y se evaluaron con pruebas de compresión y degradabilidad en un fluido corporal simulado (SBF). Los scaffolds elaborados presentaron comportamientos mecánicos que están entre el rango normal del hueso; el scaffold obtenido por medio de infiltración, con 10 % de PVA, presentó valores de fuerza de compresión (6.75 MPa), módulos elásticos (0.23 GPa) y porosidad (54-67 %) cercanos a aquellos reportados para el hueso trabecular.

Resumo O Sistema esquelético é vulnerável a lesões e a perder osso ao longo dos anos, o que faz necessário o uso de implantes autólogos ou alogênicos; porém, estes implantes têm complicações, como a quantidade limitada de osso que se extrai e a morte celular no lugar de extração; portanto, têm sido desenvolvidos biomateriais como plataformas para o crescimento celular (scaffolds). Os biomateriais têm propriedades similares às do osso, o que facilita sua integração com o tecido ósseo, ajudando à regeneração do mesmo. Tradicionais os implantes de cerâmica são de hidroxiapatitas, mas, devido a suas pobres propriedades mecânicas, têm sido substituídos por cerâmicas inertes, que têm melhores propriedades mecânicas. Portanto, o objetivo deste estudo foi fabricar scaffolds de dióxido de titânio, por meio de diferentes técnicas, utilizando colágeno, polivinil álcool (PVA), cloreto de sódio e farinha de milho como aglutinante para influenciar o tamanho do poro. Os scaffolds caracterizaram-se por meio de microscopia eletrônica de varredura (SEM) e avaliaram-se com provas de compressão e degradabilidade em um fluído corporal simulado (SBF). Os scaffolds elaborados apresentaram comportamentos mecânicos que estão entre a faixa normal do osso; o scaffold obtido por meio de infiltração, com 10% de PVA, apresentou valores de força de compressão (6.75 MPa), módulos elásticos (0.23 GPa) e porosidade (54-67%) próximos a aqueles reportados para o osso trabecular.

Implementation of on electromagnetic system For controlling resistance and speed in indoor cycling

Abstract Advances in knowledge and technology in various fields of human life and, particularly, in sports have resulted in innovative systems for professional sportsmen training. Here, we designed an electromagnetic system for practicing indoor cycling; this system can precisely simulate on the track the ascents and descents that allow the users to feel like they are training outdoors. Furthermore, this system connects to a web application that allows access from any mobile device to predefine the training routines and thus improve the user experience.

Resumen Los avances en el conocimiento y la tecnología en diferentes campos de la vida humana, y en especial en el área de los deportes, han llevado a que se implementen sistemas innovadores para el entrenamiento de deportistas profesionales. En este trabajo se diseñó un sistema electromagnético para la práctica de ciclismo bajo techo, el cual, en la pista, puede simular con precisión los ascensos y descensos que le permiten al usuario experimentar una sensación similar a la de entrenar al aire libre. Además, este sistema se conecta a una aplicación web que permite el acceso desde cualquier dispositivo móvil para predefinir las rutinas de entrenamiento y así mejorar la experiencia del usuario.

Resumo Os avanços no conhecimento e na tecnologia em diferentes campos da vida humana, e em especial na área dos esportes, têm levado à implementação de sistemas inovadores para o treinamento de esportistas profissionais. Neste trabalho desenhou-se um sistema eletromagnético para a prática de ciclismo em lugares fechados, o qual, na pista, pode simular com precisão as subidas e descidas que permitem ao usuário experimentar uma sensação similar à de treinar ao ar livre. Além disso, este sistema se conecta a uma aplicação web que permite o acesso desde qualquer dispositivo móvel para predefinir as rotinas de treinamento e assim melhorar a experiência do usuário.

