Materiales de interés tecnológico

Este es un proyecto que tiene por objetivo general dar continuidad a las investigaciones relacionadas a materiales de interés tecnológico que el Grupo Ciencia de Materiales de Fa.M.A.F lleva a cabo. Las diferentes líneas de trabajo se pueden agrupar en tres grandes temas: aceros y superaleaciones basadas en Fe y Ni; cerámicos magnéticos [filtros moleculares de sílice del tipo ZSM-5, MCM-41 y MCM-48 modificados con Fe, Co, Mn; hematita nanométrica] y aleaciones metálicas magnéticas [CoCu, nanohilos y multicapas de CoM y FeM (M= Pt y Pd); aleaciones de tipo Heusler Mn-Ni-Ga, aleaciones CoSiB y FeSiB nanoestructuradas ]. El primer tema apunta a la optimización de las propiedades mecánicas de aceros de medio carbono y baja aleación, de producción nacional y aptos para construcciones mecánicas, y al desarrollo de superaleaciones (Fe,Ni) de alta temperatura, para su aplicación en pequeñas Turbomáquinas Térmicas. En el caso de materiales magnéticos cerámicos y metálicos, el objetivo es la producción y el desarrollo de nanoestructuras novedosas, con propiedades especiales, de potencial uso en nano-dispositivos y nanotecnología en general. En todos los casos se plantea la producción del material de interés a escala laboratorio, con control de las variables del proceso, la caracterización de la microestructura resultante y sus propiedades relevantes. Luego se establecen las correlaciones proceso-microestructura y microestructura–propiedades y se formalizan en modelos para los diferentes mecanismos que operan tanto durante la etapa de proceso (modelos de solidificación, de deposición, de aleado mecánico) como los involucrados en las propiedades de interés (modelos de magnetización, transporte, deformación). En este esquema se busca optimizar las propiedades. El presente proyecto fortalecerá además el área Ciencia de Materiales en la Universidad Nacional de Córdoba, formando en el nivel de grado y posgrado a ingenieros y físicos en esta disciplina. En el área de materiales cerámicos magnéticas nos dedicaremos (en colaboración con CiTeQ-UTN-FRC) a la producción y caracterización de filtros moleculares de sílice de amplio uso en procesos de catálisis, modificados por la incorporación de especies magnéticas. La incorporación del material magnético se realizará mediante técnicas hidrotérmicas y de impregnación. Los composites obtenidos se estudiarán con dos propósitos: evaluar los efectos de la funcionalización magnética sobre el desempeño del filtro de sílice como catalizador de diferentes reacciones y describir las propiedades magnéticas de las pequeñas (2 a 5 nm) nanoestructuras encapsuladas en los poros. Se continuará con la producción y caracterización de partículas de ferritas, con propiedades determinadas a partir del control de los distintos parámetros que intervienen en la síntesis. En la línea de aleaciones metálicas magnéticas se estudiarán las aleaciones de Heusler, con memoria de forma magnetica, las aleaciones CuCo con magneto-resistencia gigante y las aleaciones (Co,Fe)SiB con magnetoimpedancia gigante. Se aplicará la técnica de melt spinning con dos rodillos, a la producción de estas aleaciones. En el caso de aceros de medio carbono el plan propuesto apunta a identificar los micromecanismos de deformación y fractura que pueden operar en estas microestructuras. Se realizará el "collar test" con el objetivo de propagar una grieta radialmente hacia el centro del collar y luego poder observar la sección de material que la contiene. Esta serie de experimentos y observaciones permitirán localizar el inicio de la grieta y avanzar sobre la determinación del tipo de partículas que actúan como intermediarios en la propagación. Se espera que estos antecedentes más los resultados metalográficos arrojen luz sobre los mecanismos de fractura del acero IRAM – IAS 15B41

Procesos oxidativos en matrices alimentarias complejas. Oxidative processes in complex food matrices.

