1. Repositorio Institucional del Tecnológico Nacional de México (RI - TecNM)
2. Tesis de Posgrado
3. Michoacán
4. Instituto Tecnológico de Morelia
5. TESIS DE POSGRADO (Doctorado en Ciencias de la Ingeniería)

Title:	Simulaciones numéricas por elementos discretos del sinterizado de sistemas complejos para la fabricación de materiales arquiestructurados.
Authors:	Téllez Martínez, Jorge Sergio
metadata.dc.subject.other:	Simulaciones numéricas
Issue Date:	2021-05-01
Publisher:	Tecnológico Nacional de México
metadata.dc.publisher.tecnm:	Instituto Tecnológico de Morelia
Description:	La simulación numérica es esencial en la solución de planteamientos matemáticos complejos. Las técnicas adoptadas para el análisis numérico de las diferentes fenomenologías resultan en una serie de datos que adquieren sentido físico cuando se presentan de forma concreta. Sin embargo, la cantidad de información derivada de las simulaciones dependerá del número de variables de campo implícitas y del grado de precisión que se definan en relación con el intervalo de lo aceptable. Desde este punto de vista, el ciclo de observación, modelado fisicomatemático y cálculos, requiere de un proceso de validación con información correctamente medida del sistema estudiado. En particular, para el análisis por simulación computacional del sinterizado de sistemas complejos compuestos por partículas en una escala mesoscópica, en el presente proyecto se generó un concepto de elaboración de estructuras físicas a través de las cuales fuera posible comprender su comportamiento mecánico influenciado por cargas externas y su capacidad de permear fluidos considerando la formación intencional de porosidad interconectada. De tal forma que se propuso una metodología innovadora de procesamiento de polvos de la aleación metálica Ti6Al4V para producir estructuras porosas graduadas y utilizarlas como modelos de análisis. Dentro de la metodología, se implementan dos distribuciones de partículas con diferentes intervalos de tamaño y se acoplan en dos diferentes configuraciones para obtener muestras cilíndricas bicapa que mimeticen características parciales de estructuras óseas. La sinterización de las muestras se controló mediante equipo de análisis de dilatometría, monitoreando la densificación en función de la configuración de las capas en forma axial y concéntrica. Posteriormente, en muestras representativas se determinaron las características de la porosidad generada a través del análisis con microscopía electrónica de barrido y microtomografía computarizada. Los datos obtenidos de esta última técnica se utilizaron para crear estructuras virtuales tridimensionales a través de las cuales fue posible realizar simulaciones de flujo de fluidos que determinaron las capacidades de permeabilidad. Adicionalmente, un análisis de las estructuras virtuales permitió realizar mediciones del tamaño de los fragmentos del material de enlace entre las partículas para asociarlas a las propiedades mecánicas de las muestras físicas. Al respecto, otras muestras fueron sometidas a ensayos mecánicos de compresión para concretar la correlación estimando las propiedades mecánicas de las curvas esfuerzo-deformación. Finalmente, se utilizó un desarrollo computacional cuya codificación implementa: 1) las teorías de fricción por la mecánica de interacción de cuerpos esféricos en contacto, 2) los conceptos de energía almacenada por deformación y fuerza de adherencia, así como, 3) las características de termofluencia en la formación de cuellos interpartículas definidos por difusión de las especies químicas de los materiales. Consecuentemente, con esta herramienta se crearon estructuras para análisis totalmente virtuales y para establecer una metodología de reproducción del estado de una muestra física. En ambos casos, los modelos se utilizaron para la simulación de compactación sin presión y sinterización partiendo de una nube de partículas inicialmente sin contacto en un espacio confinado. Los resultados del análisis de las muestras físicas determinan que la porosidad graduada es una función del tamaño de la partícula utilizada. Asimismo, la anisotropía mecánica debida a la distribución del tamaño de los poros generados y la cinética de sinterización puede modificarse mediante la disposición de las capas de partículas. En relación con las propiedades mecánicas estimadas en las pruebas de compresión, se establece que el módulo de elasticidad y el límite elástico dependen de la densidad relativa de las muestras y pueden predecirse aproximadamente mediante una ley de potencia. Lo cual resulta trascendente para definir modelos de predicción de estructuras asociando el concepto de deformación admisible; en el que el grado de deformación y la resistencia de una estructura obtienen un balance. Esta condición sumada a las características de permeabilidad que depende del tamaño medio de los poros generados en una condición también anisotrópica por la configuración de las capas con partículas pequeñas y gruesas, definen los criterios de diseño mecánico para la creación implantes útiles. Al respecto, las magnitudes obtenidas de estos parámetros concuerdan bien con mediciones reportadas para las estructuras óseas, siendo la configuración radial la más prometedora para las aplicaciones biomédicas. Por otra parte, la capacidad de diseño de estructuras se completa con el éxito de los resultados de la simulación a través del programa computacional denominado dp3D, puesto que es posible crear y reproducir sistemas aun con la limitante de contemplar partículas con geometría esférica. En este sentido, la línea de investigación como trabajo futuro en el entorno de simulación, se direcciona a la validación de modelos matemáticos de cálculo de propiedades mecánicas de las estructuras diseñadas.
metadata.dc.type:	info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
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