Night air conditioning of buildings by external air ventilation

Abstract Buildings contain the environment in which almost all human activities take place, and therefore, nowadays, they represent a great sink of energy. Establishing thermal comfort conditions within these buildings is responsible for a large portion of their energy demand. This paper aims at providing a theoretical framework of the performance and the trends in research and implementation of night air conditioning by outside air ventilation. The bibliographic search was conducted in the academic directory Scopus, and the information extracted was processed in the VOSviewer software, through which text mining, map of terms and networks of investigative action were carried out. The literature showed that direct ventilation has a more significant cooling potential in regions characterized by a high difference between day and night air temperatures. The effectiveness of night cooling and the reliable prediction of thermal behavior are strongly related to the model adopted for the convection algorithm. A reliable prediction of heat transfer by convection requires an approach based on computational simulations of fluid dynamics, which are much more demanding in terms of computational power, compared to simulations of the variation of energy flows as a function of time. Most studies showed that the position of the thermal mass is not significant, while the amount of ventilation air is of great importance. In particular, the energy demand for cooling a building decreases sharply if the air flow rates increase.

Resumen Los edificios contienen el entorno en el cual se desarrollan casi la totalidad de las actividades humanas; por ende, estas construcciones representan hoy un gran sumidero de energía. El establecimiento de las condiciones de confort térmico dentro de estos inmuebles es responsable de gran parte de su demanda energética. Ofrecer un marco teórico del desempeño y las tendencias en las investigaciones e implementaciones de la climatización nocturna de edificaciones por ventilación de aire exterior es el objetivo de este trabajo. La contribución se sostiene en una revisión bibliográfica realizada en el directorio académico Scopus. La información extraída de dicho catalogo fue procesada en el software VOSviewer, mediante el cual se realizó la minería de texto, el mapa de términos y las redes de acción investigativa. La ventilación directa tiene un potencial de enfriamiento más significativo en regiones que se caracterizan por una elevada diferencia entre el valor de la temperatura del aire en el día y el de la noche. La efectividad del enfriamiento nocturno y la predicción confiable del comportamiento térmico están fuertemente relacionadas con el modelo adoptado para el algoritmo de convección. Una predicción fiable de la transferencia de calor por convección requiere un enfoque basado en el uso de simulaciones computacionales de dinámica de fluidos, que son mucho más demandantes desde el punto de vista computacional, frente a simulaciones de variaciones de flujos de energía en función del tiempo. En la mayoría de las investigaciones la posición de la masa térmica es poco significativa, mientras que se le da mayor importancia a la cantidad de aire de ventilación. En particular, la demanda de energía para la refrigeración del edificio disminuye fuertemente si las tasas de flujo de aire aumentan.

Resumo Os edifícios contêm o ambiente no qual se desenvolvem quase a totalidade das atividades humanas; consequentemente, estas construções representam hoje um grande sumidouro de energia. O estabelecimento das condições de conforto térmico dentro destes imóveis é responsável de grande parte de sua demanda energética. Oferecer um marco teórico do desempenho e das tendências nas pesquisas e implementações da climatização noturna de edificações por ventilação de ar exterior é o objetivo deste trabalho. A contribuição sustém-se em uma revisão bibliográfica realizada no diretório acadêmico Scopus. A informação extraída deste catálogo foi processada no software VOSviewer, mediante o qual realizou-se a mineração de texto, o mapa de termos e as redes de ação de pesquisa. A ventilação direta tem um potencial de esfriamento mais significativo em regiões que se caracterizam por uma elevada diferença entre o valor da temperatura do ar de dia e de noite. A efetividade do esfriamento noturno e a predição confiável do comportamento térmico estão fortemente relacionadas com o modelo adotado para o algoritmo de convecção. Uma predição fiável da transferência de calor por convecção requer um enfoque baseado no uso de simulações computacionais de dinâmica de fluídos, que são muito mais demandantes desde o ponto de vista computacional, frente a simulações de variações de fluxos de energia em função do tempo. Na maioria das pesquisas a posição da massa térmica é pouco significativa, enquanto que é dada maior importância à quantidade de ar de ventilação. Em particular, a demanda de energia para a refrigeração do edifício diminui fortemente se as taxas de fluxo de ar aumentam.

