desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en
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Desarrollo de superficies
determinísticas inspiradas en piel de serpiente mediante técnicas de
texturizado mecánico para aplicaciones tribológicas.
Efraín Zuluaga Díaz
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Minas, Departamento de Materiales y Minerales
Medellín, Colombia
2020
Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente mediante técnicas de
texturizado mecánico para aplicaciones tribológicas.
Efraín Zuluaga Díaz
Tesis de investigación presentada(o) como requisito parcial para optar al título de:
Magíster en Ingeniería - Materiales y Procesos
Director (a):
PH.D. ALEJANDRO TORO
Codirector (a):
PH.D. JUAN SEBASTIÁN RUDAS FLOREZ
Línea de Investigación:
Tribología
Grupo de Investigación en Tribología y Superficies -GTS
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Minas, Departamento de Materiales y Minerales
Medellín, Colombia
2020
A mis padres y hermanos.
Por su apoyo incondicional y confianza
Agradecimientos
A mis padres Rodrigo Zuluaga y Gloria Isabel por la educación, el amor, apoyo que siempre
me han brindado
A mis hermanos Rodrigo y Benjamín Zuluaga por estar siempre ahí cuando los necesito
A mis directores de tesis Alejandro Toro y Sebastián Rudas por su valioso aporte y las
enseñanzas que me transmitieron en este proceso de formación.
A mis compañeros del grupo de Snake Skin como Paula Cuervo, por su ayuda, asesoría y
colaboración para el desarrollo de esta investigación.
A los laboratoristas Luz Mery Arrubla Montoya y Juan José Toro, por las indicaciones,
asesoría y consejos frente a temas que desconocía y muy amablemente entregan su
conocimiento para apoyar las investigaciones.
A mis amigos de siempre Lauris, Mary, Cali, Moncho, Toño, Dany. Por su motivación
acompañamiento, y la presión de equipo para terminar esta etapa de mi vida
A todos mis compañeros del bloque: Natalia B, Sarita, Tatiana, Ximena, Natalia M,
Christoph, Jhonatan, memo, Robinson y Luis, etc. quienes me acompañaron, se volvieron
mis amigo y parte de mi día a día, gracias por esos momentos de esparcimiento.
Resumen
Debido a las cualidades que tienen las serpientes para realizar locomoción sobre cualquier
superficie con gran facilidad y sin sufrir desgaste severo, se evaluó la piel de esta especie
como uno de los órganos claves para exhibir dichas características con el fin de aplicar
este conocimiento en el diseño de superficies de materiales industriales en aplicaciones
de alto consumo energético y gran desgaste. La primera parte de esta investigación se
orientó al estudio de propiedades morfológicas, topográficas y tribológicas de las escamas
ventrales de la especie comúnmente conocida como pitón real albina utilizando técnicas
como microscopía óptica (LOM), microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía
de fuerza atómica (AFM) y evaluación tribológica en tribómetro pin-disco. De las
características principales derivadas de dicha actividad se reconocieron parámetros que
describen la naturaleza determinística de la superficie, y a partir de dichos parámetros se
propuso un diseño de textura y se realizó la fabricación de texturas mediante maquinado
CNC sobre acero AISI 52100 el cual es ampliamente usado en la elaboración de
rodamientos. La respuesta tribológica de las superficies texturizadas se evaluó contra
acero AISI H13. Al comparar los resultados con los presentados en superficies
convencionales, se observaron modificaciones en los valores del coeficiente de fricción,
además de un comportamiento anisotrópico de la fricción en relación con la dirección de
deslizamiento
Palabras clave: biomimética, superficies determinísticas, micro-mecanizado, Fricción.