Las reacciones bioquímicas que ocurren como consecuencia del tratamiento y almacenamiento de los alimentos, mejoran la seguridad alimentaria, las propiedades sensoriales y la vida útil. Sin embargo, el tratamiento térmico, la exposición a la luz y el oxígeno pueden causar daño oxidativo a los lípidos y proteínas. Los procesos oxidativos de matrices complejas tienen características distintivas que no se manifiestan cuando los componentes son sometidos a oxidación individualmente. La hipótesis de trabajo es que la oxidación de proteínas en matrices alimentarias complejas altera la estructura y las propiedades funcionales de las proteínas y, que las modificaciones que se producen varían según las condiciones de procesamiento y de la composición química del alimento. Nuestros estudios intentan demostrar que el estado oxidativo de las proteínas de un alimento es un parámetro importante para la evaluación de las propiedades funcionales, sensoriales y nutricionales de un producto lácteo. El objetivo general del proyecto es el estudio de los procesos de oxidación de matrices alimentarias complejas (la leche, miel) y su relación con distintos procesos y materiales utilizados en la industria. Es decir, nos proponemos estudiar las consecuencias funcionales y biológicas (calidad nutricional, coagulación) de la oxidación proteica en modelos experimentales “in vitro” y en productos comerciales. 1. Estudiar los fenómenos de peroxidación proteica en leche entera y descremada sometida a los distintos procesos tecnológicos de la producción de leche y queso a escala laboratorio. Se realizarán las mismas experiencias con albúmina sérica y con proteínas aisladas de suero de leche para comparar diferencias entre una matriz compleja y una simple. 2. Determinar la relación entre oxidación y composición proteica de la leche, y los cambios en las fracciones proteicas aisladas (caseínas y beta-lactoglobulina). 3. Analizar el impacto de los procesos tecnológicos a nivel de producción primaria (composición proteica y estado de oxidación) en los indicadores de inflamación (contenido de células somáticas y proteína C Reactiva) y de estado redox (capacidad antioxidante de los productos lácteos y nivel de carbonilos de proteinas). 4. Comparar las características de composición química y el estado de oxidación de leche provenientes de las tres regiones (Buenos Aires, Santa Fe y Córdoba) que conforman la cuenca láctea Argentina. Este objetivo se realizará conjuntamente con los integrantes de nuestro grupo de investigación que trabajan en el Laboratorio de Control de Calidad de la Escuela Superior de Lechería. 5. Determinar los metabolitos secundarios de mieles uniflorales propuestos como responsables de la capacidad antioxidante de estas (polifenoles) y como indicadores de su origen botánico. 6. Valorar la capacidad antioxidante total de mieles uniflorales. 7. Validar los métodos analíticos y semicuantitativos utilizados y a utilizar en el presente proyecto teniendo en cuenta lo efectos de matrices típico de los fluidos biológicos y las mezclas. El estudio de las modificaciones oxidativas de matrices complejas es un tema que es importante tanto desde el punto de vista del conocimiento básico como del aplicado. Nosotros creemos que el presente proyecto aportará conocimiento sobre las características de las vías oxidativas de proteínas en matrices complejas y que podrá ser utilizado para diseñar estrategias productivas tendientes a disminuir el deterioro de la calidad de la leche debido a la exposición a energía radiante. Parte de la experiencia ganada por el grupo ha sido ya volcada a subsanar dificultades y problemas de oxidación y deterioro de la calidad de alimentos. Además, se contribuirá a discernir la paradoja que existe en el área sobre las propiedades oxidantes/antioxidantes de los polifenoles y la relación entre estas y el estado oxidativo de un alimento. The biochemical reactions that occur as a result of food treatment and storage, improve food security, sensory properties and shelf life. Heat treatment, exposure to light and oxygen can cause oxidative damage to lipids and proteins. Oxidative processes in complex matrices display distinctive features that do not appear when the components are individually subjected to oxidation. The hypothesis is that protein oxidation in complex food matrices alters the structure and functional properties of proteins and that the modifications vary according to process conditions and food composition. The main goal is to study oxidation of complex food matrices (milk, honey) with different processes and materials used in the industry. The specific aims are: 1. To study protein oxidation in whole milk and skim subject to various technological processes. The same experiences will be done with serum albumin and isolated whey proteins to compare complex and simple matrices. 2. To determine the relationship between oxidation and milk protein composition, and changes in casein and beta-lactoglobulin. 3. Analyze the impact of technological processes at the level of primary production on markers of inflammation and redox (antioxidant capacity and protein carbonyls). 4. Compare characteristics of chemical composition and oxidation state of milk. 5. Determine secondary metabolites of honey responsible for the antioxidant capacity of these. 6. To evaluate the total antioxidant capacity unifloral honey. This project will provide knowledge about characteristics of oxidative pathways of proteins in complex matrices that can be used to design production strategies aimed at reduce the deterioration of milk quality. Also, it would help to discern the paradox that exists on the oxidants/antioxidants properties of polyphenols and the relationship between these and the oxidative status of a food.

