1. Estudiantes: Ronald Farith Bermúdez Lozada
Edwin Alexis López Covaleda
Giovanny Andrés Vergara Lozano
Director: Ing. John Jairo Olaya Flores
Máquina para Ensayos de Microabrasión
Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Línea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico
XXIV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS

2. ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN
En la actualidad la caracterización de los recubrimientos duros es realizada de manera lenta y
costosa, lo cual lo hace inviable económicamente para algunas entidades de carácter investigativo
como la universidad, además con la instrumentación actual no es posible conocer el coeficiente de
abrasión del recubrimiento, así como el espesor.
La máquina para ensayos de microabrasión proporciona además de los parámetros necesarios para
calcular el coeficiente de abrasión, la información necesaria para determinar el espesor de capa
depositada a través del tamaño de la huella dejado sobre el material ensayado.
FINANCIADOR: Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá
VALOR DEL PROYECTO: $4’000.000
TIEMPO DE DESARROLLO: Cuatro meses (periodo 2009-I)

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
EFECTOS
No se conoce el coeficiente de
abrasión
No se conoce el espesor de
capa depositado
No hay retroalimentación del
proceso de recubrimiento
PROBLEMA
Imposibilidad para caracterizar completamente las deposiciones de material en procesos de
recubrimiento.
CAUSAS
No se dispone de un equipo para ensayos de microabrasión para caracterizar espesor y
coeficiente de abrasión

4. REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE
Cliente: Grupo de investigación Colciencias “Análisis de falla e integridad estructural”
Requerimientos
Determinar el espesor de capa depositada (T) o la información necesaria para
determinarlo.
Hallar el coeficiente de abrasión ( o brindar la información necesaria para calcularlo.
Generar una huella clara en el material en la que se pueda medir su diámetro (b) en un
analizador de imágenes para así calcular el volumen de capa depositada.
Aplicar material abrasivo al ensayo en solución acuosa de granulometría 1 micrómetro.
Aplicar una fuerza entre la esfera y el recubrimiento (N) comprendida en el rango de 0,5
hasta 5 newton.

5. REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE
Controlar la duración del ensayo (t) entre 10 y 600 segundos
Control de la velocidad de rotación de la esfera abrasiva entre 10 y 500 RPM
Sujeción estable, segura y sencilla de las probetas para permitir fácil montaje y
desmontaje, horizontalidad de la probeta para permitir la realización de una buena huella
y un buen agarre de la probeta para evitar que se suelte la probeta bajo la acción del
abrasivo.
Las probetas en su mayoría son platinas cuadradas de 1.5cm de lado y 0.5mm de
espesor.
Seguridad para el operario.
Electrocución.
Heridas por partes móviles de la maquina.
Contacto de la solución de abrasivo con ojos por salpicadura.

6. ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA (BENCHMARKING)
La técnica de ensayo bola sobre cráter fue desarrollada a inicios de la década de los
noventa por I.M. Hutchings y K.L. Rutherford, investigadores de la universidad de
Cambridge, de modo tal que los desarrollos son resientes y en su mayoría son
realizados por ellos sus alumnos y colaboradores, de la misma forma los fabricantes
de equipos de ensayo son de relativamente nuevos en el mercado, a continuación se
muestra una tabla con una cotización de “Teer Coatings” para esta máquina por valor
de 3100 libras esterlinas que al cambio de hoy corresponde aproximadamente a
11 000.000 de pesos colombianos

7. DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL
Maquina de
microabrasión
Estructura
Frecuancia natural
superior a 8.33 Hz (
1000 RPM )
Resistencia a fatiga Resistencia estática Resistencia a corrosion Instación
Plataforma demarcada
en el laboratorio
(h=1,30m)
Area Util 0,28 m^2 (0,7
m x 0,4 m)
Abrasión
Sistemas de control y
sensores

8. DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL
Maquina de
microabrasión
Estructura Abrasión
Carga
(0,5 - 5 N)
Aplicar carga
constante todo el
ensayo
Perpendicular al
sustrato
Abrasivo
(400 ml)
Suministro
constante,
controlado y
eficiente
Suspensión acuosa
de granulometría 1
micrómetro
Recolección y
luego Reutilización
Aplicación durante
el ensayo
Sistema Motriz
Motor
Parámetros de
operación variables
Sistema de
seguridad contra
sobrecarga
Sistema de
ventilación
alineado con el eje
de rotación
Árbol
(10 - 1000 rpm)
Transmisión
(Rotación
constante durante
el ensayo)
Esfera
(d=1 in)
Material, acero tipo
D (dureza superior
a 60 HRC)
Acabado
superficial a espejo
Sujeción
desmontable al
árbol de potencia
Concéntrica al
árbol sin
deslizamiento
Centro alineado a
la línea de acción
de la fuerza y el
centro de la probeta
Sistema de sujeción
de la probeta
Línea de acción de
la carga
perpendicular a la
superficie
recubierta
Estable y firme
Simple y rápida
Adaptable a
diferentes
geometrías de
probetas
Permitir contacto
con esfera y
abrasivo
Sistemas de control
y sensores

9. DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL
Maquina de
microabrasión
Estructura Abrasión
Sistemas de control
y sensores
Control
Velocidad rotación
(Variador de
frecuencia)
Carga aplicada
constante
Sistema de
ventilación del
motor
Sensores
Intervalo de
medición según
diseño
Carga aplicada
PIC
Tiempo total
(10 - 600 seg.)
Rotación de la
esfera

10. GENERACIÓN DEL CONCEPTO
Estructura: requiere la aplicación de conceptos de ingeniería que aseguren su
integridad en el tiempo y en servicio, estabilidad para un correcto desarrollo del
ensayo y así mismo obtención de resultados confiables y reproducibles; además la
estructura deberá tener en cuenta conceptos de ergonomía como la estatura de los
usuarios, para que su operación sea cómoda y segura.
Abrasión: es claro que la función principal de la maquina es provocar desgaste
abrasivo, y que para ello se valdrá de numerosos sistemas que actúan al mismo
tiempo y casi todos que en mismo lugar (exceptuando el motor), por lo que será
muy importante a la hora de realizar diseños preliminares y definitivos tener en
cuenta la cooperación entre sistemas, el tamaño, geometría, grados de libertad y
movilidad.

11. GENERACIÓN DEL CONCEPTO
Sistemas de control y sensores: estas funciones son el complemento a las funciones
descritas en el anterior punto, pues se hace necesario tener control sobre el ensayo
con el fin de obtener resultados tan confiables como sea posible, para realizar el
control de la maquina se hace necesario adquirir datos y analizarlos, por ello se
separan las funciones de sensores y control.

12. DESARROLLO DE LA IDEA
A partir de la realización del diagrama de descomposición funcional y teniendo en
cuenta análisis realizados antes, se realizaron diversas combinaciones entre las
soluciones propuestas y con el fin de obtener del ensayo los mejores datos posibles se
decidió que todas las alternativas tendrían:
La fuente motriz será un motor eléctrico que satisfaga las necesidades de torque y
potencia requeridas
Transmisión de potencia desde la fuente motriz hasta la esfera sin mediación de
correas y/o cadenas, fuentes de vibraciones y desbalanceos, para ello existirá un
árbol directo que conducirá la potencia hasta la esfera.
Con el fin de controlar la velocidad de rotación el motor eléctrico se empleara un
variador de frecuencia.