Development of deterministic surfaces inspired by
snakeskin using mechanical texturing techniques
for tribological applications
Abstract
Due to the qualities that snakes have to perform locomotion on any surface with great ease
and without suffering severe wear, the skin of this species was evaluated as the organ
responsible of these characteristics in order to apply this knowledge to the design of artificial
surfaces for high energy consumption and high wear applications. The first part of this
research was oriented to the study of morphological, topographic and tribological properties
of the ventral scales of the species commonly known as albino royal python using
techniques such as light optical microscopy (LOM), scanning electron microscopy (SEM),
atomic force microscopy (AFM) and tribological evaluation in a pin-on-disc tribometer. A
number of parameters describing the deterministic nature of the surface were calculated
and then used as inspiration for the design of textured surfaces on AISI 52100 steel by
computerized numerical control (CNC) machining. The tribological response of the textured
surfaces against AISI H13 steel showed a reduction in the coefficient of friction in
comparison to conventional surfaces, as well as an anisotropic behavior related to the
direction of sliding.
Keywords: Biomimetics, Deterministic Surfaces, Micro-machining, Friction.
Contenido VII
Tabla de contenido
1. Introducción ........................................................................................................... 14
1.1 Antecedentes .................................................................................................... 14
1.2 Justificación ...................................................................................................... 20
1.3 Planteamiento del problema .............................................................................. 22
1.4 Objetivos ........................................................................................................... 24
1.4.1 Objetivo general ........................................................................................ 24
1.4.2 Objetivos específicos ................................................................................ 24
2. Marco teórico ......................................................................................................... 25
2.1 Fricción ............................................................................................................. 26
2.2 Mecanismos de desgaste.................................................................................. 30
2.3 Texturizado de superficies ................................................................................ 34
3. Materiales y métodos ............................................................................................. 38
3.1 Materiales: ........................................................................................................ 40
3.1.1 Piel de serpiente ....................................................................................... 40
3.1.2 Aceros para el par tribológico .................................................................... 41
3.1.3 Lubricante ................................................................................................. 44
3.2 Caracterización de la piel de serpiente .............................................................. 45
3.2.1 Caracterización morfológica y topográfica ................................................. 45
3.2.2 Caracterización tribológica ........................................................................ 49
3.3 Texturizado ....................................................................................................... 52
3.4 Diseño de las texturas ....................................................................................... 56
VIII Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
3.5 Pruebas tribológicas de las superficies texturizadas ......................................... 58
3.6 Análisis de superficies desgatadas ................................................................... 59
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................ 60
4.1 Caracterización de la piel de serpiente .............................................................. 60
4.1.1 Morfología y naturaleza determinística ...................................................... 60
4.1.2 Respuesta tribológica ................................................................................ 70
4.2 Desarrollo de las superficies texturizadas ......................................................... 73
4.2.1 Caracterización del sustrato ...................................................................... 73
4.2.2 Retos ingenieriles del proceso de fabricación: ........................................... 75
4.2.3 Degradación de la herramienta de corte.................................................... 92
4.3 Respuesta tribológica de las superficies texturizadas ....................................... 94
Caracterización de superficies desgastadas .............................................................. 102
5. Conclusiones y recomendaciones ...................................................................... 111
5.1 Conclusiones .................................................................................................. 111
5.2 Recomendaciones .......................................................................................... 112
Bibliografía .................................................................................................................. 113
Contenido IX
Lista de figuras
Pág.
Figura 1-1 Texturizados con patrón circular y elíptico con orientación longitudinal y
transversal [7] ................................................................................................................. 16
Figura 1-2. Diferentes texturizados desarrollados: “(a) imagen óptica del dedo utilizado para
transferir la textura de la huella dactilar, (b) Imagen 3D de Si / SU-8 / FP, (c) esquema de
Si / SU-8 / FP con dimensiones completas (sin escala), (d) una imagen óptica de Si / SU-
8 / HC, (e) imagen 3D de Si / SU-8 / HC y (f) un diagrama esquemático de Si / SU-8 / HC
con dimensiones completas (sin escala)”; tomado de [14]. ............................................. 18
Figura 1-3. Esquema de los arreglos de texturizado de la superficie del láser para generar
depósitos. Tomado de [17] ............................................................................................. 19
Figura 1-4. Resultados de la búsqueda de investigaciones publicadas. ......................... 23
Figura 2-1. Mecanismos a nivel microscópico que generan fricción. (a) Adhesión. (b) Arado.