Degradation, mater uptake, injectability and mechanical strength of injectable bone substitutes composed of silk fibroin and hydroxyapatite nanorods

Abstract Injectable bone substitutes are generally composite materials capable of being extruded through a device; they consist of a solid phase inside a matrix that allows the easy movement of particles. Injectable bone substitutes have the advantage of allowing its application in situ without the need of invasive surgical techniques, guaranteeing a good recovery; for this reason, they are a promising alternative to replace conventional techniques to repair bone defects. Conventional techniques include the use of allografts and autografts, which often cause adverse reactions, and are disadvantageous for both the patient and the doctor. Furthermore, there are no reports regarding bone substitute development in Colombia, creating the necessity to research composite materials that could become injectable bone substitutes. In this study, we manufactured injectable bone substitutes with hydroxyapatite and calcium phosphate, which is most similar to bone tissue, and synthesized them in nanorods with shape and size similar to the natural hydroxyapatite found inside the body. Additionally, we used extracted silk fibroin from silkworm cocoons of Bombyx mori, a natural polymer of protein nature with high mechanical properties and excellent biocompatibility. For the materials manufactured, we evaluated degradation, in a simulated body fluid (SBF) at normal body temperature, water uptake, injectability and mechanical strength. The manufactured bone substitutes showed good degradation and water uptake properties, an approximate 97% injectability, and low mechanical resistance, indicating promising properties to be used as an injectable bone substitute.

Resumen Los sustitutos óseos inyectables son materiales compuestos que tienen la propiedad de dejarse extruir a través de un dispositivo; constan de una fase solida inmersa en una matriz que permite el fácil movimiento del componente sólido, y tienen como ventaja permitir su aplicación in situ sin necesidad de recurrir a técnicas quirúrgicas invasivas, garantizando una buena recuperación; razón por la que son considerados una buena alternativa para reemplazar las técnicas convencionales para la reparación de defectos óseos, las cuales incluyen, principalmente, el uso de aloinjertos y autoinjertos, que generan una serie de reacciones adversas y tienen desventajas tanto para el médico como para el paciente. En Colombia no se encuentran reportes acerca del desarrollo de sustitutos óseos; esto genera la necesidad de investigar un material compuesto que tenga potencial aplicación como sustituto óseo inyectable. En la presente investigación se fabricaron sustitutos óseos de hidroxiapatita -fosfato de calcio que mayor similitud presenta con el tejido óseo-, sintetizada en nanobarras, con tamaño y forma similar a como se dispone naturalmente en el hueso; y la fibroína de seda extraída de los capullos del gusano Bombyx mori, como polímero natural de naturaleza proteica con altas propiedades mecánicas y excelente biocompatibilidad. Los materiales fabricados se caracterizaron por degradación en solución fisiológica a temperatura corporal, absorción de agua, inyectabilidad y resistencia mecánica. Los sustitutos óseos fabricados presentaron buenas propiedades de degradación y absorción, una inyectabilidad aproximada del 97 % y baja resistencia mecánica, mostrando propiedades promisorias para usarse como sustituto óseo inyectable.

Resumo Os substitutos ósseos injetáveis são materiais compostos que têm a propriedade de deixar-se extruir através de um dispositivo; constam de uma fase sólida imersa em uma matriz que permite o fácil movimento do componente sólido, e têm como vantagem permitir sua aplicação in situ sem necessidade de recorrer a técnicas cirúrgicas invasivas, garantindo uma boa recuperação; razão pela qual são considerados uma boa alternativa para substituir as técnicas convencionais para a reparação de defeitos ósseos, as quais incluem, principalmente, o uso de aloenxertos e autoenxertos, que geram uma série de reações adversas e têm desvantagens tanto para o médico como para o paciente. Na Colômbia não se encontram relatos acerca do desenvolvimento de substitutos ósseos; isto gera a necessidade de pesquisar um material composto que tenha potencial aplicação como substituto ósseo injetável. Na presente pesquisa fabricaram-se substitutos ósseos de hidroxiapatita -fosfato de cálcio que maior semelhança apresenta com o tecido ósseo-, sintetizada em nanobarras, com tamanho e forma similar àquela que se dispõe naturalmente no osso; e a fibroína de seda extraída dos casulos do bicho da seda Bombyx mori, como polímero natural de natureza proteica com altas propriedades mecânicas e excelente biocompatibilidade. Os materiais fabricados caracterizaram-se por degradação em solução fisiológica à temperatura corporal, absorção de água, injetabilidade e resistência mecânica. Os substitutos ósseos fabricados apresentaram boas propriedades de degradação e absorção, uma injetabilidade aproximada de 97% e baixa resistência mecânica, mostrando propriedades promissoras para usar-se como substituto ósseo injetável.