13. DESARROLLO DE LA IDEA
Por otra parte y teniendo como visión obtener los mejores datos del ensayo se
decidió que para establecer la distancia recorrida por la esfera se implementara un
encoder.
Por lo anterior se hace necesario establecer un sistema electrónico de conteo de
pulsos, para tal fin se decidió (luego de debatir acerca de implementación de un
sistema simple o uno complejo) implementar un sistema de conteo y control del
tiempo integrados en un microcontrolador, esta opción a pesar de ser compleja
reduce el tamaño del sistema, en contraposición con la alternativa simple que
involucra numerosos integrados y cableado, y por tanto un mayor tamaño.
En cuanto a el modo de censar la carga se decidió implementar una celda de carga,
pues se hace necesario corroborar los cálculos de carga aplicada con el fin de lograr
resultados confiables.

14. DESARROLLO DE LA IDEA
Por último en lo referente a la manera de suministrar el abrasivo en la zona de
contacto se decidió que la implementación de una bomba sería negativo, pues
estaría en un ambiente abrasivo y las fugas aparecerían al poco tiempo de
operación, por lo que se estableció que las alternativas tendrán depósitos de fluido
que serán llevados y recolectados de manera manual.

15. PRESENTACIÓN DE LAALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y
JUSTIFICACIÓN
Se presenta a continuación la tabla que sirvió de base para la selección, comparación y
contraste de las alternativas, lo que nos permitió seleccionar la alternativa de diseño y
establecer generalidades para su posterior diseño.

16. PRESENTACIÓN DE LAALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y
JUSTIFICACIÓN
SISTEMA ALTERNATIVAS PROS CONTRAS OBSERV.
Carga
Hidráulico
Equipos adicionales
cargas altas
Costos
Neumático
Fabricación rápida
control de presión
320 N -2M
min d=1in
Importación
Pesas
Bajo costo,
Rápida fabricación
poco control y estabilidad
posicionamiento y manipulación
requiere calibración
Poco control
Fluido
No contamina al
emplearse agua
control de fluido,
equipos adicionales,
control caudal,
costos
Costos
Electromagnético Buen control
no existe en el mercado
diseño de partes y controles sin
referencias
Diseño
Deformación de
un material
Simple construcción
bajo costo
constante de resorte variable Conocimiento del E
Motriz
Eléctrico AC Trifásico
Conexión simple y
rápida
depende de los requerimientos y
disponibilidad en el país
altos voltajes
control mediante variador de frecuencia
potencia aprox. 0,5 hp
Eléctrico AC
Monofásico
Conexión simple y
rápida
depende de los requerimientos y
disponibilidad en el país
altos voltajes
control mediante variador de frecuencia
potencia aprox. 0,5 hp

17. PRESENTACIÓN DE LAALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y
JUSTIFICACIÓN
SISTEMA ALTERNATIVAS PROS CONTRAS OBSERV.
Motriz
Eléctrico DC
Control electrónico más
económico
Elementos adicionales Fuente alimentación
DC Paso a paso
Buen control y
posibilidad para
mediciones sin equipo
adicional
Control electrónico más
económico
Elementos adicionales Programación
DC Servomotor
Muy buen control y
disponibilidad para
mediciones sin equipo
adicional
requiere altos conocimientos de
programación
costo
Costo
Combustión interna
alto torque
requiere refrigeración
combustible costos
requiere mayor mantenimiento
mayores niveles de vibración y ruido
Espacio y alimentación
Transmisión Arboles acople directo
Fácil instalación
Adaptable a las
necesidades del equipo
Mayor tiempo de
servicio
tiempo de manufactura Menos elementos