(c) Deformación y fractura de óxidos. (d) Partícula de desgaste atrapada. Modificada del
HandBook Volumen 18 [49]. ........................................................................................... 28
Figura 2-2. Desgaste adhesivo. Tomado de [50]. ........................................................... 32
Figura 2-3.Desgaste abrasivo aspectos generales. Modificado de [50] .......................... 34
Figura 2-4. Esquema del equipo para texturizar por CNC. Tomado de [74]. ................... 36
Figura 2-5. Equipo para texturizar por MAM (Modulation Assisted Machining). Modificado
de [34]. ........................................................................................................................... 37
Figura 3-1. Descripción esquemática de las etapas metodológicas de la tesis. .............. 38
Figura 3-2. Aspecto de la especie Pitón Real Albina [79]. .............................................. 41
Figura 3-3. Dureza vs Temperatura de revenido para AISI 52100. Tomado de [87]. ...... 43
Figura 3-4. Escala caracterización en la piel de serpiente. ............................................. 45
Figura 3-5. Geometría simplificada de una escama ventral. ........................................... 46
Figura 3-6. Ilustración esquemática de la definición de parámetros geométricos para la
caracterización de la textura superficial de la piel de serpiente. ..................................... 47
Figura 3-7. Ilustración de algunos parámetros morfológicos desde una vista transversal de
la fibrilla. ......................................................................................................................... 48
Figura 3-8. Fase I - Etapa de Caracterización de la piel de serpiente. ............................ 49
Figura 3-9. Montaje de una muestra de piel en silicona. ................................................. 50
Figura 3-10. Esquema de la configuración de contacto para los ensayos pin-disco, donde
se aplica carga normal y velocidad relativa. ................................................................... 50
X Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Figura 3-11. Direcciones de deslizamiento estudiadas con respecto a la orientación de la
textura superficial de las escamas ventrales. ................................................................. 51
Figura 3-12. Vistas superior y lateral de las herramientas utilizadas: A-C. Fresa de 10 mm
y B-D. Fresa de 0,3mm. ................................................................................................. 53
Figura 3-13. CENTRO DE MECANIZADO DE PRECISIÓN UMC-750 [96]. ................... 53
Figura 3-14. Software y maquina usada en la simulación-producción del código. .......... 54
Figura 3-15. Diseñados propuestos para dos distancias entre fila de ondas A) diseño D es
4 mm y B) el diseño E es 0.9 mm. .................................................................................. 57
Figura 3-16. Proceso de fabricación de texturas sobre SAE 52100. ............................... 58
Figura 3-17. Variables involucradas en ensayos tribológicos. ......................................... 59
Figura 4-1. Sección de piel sin tratamiento, Fotografía digital. ........................................ 61
Figura 4-2. Distribución ordenada de fibrillas. Hacia la izquierda se encuentra la cola y a la
derecha la cabeza. SEM. ............................................................................................... 62
Figura 4-3. Características morfológicas a) Lambda b) FAR c) Densidad por área, las
barras de error indican desviaciones estándar. .............................................................. 65
Figura 4-4. Perfil de alturas mostrando la variación de pendiente de las fibrillas en el eje
anteroposterior. La altura media de las fibrillas es de 66 ± 16 nm. AFM. ........................ 66
Figura 4-5. Imágenes AFM - fibrillas y conjunto de hoyuelos en las escamas ventrales de
la piel de serpiente en áreas de a. 10x10 μm, b.2x2 μm. ................................................ 67
Figura 4-6. Caracterización de cavidades: a) y c) Imagen en AFM de la piel en un área de
2 um x 2 um, b) y d) perfil de alturas. ............................................................................. 68
Figura 4-7. Daños de fibrillas en secciones de la piel, observados en a) SEM, b) AFM y c)
perfil elevación de fibrillas. ............................................................................................. 69
Figura 4-8. Coeficientes de fricción (COF) en la dirección Caudal-Craneal. ................... 71
Figura 4-9. Coeficientes de fricción (COF) en la dirección Craneal-Caudal. ................... 71
Figura 4-10. COF promedios de cada cuartil en ambas direcciones, las barras de error
indican desviaciones estándar ........................................................................................ 72
Figura 4-11. Micrografías en microscopio óptico del AISI 52100 obtenido comercialmente,
sin ningún tratamiento térmico, a aumentos de a) 10x, b)50x y c)100x .......................... 74