Predicción de la distorsión en anillos rolados sin costura durante tratamiento térmico de temple y revenido usando simulación numérica

La corrección de una falla por distorsión puede ser compleja ya que involucra efectos microestructurales y esfuerzos residuales que son la causa principal del fenómeno de distorsión. Las fallas por distorsión son serias debido a que pueden conducir a que el producto final no cumpla con los requerimientos dimensionales y no sea aceptado para desarrollar su función. Hoy en día, la problemática es la distorsión que sufren los componentes cuando se les somete a un tratamiento térmico temple, debido a las transformaciones de fase y esfuerzos residuales que se generan por el enfriamiento rápido, así como del tratamiento térmico de revenido donde el exceso de carbono es liberado de la estructura cristalina de la martensita y/o bainita y genera la deformación en la estructura cristalina, con esta problemática es posible hacer uso del modelo de Tratamiento Térmico que contiene el paquete comercial computacional FORGE HPC 2011®, para tratar de reproducir estos fenómenos que se llevan a cabo durante los tratamientos térmicos mencionados, y posteriormente generar información relacionada al tratamiento térmico de revenido, para desarrollar un modelo matemático que sea capaz de predecir las propiedades mecánicas finales. Este trabajo consistió en 3 etapas, la primer etapa se basó en estudiar detalladamente el grado de acero 42CrMo4 al aplicarle un tratamiento térmico de temple, bajo condiciones industriales con la finalidad de generar mayor conocimiento de los fenómenos de distorsión del acero antes mencionado, los cuales muchos autores atribuyen que este fenómeno se presenta con mayor frecuencia durante el temple, debido a la transformación de fase martensita, fase metaestable más dura en los aceros que tienen la capacidad de generar esta estructura cristalina, el experimento se desarrolló tratando térmicamente 16 anillos con las siguientes dimensiones; diámetro exterior = 2631 mm, pared = 164 mm y altura de 188 mm, instrumentados cada componente con 20 termopares tipo “k” de γ mm de diámetro, orientados cada 90°, esta metodología se desarrolló con la finalidad de obtener el máximo dato posible durante temple para posteriormente asociarlo con los coeficientes de transferencia de calor h, y así modelar la distorsión en las piezas utilizando un paquete comercial computacional, así como las condiciones de enfriamiento de la primer prueba experimental, encontrando errores máximos de 10 % comparando los resultados experimentales con los resultados obtenidos de la simulación. La segunda parte del proyecto consistió en una matriz de experimentos de tratamientos térmicos de temple y revenido, donde las variables principales fueron la temperatura y el tiempo, aplicadas en 13 probetas con las siguientes dimensiones; 100 mm X 100 mm X 200 mm, para generar conocimiento de la evolución de la dureza así como las propiedades mecánicas del mismo grado de acero, esta parte del experimento tuvo como finalidad el desarrollo y evaluación de un modelo matemático implementado en computadora que gobierne dicho comportamiento, encontrando errores en el rango de 1 hasta 40 %, comparando los resultados experimentales vs los resultados simulados. La tercera etapa del proyecto consistió en evaluar el grado de acero AISI 8630 y AISI 4340 utilizando el modelo de tratamiento térmico de revenido y datos experimentales de tres tiempos y tres temperaturas para cada uno de los aceros ya mencionados, encontrando que el modelo de tratamiento térmico de revenido no es capaz de reproducir perfiles de dureza en aceros de madia y alta aleación como están clasificados los aceros mencionados, ya que los resultados entre la parte experimental y la simulada no coincide con una línea recta para el acero AISI 8630, se encontró un coeficiente de correlación de 0.87 y errores entre 22 y 44 %, y para el acero AISI 4340, se encontró un coeficiente de correlación de 0.53 y errores entre 17 y 33 %