18. PRESENTACIÓN DE LAALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y
JUSTIFICACIÓN
SISTEMA ALTERNATIVAS PROS CONTRAS OBSERV.
Transmisión
Cadenas y correas Están estandarizadas
requiere amplias geometrías y espacio
produce ruido
produce vibración
pérdidas importantes de potencia
requiere elementos adicionales
Ruido
Abrasivo
Diamante Disponibilidad Costo
Alúmina Disponibilidad Costo
Suministro de
abrasivo
Inmersión en una
piscina
no requiere control
hay precipitación,
degradación
Desperdicio y perdida
de abrasivo
Bomba automatización
poca eficiencia en el uso, perdidas por
salpicadura
requiere sistema de control
desgaste por el abrasivo
costos adicionales
consumo adicional de energía
Daño prematuro de la
bomba
Goteo
mas económica
requiere poco
mantenimiento
fácil instalación
fácil control
recirculación manual Facilidad de aplicación
Esfera
D3 Disponibilidad Costo ↑ resistencia a abrasión
D6 Disponibilidad Costo ↑ resistencia a abrasión
Fundición Menor costo Procesamiento y manufactura ↓ resistencia a abrasión

19. PRESENTACIÓN DE LAALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y
JUSTIFICACIÓN
SISTEMA ALTERNATIVAS PROS CONTRAS OBSERV.
Sistema de
sujeción de la
probeta
Prisionero
simple rápida y manual
Mas económica
poco mantenimiento
sujeción de cualquier
tipo de material
sujeción dependiente del operario,
poco estable,
desgaste en el tiempo,
concentración de esfuerzos, requiere
gran espesor de la probeta
Poco control
Magnético
Fuerza de sujeción
controlable
Mayor costo
requiere sistema de control
fuerza de sujeción unidireccional
consumo adicional de energía
imposibilidad para sujetar probetas con
sustratos no magnéticos
puede causar daños a la probeta al
atraer virutas producto del desgaste
Mas costo
Prensa neumática
sujeción firme
fuerza constante
rápida sujeción
sujeción de cualquier
tipo de material
requiere sistema de control
requiere elementos adicionales
Costos adicionales
Prensa mecánica
sujeción firme
fuerza constante
sujeción de cualquier
tipo de material
difícil montaje
mas piezas
Costos adicionales
Sandwich
sujeción firme
fuerza constante
sujeción de cualquier
tipo de material
Manufactura Elementos adicionales

20. PRESENTACIÓN DE LAALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y
JUSTIFICACIÓN
SISTEMA ALTERNATIVAS PROS CONTRAS OBSERV.
Sistema de
sujeción de la
probeta
Manual bajo costo
Tiempo de manufactura
Poca precisión y exactitud
Simple
Control tiempo Timer
mayor precisión y
exactitud
Mayor costo
Conexiones
adicionales
Control rotación
Reductor
Ruido, Mantenimiento,
Fuente de vibración,
Tamaño,
Requiere árbol adicional
Ruido
Variador de frecuencia
Disponibilidad
Mejor y mayor control
Costos adicionales
Equipos adicionales
Programación
Engranes
Manufactura
Desgaste en el tiempo
Mantenimiento
Ruido
Correas Están estandarizadas
poco control y estabilidad
Ruido,
Mantenimiento,
Fuente de vibración,
requiere árbol adicional
Vibraciones
Cadenas Están estandarizadas
Ruido,
Mantenimiento,
Fuente de vibración,
requiere árbol adicional
Vibraciones

21. PRESENTACIÓN DE LAALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y
JUSTIFICACIÓN
SISTEMA ALTERNATIVAS PROS CONTRAS OBSERV.
Control Carga
Caudal en sistema
neumáticos
Carga constante
Equipos adicionales
Mayor costo
Lectura manómetro
Sistemas de contrapesos Mas económico
requiere calibración
Cargas discretas
Mecanizado
desgaste en el tiempo
Almacenamiento pesos
Tornillo que presiona
Carga continua y
contante
Económico
No equipo adicional
mayor control de carga
Mecanizado
desgaste en el tiempo
No es preciso
Paso fino para tener
buen control
Corriente en las bobinas Mejor control
Equipos adicionales
Costos adicionales
Elaboración sistema
Conexiones
adicionales
Sensor Velocidad
Encoder
Precisión
Alta Resolución
Disposición
Mayor costo
Conexión a sistema de
control
Contador de vueltas
digital
Programación ajustable
requiere elementos adicionales
equipos adicionales
Conexión a sistema de
control
Contador análogo
Menor costo
Fácil Mantenimiento
Desgaste
Conexión a sistema de
control