Figura 4-12. Micrografías en microscopio óptico del AISI 52100 obtenido comercialmente,
recocido a 790°C, templado a 850°C y revenido a 150°C, a aumentos de a) 10x, b)50x y
c)100x ............................................................................................................................ 75
Figura 4-13. Imágenes en LOM, fresa de 0,3mm de diámetro: a) Sin ningún uso y b - c - d
luego de la fabricación de superficies en vista lateral, superior y con inclinación. ........... 77
Contenido XI
Figura 4-14. Montaje en CNC y fabricación de texturas. ................................................. 78
Figura 4-15. Perfil transversal de la superficie fabricada para diseños tipo E. ................ 80
Figura 4-16. Micrografías SEM con magnificaciones de a) 10x, b)100x y c) 500x .......... 81
Figura 4-17. Imagen obtenida por LOM, rebaba almacenada en las ranuras. ................ 82
Figura 4-18. Montaje para fabricación de un par de texturas. ......................................... 84
Figura 4-19. Micrografías SEM en superficies recocidas y fabricadas bajo las condiciones
definitivas de operación .................................................................................................. 87
Figura 4-20. Inmersión de acero inoxidable por inmersión en decapante. Elaboración
propia. ............................................................................................................................ 87
Figura 4-21. Imágenes de las muestras texturizadas en LOM a)-b) Antes del templado y c)
y d) después del decapado............................................................................................. 88
Figura 4-22. Daños en LOM a) daño de borde al desprenderse la rebaba-b) y c) daño por
picadura. ........................................................................................................................ 89
Figura 4-23. Imágenes de las muestras texturizadas en LOM a)-b) Antes del templado y c)
y d) con grata de Nylon. ................................................................................................. 90
Figura 4-24. Micrografías SEM a) y b) fresa nueva c) fresa usada. ................................ 93
Figura 4-25. Curvas COF en seco para texturas tipo D con profundidad de a)-b) 40µm y c)-
d) 60µm. ......................................................................................................................... 96
Figura 4-26. Curvas COF en seco para texturas tipo E con profundidad de a)-b) 40µm y c)-
d) 60µm. ......................................................................................................................... 97
Figura 4-27. Curvas COF con lubricante para texturas tipo D con profundidad de a)-b) 40µm
y c)-d) 60µm. .................................................................................................................. 98
Figura 4-28. Curvas COF con lubricante para texturas tipo E con profundidad de a)-b) 40µm
y c)-d) 60µm ................................................................................................................... 98
Figura 4-29. Superficie sin textura ni tratamiento térmico (Blanco) con aumentos de a) 1x
y b)50x ........................................................................................................................... 99
Figura 4-30. Comparativo COF paralelo vs. perpendicular en seco. ..............................100
Figura 4-31. Comparativo COF paralelo vs. perpendicular con lubricante. ....................101
Figura 4-32. Comportamiento tribológico por categoría y condición: a) seco y b) lubricado.
......................................................................................................................................102
Figura 4-33. Superficie texturizada tipo D a), c), e) antes y b), d), f) después de las pruebas
pin-disco en condiciones de deslizamiento en seco. .....................................................104
Figura 4-34. Superficie texturizada tipo E a), c), e) antes y b), d), f) después de las pruebas
pin-disco en condiciones de deslizamiento en seco. .....................................................105
XII Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Figura 4-35. Bordes de las ranuras deformados por el desgate tribológico. Imágenes
tomadas en SEM con magnificaciones de a) y b) 100x y c) 1000x. ...............................106
Figura 4-36. Imágenes SEM de superficies ensayadas en condiciones lubricantes a) 30x,
b-c) 100x y d) 500x. .......................................................................................................107
Figura 4-37. Imágenes SEM superficies desgastadas a diferentes magnificaciones: a)
100x, b-c) 500x y d) 2000x. ...........................................................................................108
Figura 4-38. Perfil de las superficies texturizadas a)-c) Antes de los ensayos tribológicos,
b)-c) después de los ensayos tribológicos. ....................................................................109
Contenido XIII
Lista de tablas
Pág.