Lot production size problem and simulation of urban transport

OBJECTIVES AND STUDY METHOD: There are two subjects in this thesis: “Lot production size for a parallel machine scheduling problem with auxiliary equipment” and “Bus holding for a simulated traffic network”. Although these two themes seem unrelated, the main idea is the optimization of complex systems. The “Lot production size for a parallel machine scheduling problem with auxiliary equipment” deals with a manufacturing setting where sets of pieces form finished products. The aim is to maximize the profit of the finished products. Each piece may be processed in more than one mold. Molds must be mounted on machines with their corresponding installation setup times. The key point of our methodology is to solve the single period lot-sizing decisions for the finished products together with the piece-mold and the mold-machine assignments, relaxing the constraint that a single mold may not be used in two machines at the same time. For the “Bus holding for a simulated traffic network” we deal with One of the most annoying problems in urban bus operations is bus bunching, which happens when two or more buses arrive at a stop nose to tail. Bus bunching reflects an unreliable service that affects transit operations by increasing passenger-waiting times. This work proposes a linear mathematical programming model that establishes bus holding times at certain stops along a transit corridor to avoid bus bunching. Our approach needs real-time input, so we simulate a transit corridor and apply our mathematical model to the data generated. Thus, the inherent variability of a transit system is considered by the simulation, while the optimization model takes into account the key variables and constraints of the bus operation. CONTRIBUTIONS AND CONCLUSIONS: For the “Lot production size for a parallel machine scheduling problem with auxiliary equipment” the relaxation we propose able to find solutions more efficiently, moreover our experimental results show that most of the solutions verify that molds are non-overlapping even if they are installed on several machines. We propose an exact integer linear programming, a Relax&Fix heuristic, and a multistart greedy algorithm to solve this problem. Experimental results on instances based on real-world data show the efficiency of our approaches. The mathematical model and the algorithm for the lot production size problem, showed in this research, can be used for production planners to help in the scheduling of the manufacturing. For the “Bus holding for a simulated traffic network” most of the literature considers quadratic models that minimize passenger-waiting times, but they are harder to solve and therefore difficult to operate by real-time systems. On the other hand, our methodology reduces passenger-waiting times efficiently given our linear programming model, with the characteristic of applying control intervals just every 5 minutes.

Optimización de la producción de una línea de manufactura mediante un modelo matemático

En el presente trabajo, se presentan los clásicos problemas que se tienen en los diferentes ambientes de manufactura, la programación y secuenciación de las diferentes tareas a realizar en el piso de producción, las restricciones propias del proceso de manufactura así como los cuellos de botella. Uno de los problemas principales que se tiene en la línea de producción en estudio es la programación de los requerimientos semanales en las dos líneas de ensamble y sus VII respectivos probadores funcionales, para lo cual se ha desarrollado un modelo matemático con el cual se obtendrá un plan maestro para la programación de la producción así como el respectivo secuenciamiento de las familias a correr en el ensamble y en los probadores funcionales. Para resolver esta problemática se ha utilizado la herramienta de la programación lineal, la cual ha sido extensivamente aplicada a la solución de problemas de programación y secuenciación de las líneas de producción para la correcta asignación de los recursos para cada tarea a realizar tomando en cuenta las restricciones del proceso de manufactura. En este trabajo se presenta un modelo de optimización que puede ser usado en el ambiente real de producción el cual denominaremos «plan maestro» con el cual se tendrá la visión general de la factibilidad del cumplimiento de la demanda semanal, la cantidad de horas de tiempo extra para su autorización, los recursos adicionales a solicitar o bien la administración de los recursos que no serán empleados. La solución del modelo matemático es obtenida por medio del uso del software de modelación matemáticas GAMS. Con los resultados obtenidos se realiza un análisis del cumplimiento de los requerimientos así como de los recursos de la línea.