Morphology, mechanical strength and degradation of polyhydroxyalkanoate scaffolds

Abstract Tissue engineering (TE) seeks to improve the unsatisfactory development of implants and medical procedures to solve bone and cartilage injuries. TE aims at regenerating tissues using cell growth platforms (scaffolds), which may consist of natural polymers such as polyhydroxyalkanoate (PHA). PHA is an innovative material useful in medical applications due to its degradation capability and bacterial origin that allows large-scale production and control final properties. In this research, we developed commercial PHA scaffolds using the lyophilization technique with a factorial experimental design. We used dichloromethane as PHA solvent, tergitol as surfactant, and liquid nitrogen (N2) for the freezing process. We characterized the PHA by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and thermogravimetric analysis (TGA); and the scaffolds by scanning electron microscopy (SEM) and mechanical compression and hydrolysis degradation tests. The characterization of the PHA indicated that the material is a mixture of PHA and polylactic acid (PLA). The results showed a suitable pore distribution for migration of chondrocytes through the scaffold, in addition to a behavior similar to that of the articular cartilage, although it presented lower mechanical strength. Also, the scaffolds displayed mass loss in a non-linear way related to the percentage of PHA present in the sample. In conclusion, PHA scaffolds have a potential use in tissue engineering for restoring articular cartilage.

Resumen Actualmente, el desarrollo de implantes o procedimientos médicos para resolver lesiones óseas o cartilaginosas no cumple satisfactoriamente con los requerimientos funcionales del tejido afectado; una solución alternativa es el uso de la ingeniería de tejidos (IT), que busca regenerar el tejido con plataformas de crecimiento celular fabricadas, por ejemplo, con polímeros naturales, como el polihidroxialcanoato (PHA), que permite la reconstrucción del tejido gracias a su capacidad de degradación, y cuyo origen bacteriano permite la producción a gran escala y el control de las propiedades finales. En este proyecto se desarrollaron scaffolds de PHA comercial, mediante la técnica de liofilización, con un diseño experimental factorial, utilizando diclorometano como solvente, Tergitol como surfactante y nitrógeno líquido (N2) como congelante. El PHA se caracterizó con espectroscopia de infrarrojo (FTIR) y análisis termogravimétrico (TGA). Los scaffolds obtenidos se caracterizaron con microscopia electrónica de barrido (SEM), ensayos mecánicos de compresión y ensayos de degradación hidrolítica. Los análisis sobre el PHA indicaron que el material es una mezcla de dicho polímero y ácido poliláctico (PLA). Los scaffolds mostraron una distribución de poros adecuada para la migración de condrocitos a través de ellos y presentaron un comportamiento similar al cartílago articular, pero una menor resistencia mecánica; también se encontró que la pérdida de masa está relacionada con el porcentaje de PHA presente en la muestra de una forma no lineal. En conclusión, los scaffolds de PHA tienen un potencial uso en la ingeniería de tejidos para la restauración de cartílago articular.

Resumo Atualmente, o desenvolvimento de implantes ou procedimentos médicos para resolver lesões ósseas ou cartilaginosas não cumpre satisfatoriamente com os requerimentos funcionais do tecido afetado; uma solução alternativa é o uso da engenharia de tecidos (IT), que busca regenerar o tecido com plataformas de crescimento celular fabricadas, por exemplo, com polímeros naturais, como o polihidroxialcanoato (PHA), que permite a reconstrução do tecido graças a sua capacidade de degradação, e cuja origem bacteriana permite a produção a grande escala e o controle das propriedades finais. Neste projeto desenvolveram-se scaffolds de PHA comercial, mediante a técnica de liofilização, com um desenho experimental fatorial, utilizando diclorometano como solvente, Tergitol como surfactante e nitrogênio líquido (N2) como congelante. O PHA caracterizou-se com espectroscopia de infravermelho (FTIR) e análise termogravimétrica (TGA). Os scaffolds obtidos caracterizaram-se com microscopia eletrônica de varredura (SEM), ensaios mecânicos de compressão e ensaios de degradação hidrolítica. As análises sobre o PHA indicaram que o material é uma mistura deste polímero e ácido poliláctico (PLA). Os scaffolds mostraram uma distribuição de poros adequada para a migração de condrócitos através deles e apresentaram um comportamento similar à cartilagem articular, mas uma menor resistência mecânica; também se encontrou que a perda de massa está relacionada com a porcentagem de PHA presente na amostra de uma forma não lineal. Em conclusão, os scaffolds de PHA têm um potencial uso na engenharia de tecidos para a restauração de cartilagem articular.