Tabla 2-1. Métodos de texturizado y diseños de superficies. Modificado de [56]. ........... 34
Tabla 3-1. Descripción de La especie analizada Pitón Real Albina [77], [80]–[82]. ......... 41
Tabla 3-2. Composición química nominal del acero AISI 52100 [83]. ............................. 41
Tabla 3-3. Composición química nominal del acero AISI H13. Valores suministrados por el
proveedor Uddeholm AB [84]. ........................................................................................ 42
Tabla 3-4. Resultados de viscosidad dinámica y cinemática para el aceite Repsol 10W40
....................................................................................................................................... 44
Tabla 3-5. Propiedades mecánicas: balsa – silicona [94], [95]. ....................................... 50
Tabla 3-6. Parámetros ensayos pin-disco para las pieles. .............................................. 51
Tabla 3-7. Condiciones fabricación en muestras cilíndricas............................................ 55
Tabla 3-8. Descripción Herramientas. ............................................................................ 55
Tabla 3-9. Valores específicos para micro mecanizado de texturas. .............................. 56
Tabla 3-10. Variables de entrada y sus niveles. ............................................................. 59
Tabla 4-1. Área y relación de aspecto para las escamas ventrales por cuartil. ............... 61
Tabla 4-2. Parámetros medidos en las imágenes obtenidas en el SEM. ........................ 63
Tabla 4-3. Parámetros característicos de la piel de serpiente para diseños de texturas . 70
Tabla 4-4. Variables de operación en la fabricación de texturas. .................................... 80
Tabla 4-5. Condiciones de operación definitivas para la fabricación de texturas. ........... 84
Tabla 4-6. Promedio alturas de ranuras ......................................................................... 86
Tabla 4-7. Análisis químico en la región espesor del recubrimiento. ............................... 93
Tabla 4-8. Análisis químico en la región del material base de la fresa ............................ 94
Tabla 4-9. Coeficientes de fricción promedio y desviación estándar en las dos direcciones
de deslizamiento. ........................................................................................................... 99
Tabla 4-10. Cambios en la profundidad de las superficies. ............................................110
1. Introducción
1.1 Antecedentes
La tribología como disciplina moderna de la ingeniería, definida oficialmente por Peter Jost
en 1966 [1] y desde sus inicios se registraron datos de gasto energético, mantenimiento,
reparaciones y demás directamente relacionados con la fricción. Es desde entonces,
donde investigaciones para abordar esta problemática presentaron gran interés, ejes
abordados como: investigación de materiales y la modificación de superficie incluyendo el
uso de recubrimientos y el texturizado; este último llama la atención para la realización de
este trabajo, ya que inicialmente los fabricantes y proveedores del área automotriz
centraban sus investigaciones y trabajos en reducir fricción por medio de modificaciones
estructurales como reducir el área de las superficies en contacto, así como la introducción
de recubrimientos , lubricantes y mejoras en diseño mecánico de diversos componentes
de los motores de combustión [2]–[4]. Sin embargo, en los últimos años los texturizados
de componentes del motor han desviado las miradas a trabajos de diseño de texturas y su
evaluación en pruebas tribológicas, sin dejar los trabajos de recubrimientos, los cuales han
presentado excelentes resultados.
Una breve revisión de los resultados de algunas investigaciones en las que se realizaron
ensayos aplicados a la industria automotriz centrados en los sistemas cilindro-pistón, bajo
la línea de investigación orientada al diseño de superficies texturizadas por diferentes
procesos que mostraron disminución de la fricción son presentados a continuación.