Estudio del efecto del procesamiento termo mecánico sobre los parámetros de formabilidad en aceros IF para aplicaciones automotrices

En el presente trabajo de investigación se analizó un acero libre de elementos intersticiales estabilizado con Titanio o mejor conocido como acero IF (por sus siglas en inglés Interstitial Free), denominado por la empresa EDDS (Extra Deep Drawing Steel) el cual se utiliza en partes exteriores de los vehículos en donde se requiere que la lámina a estampar cumpla con propiedades muy altas de ductilidad y baja resistencia. Se obtuvo acero IF en sus distintas etapas de procesamiento termo mecánico comenzando por material laminado en caliente, material laminado en frio y por ultimo material recocido y galvanizado en planta, esto con el objetivo de caracterizar y evaluar las propiedades mecánicas de cada etapa. De la etapa final del acero (recocido y galvanizado de planta) se obtuvieron los parámetros de formabilidad (n y R) mediante una prueba de tensión para poder establecer las condiciones a superar con las experimentaciones. El objetivo principal en el laboratorio fue el mejorar, mediante diferentes variables de recocido (tiempo y temperatura) en los tratamientos térmicos, los parámetros n= 0.23 y R=1.56 producidos en planta, y lograr obtener mediante nuevos tratamientos térmicos valores de R> 1.56 al igual que valores de n>0.23. Para simular las temperaturas con tiempos cortos de recocido se implementó un calentamiento por inducción en la bobina del laboratorio. Se pudieron realizar solo 2 pruebas debido al material disponible para este experimento. Ambos experimentos resultaron en una notable mejoría del valor de Lankford R (utilizado como un indicador en la formabilidad de hojas de acero), así como del exponente de endurecimiento por deformación (n), y se logró mantener un poco por encima sus propiedades de esfuerzo de cedencia, esfuerzo último y por ciento de elongación a las obtenidas por el proceso de recocido realizado en planta.

Conductividad térmica en aleaciones de aluminio usadas en la manufactura de componentes de motores de combustión interna

Las aleaciones de aluminio son ampliamente utilizadas en la industria automotriz, principalmente en aplicación automotriz (cabezas y monoblocks), donde la extracción de calor es crítica para la eficiencia del motor. Este trabajo presenta los resultados de una serie de pruebas realizadas para evaluar la conductividad térmica en aleaciones de aluminio, en un rango de temperaturas desde temperatura ambiente hasta 300°C mediante la variación de las condiciones de tratamiento térmico. Las aleaciones de aluminio analizadas en este estudio fueron: AlCu5Mg, AlSi7Mg, AlSi7MgCu0.5, AlSi8Cu3Mg y AlSi7Cu3Mg, se vaciaron en moldes de arena en forma de cuña con una templadera de hierro en la parte inferior para promover la solidificación direccional. Se evaluaron tres perfiles de solidificación caracterizados por el grado de refinación de su microestructura (20, 30 y 50 µm equivalente a una aleación tipo 319 AlSi7Cu3Mg) para simular diferentes zonas de los componentes automotrices. Muestras de cada aleación fueron sometidas a tratamiento térmico (solución, temple y envejecido artificial), como medio de temple se utilizó agua y aire. Las muestras de cada condición de tratamiento térmico y perfil de solidificación fueron sometidas a un envejecido posterior de 200 hr para simular las condiciones de temperatura a las cuales están expuestos los motores de combustión interna y fueron evaluadas cuatro temperaturas: 150°C, 200°C, 250°C y 300°C. Los resultados muestran que la conductividad térmica es incrementada en muestras con un espaciamiento dendrítico secundario fino y con un medio de temple en agua. 1 El post-envejecido, al cual se sometieron las muestras, fue la condición del tratamiento que incrementó en mayor medida el valor de conductividad térmica. El contenido de cobre en la aleación presenta un incremento en la conductividad térmica de la aleación, principalmente en temperaturas de post-envejecido que sobrepasan los 200°C.