Design of longitudinal Finned tubes adjusted with the Cesàro curve

Abstract This paper proposes a process of higher heat transfer efficiency, through a fractal design over Cesaro curve as an extend surface for an exchange tube. Our designs yielded better results applying finite element analysis compared with the smooth surface commonly used in the industry. This new adaptation can be oriented toward applications involving gases and viscous liquids, for devices such as motors, boilers and dissipaters, among others.

Resumen Este artículo propone un proceso de transferencia de calor altamente eficiente a través del diseño fractal a partir de la curva de Cesàro de tubos de intercambio con superficie extendida. Aplicando análisis de elementos finitos, nuestros diseños arrojaron mejores resultados comparados con los tubos de superficie lisa, comúnmente utilizados en la industria. Esta nueva adaptación puede ser orientada a aplicaciones que involucren gases y líquidos viscosos, en máquinas como motores, calderas y disipadores, entre otros.

Resumo Este artigo propõe um processo de transferência de calor altamente eficiente através do desenho fractal a partir da curva de Cesàro de tubos de intercâmbio com superfície estendida. Aplicando análise de elementos finitos, nossos desenhos produziram melhores resultados comparados com os tubos de superfície lisa, comumente utilizados na indústria. Esta nova adaptação pode ser orientada a aplicações que envolvem gases e líquidos viscosos, em máquinas como motores, caldeiras e dissipadores, entre outros.

Mathematical software tools For teaching of complex numbers

Abstract This article proposes a method for teaching complex numbers and their corresponding operations using mathematical software tools. Initially, the document introduces MATLAB, a paid software, and GeoGebra, a free software. Subsequently, the paper explains the procedure to define the representations of the basic (addition, difference, multiplication and division) and complementary (module and conjugate, roots and polar form) operations of the numerical system of complex numbers, using the two tools and a series of proposed exercises. Finally, the paper highlights the evidenced qualities during the development of the exercises and their transcendence in teaching and learning.

Resumen El artículo propone un método para enseñar los números complejos y sus correspondientes operaciones mediante herramientas de software matemático. Inicialmente se presentan las herramientas MATLAB, cuya licencia es de pago, y GeoGebra, que es un software libre. En la segunda parte se explica el procedimiento para definir las representaciones de las operaciones básicas (adición, diferencia, multiplicación y división) y complementarias (módulo y conjugado, raíces, forma polar) del sistema numérico de los números complejos, usando cada una de las dos herramientas y utilizando una serie de ejercicios propuestos. Finalmente, se diferencian las cualidades evidenciadas durante el desarrollo de los ejercicios y su trascendencia en la enseñanza y aprendizaje.

Resumo O artigo propõe um método para ensinar os números complexos e suas correspondentes operações mediante ferramentas de software matemático. Inicialmente apresentam-se as ferramentas MATLAB, cuja licença é paga, e GeoGebra, que é um software livre. Na segunda parte explica-se o procedimento para definir as representações das operações básicas (adição, subtração, multiplicação e divisão) e complementárias (módulo e conjugado, raízes, forma polar) do sistema numérico dos números complexos, usando cada uma das duas ferramentas e utilizando uma série de exercícios propostos. Finalmente, diferenciam-se as qualidades evidenciadas durante o desenvolvimento dos exercícios e sua transcendência no ensino e aprendizagem.