Sabeur, Ibrahim, Mohamed, & Hassan desarrollaron una estrategia para la reducción de la
fricción del juego de anillos a través de la optimización del acabado del revestimiento de
los cilindros basado en el acoplamiento de experimentos de rectificado y la predicción
numérica de fricción en régimen elastohidrodinámico [5]. Por otro lado, Grabon, Koszela,
Capítulo 1 15
Pawlus, & Ochwat mejoraron el comportamiento tribológico del sistema cilindro-pistón
realizando un texturizado superficial al revestimiento del cilindro, mediante la presencia de
hoyuelos creados por la técnica de pulido en la superficie del cilindro, lo cual llevó a una
disminución del coeficiente de fricción (COF) en comparación con revestimiento de cilindro
con superficies mates [6].
Yousfi, Mezghani, Demirci, & El Mansori fabricaron patrones de texturas elípticas y
circulares por el proceso de rectificado donde obtuvieron una reducción del 9% en fricción
para patrones de textura elíptica de gran tamaño orientados en la dirección longitudinal de
la dirección de deslizamiento del anillo (BLE) en el régimen de lubricación mixta con la
finalidad de mejorar la eficiencia de los motores de combustión. Las texturas son
elaboradas por un proceso de rectificado abrasivo con diferentes cinemáticas y
considerando tamaños y orientaciones diferentes (Ver Figura 1-1). Sin embargo, los
resultados reportados son a nivel de laboratorio y no han sido probados en condiciones
reales de un motor de combustión [7].
El aporte realizado por Shen y Khonsari fue un nuevo diseño de los anillos de pistón con
“bolsillos” para la reducción de la fricción. Bajo las condiciones de ensayo los bolsillos con
tamaño apropiado (relación de área AR=25%, profundidad=5 micras) alcanzaron las
mayores reducciones de fricción [8].
Gu, Meng, Xie, & Yang evaluaron texturizados tanto en el revestimiento como en el pistón
en condiciones de lubricación límite, para lo cual el texturizado del revestimiento fue
diseñado con medidas más pequeñas y uniformes que las del texturizado del pistón. Los
resultados mostraron reducción de la fricción [9]. Las texturas propuestas para los cilindros
fueron ranuras transversales, ranuras axiales, y micro agujeros. Los resultados de la
superficie con ranuras transversales disminuyeron las perdidas por fricción y
adicionalmente, esta superficie “funciona mejor que otros patrones de textura en más de
90% del ciclo de motor” [9].
16 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Figura 1-1 Texturizados con patrón circular y elíptico con orientación longitudinal y
transversal [7]
Vlădescu, Medina, Olver, Pegg, & Reddyhoff identificaron parámetros geométricos óptimos
de características rectangulares, a partir de variaciones de profundidad, amplitud y
densidad fabricados por medio del texturizado de superficie con láser (LST, por sus siglas
en inglés). Trabajaron texturizados en superficies del cilindro y evaluaron cada uno de los
parámetros hasta alcanzar reducciones de fricción significativas. Adicionalmente,
concluyeron que el efecto de la textura de la superficie es aumentar el espesor de película,
causando una reducción en contacto rugoso y por lo tanto una reducción en la fricción. La
disminución de la fricción alcanzada fue de aproximadamente 41% [10], [11].
Etsion & Sher realizaron mediciones en un motor de 2.500 cm3 con anillos de cromo
revestidos en forma de barril como referencia y luego lo comparan con anillos de pistón de
Capítulo 1 17
forma cilíndrica con texturizado láser. Estos últimos mostraron resultados de reducción
significativa de hasta el 4% en el consumo de combustible [12]. Yousfi demostró con
texturizados de patrones en forma de círculos y elipses que el comportamiento de la
fricción depende tanto del régimen de lubricación como de la orientación del texturizado
[7].