22. PRESENTACIÓN DE LAALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y
JUSTIFICACIÓN
SISTEMA ALTERNATIVAS PROS CONTRAS OBSERV.
Sensor de Carga
Celda de carga Sensibilidad
Resultados indirectos
costos adicionales
equipos adicionales
Alta resolución
Dinamómetro análogo
Menor costo
Fácil lectura
Desgaste Baja resolución
Dinamómetro digital
Mayor costo
equipos adicionales
Para laboratorio

23. GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL PRODUCTO
Una ves completado el proceso de diseño y construcción se procede a evaluar el mismo
mediante los objetivos propuestos y el cumplimiento de los requerimientos del cliente,
se presenta la siguiente tabla con los puntos de evaluación:
Conjunto Criterio
Revisión
Comentarios
Pasa No pasa
Estructura
Frecuencia natural superior a 8.33 Hz ( 1000 RPM ) X No presenta resonancia
Resistencia a fatiga X
Resistencia estática X
No presento problemas en el
ensamble
Resistencia a corrosión X Pintura anticorrosiva
Instalación X Simple y rápida
Plataforma demarcada en el laboratorio (h=1,30m) X
No hay espacio definido
(logística)

24. GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL PRODUCTO
Conjunto Criterio
Revisión
Comentarios
Pasa No pasa
Abrasión
Carga
Aplicar carga (Entre 0.5 y
5 N) constante todo el
ensayo
X
Diámetro interno del actuador
neumático de 8mm que
permite presión entre 1.3 y 13
Psi
Perpendicular al sustrato X
Geometría mordaza y
posicionamiento de
elementos en la estructura
Esfera
Material, acero tipo D
(dureza superior a 60
HRC)
X
Estado de mecanizado
recosido y posterior temple y
revenido
Acabado superficial a
espejo
X
Mecanizado y pulido de
calidad
Sujeción desmontable al
árbol de potencia
X Esfera con rosca izquierda
Concéntrica al árbol sin
deslizamiento
X
Mecanizado primero agujero
y luego esfera
Centro alineado a la línea
de acción de la fuerza y el
centro de la probeta
X
Se debe asegurar la posición
de la estructura y
componentes en ella así
como alineación eje
chumaceras

25. GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL PRODUCTO
Conjunto Criterio
Revisión
Comentarios
Pasa No pasa
Abrasión
Abrasivo
Suministro constante,
controlado y eficiente
X
Deposito de 400ml para 10
minutos con válvula para
goteo, manguera que deposita
las gotas sobre la esfera que
gira hacia el sustrato
Suspensión acuosa de
granulometría 1
micrómetro
X
Preparación previa dispuesta
en depósito superior de
abrasivo
Reutilización X
Colector y deposito de
abrasivo utilizado
Aplicación durante el
ensayo
X
Capacidad del depósito 400
ml suficiente para 10 minutos
SistemaMotriz
Transmisión (Rotación
constante durante el
ensayo)
X
Acople universal de motor a
eje que sostiene la esfera
Intervalo de rotación
requerido 10 y 1000 RPM
X
Imposible físicamente se
realizara entre 250 y 1000
RPM
Motor con parámetros de
operación variables
X
Motor controlado por
variador de frecuencia

26. GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL PRODUCTO
Conjunto Criterio
Revisión
Comentarios
Pasa No pasa
Abrasión
Sistemadesujecióndelaprobeta
Línea de acción de la
carga perpendicular a la
superficie recubierta
X
Se debe asegurar la posición
de la estructura y
componentes en ella
Estable y firme X
Geometría del lugar de
sujeción en la mordaza la
mordaza
Simple y rápida X Mordaza autocentrante
Adaptable a diferentes
geometrías de probetas
X
Geometría del lugar de
sujeción en la mordaza
Permitir contacto con
esfera y abrasivo
X
Altura del resalte en la
mordaza y diseño del eje de
transmisión
Sistemasdecontrolysensores
Control
Tiempo total X PIC
Carga aplicada constante X
Sistema neumático con
reguladores de caudal y
reguladores de presión
Velocidad rotación X Variador de velocidad
Sensores
Intervalo de medición
según diseño
X Celda de carga + PIC
Carga aplicada X Celda de carga
Rotación de la esfera X Encoder

27. DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA
Nº Subconjunto Nombre
1 Estructura
2 Sistema Aplicación de Carga
3 Sistema Motriz
4 Sistema Abrasión
5 Sistema Sujeción de Probeta
6 Sistema Sensor
7 Sistema Control

28. APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO
Mediante este proyecto se busca incrementar el conocimiento existente sobre los
recubrimientos duros y las variables que intervienen en su formación, también se
busca contribuir al desarrollo industrial de país con miras al desarrollo a gran escala
de la industria de recubrimientos duros.

29. ANÁLISIS ECONÓMICO
Concepto Costo
Materiales 336.300
Manufactura 1 140.000
Componentes
manufacturados 2 345.580
Total parcial IVA incluido 3 821.880
Recurso humano 6’679.687
Total 10 501.567

30. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Es una experiencia de acercamiento al proceso real de planeación, diseño y
construcción de un dispositivo funcional, con sus pros y contras, tropiezos y aciertos,
una experiencia que coloca a los estudiantes del otro lado del proceso de diseño, los
saca de los cálculos y los factores de seguridad y los enfrenta a los problemas de
ensamble y las demoras en las entregas.
La recomendación fundamental que hacemos es dar mas flexibilidad e información en
el inicio del curso sobre los documentos a entregar para evitar demoras en el desarrollo
del proyecto.

31. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y HERRAMIENTAS DE
INGENIERÍA EMPLEADAS
•ALLSOPP, D.N and HUTCHINGS I.M. Micro-scale Abrasion and scratch espanse of PVD cotaings clevated temperatures. Cambridge. Wear,
1994
•RUTERFORD K.L, and HUTCHINGS I.M, A micro-abrasive wear test with particular application to coated systems Cambridge. Surface and
coating technology, 1995
•M. Hutchings Abrasive and erosive wear tests for thin coatings: a unified approach Tribology International 1998
•B C. Leroya, K.I. Schiffmannb, K. van Ackerc, J. von Stebuta,T Ball cratering an efficient tool for 3 body microabrasion of coated systems
Surface and coating technology 2005
•K. Adachia, I.M. Hutchingsb, Sensitivity of wear rates in the micro-scale abrasion test to test conditions and material hardness, Cambrige,
WEAR 2005
•Y Kusanoa,*, K Van Ackerb, I.M. Hutchingsa Methods of data analysis for the micro-scale abrasion test on coated Substrates Surface and
coating technology Cambridge 2003
•Y. Kusano1, I.M. Hutchings Sources of variability in the free-ball micro-scale abrasion test WEAR 2004
•M.G. Geea,, A.J. Gant a, I.M. Hutchings b, Y. Kusano b, K. Schiffmanc, K. Van Acker d,S. Poulat e, Y. Gachonf, J. von Stebut g, P. Hatto h, G.
Plint I Results from an interlaboratory exercise to validate the micro-scale abrasion test 2005 WEAR Cambridge 2006
•M.G. Gee a, A. Gant, I. Hutchings, R. Bethke, K. Schiffman, K. Van Acker, S. Poulat, Y. Gachon, J. von Stebut. Progress towards standardisation
of ball cratering

32. ¿PREGUNTAS?

33. GRACIAS POR SU
ATENCIÓN