Braun, Greiner, Schneider, & Gumbsch trabajaron con el mismo método de los hoyuelos
siguiendo una matriz hexagonal solo que con lubricación mixta. Para medir el
comportamiento tribológico utilizaron un equipo pin-disco, lubricación con aceite a una
temperatura del sistema de 50°C o 100°C con el fin de imitar las condiciones realistas del
motor. [13].
Myint et al evaluaron los efectos de dos texturas fabricadas en la superficie de un polímero
sobre el rendimiento tribológico, medido en un tribómetro de bola sobre disco, los diseños
fabricados fueron: huella digital negativa en 3D y una textura tipo panal de abejas. Las
cargas utilizadas en esta investigación fueron 100mN, 300mN y superiores a 300mN,
donde las superficies texturizadas mostraron disminución de los coeficientes de fricción al
aumentar la carga normal de 100mN a 300mN, por encima de estos valores el COF de la
superficie de huella digital negativa aumentó (deformación plástica). Los COF alcanzados
bajo 100mN fueron: textura huella digital (μ=0.08), superficie con textura de panal (∼0.41)
y la superficie sin textura (∼0.2) [14].
Tang, Zhou, Zhu y Yang también trabajaron con un texturizado de superficie tipo “Agujero”,
sin embargo, estos presentan un análisis para conocer la óptima fracción de área del
“agujero” y de esta forma reducir la fricción y el desgate. “Los resultados indican una
fracción óptima de área-hoyuelo del 5%, puede generar la mayor presión hidrodinámica en
comparación con otras fracciones y se puede reducir la fricción y el desgaste hasta un 38%
y 72%, respectivamente” [15].
18 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Figura 1-2. Diferentes texturizados desarrollados: “(a) imagen óptica del dedo utilizado
para transferir la textura de la huella dactilar, (b) Imagen 3D de Si / SU-8 / FP, (c)
esquema de Si / SU-8 / FP con dimensiones completas (sin escala), (d) una imagen
óptica de Si / SU-8 / HC, (e) imagen 3D de Si / SU-8 / HC y (f) un diagrama esquemático
de Si / SU-8 / HC con dimensiones completas (sin escala)”; tomado de [14].
Galda, Sep, & Prucnal investigan sobre las dimensiones de los hoyuelos y diferentes
densidades de área de los agujeros, con estos parámetros proponer las condiciones
óptimas para disminuir un mayor porcentaje del COF. Para los ensayos experimentales
realizados en un tribómetro pin - disco se obtuvo “la mayor reducción de aproximadamente
el 40% en comparación con las muestras no texturizado” y bajo condiciones de relación de
profundidad-diámetro de aproximadamente 0,11, densidad de área de Agujeros de 3% y
velocidad de deslizamiento de 0,02 m / s, [16].
A continuación, se realizarán algunas comparaciones con resultados encontrados en la
literatura para superficies texturizadas y la evaluación de sus propiedades tribológicas. En
el 2013 Segu et al [17] por medio de la técnica de texturizado laser (LST) fabricaron
superficies con un arreglo combinado de hoyos en forma de círculos y elipses sobre AISI
52100 como se puede ver en la Figura 1-3, evaluando la variación del tamaño y la
Capítulo 1 19
profundidad de estos, la velocidad de deslizamiento y la carga normal en condiciones de
lubricación y concluyeron que la muestra con un densidad de área texturizada del 12% fue
la que mejores resultados presento.
Cho, M. H. y Park, Sangil evaluaron el efecto de densidad de textura de la superficie del
polioximetileno sobre la fricción en un disco de AISI 52100, las texturas fueron
mecanizadas utilizando un micro-CNC y probadas en una configuración deslizante pin-
disco. Las densidades de textura implementadas fueron: 5%, 10%, 20% y 30%. Estos
investigadores encontraron que el coeficiente de fricción más bajo se obtuvo con una
densidad de textura del 10%, alcanzando reducciones en la fricción de aproximadamente
el 50% de la del POM sin textura [18].
Figura 1-3. Esquema de los arreglos de texturizado de la superficie
del láser para generar depósitos. Tomado de [17]
Pettersson y Jacobson investigaron la influencia de la orientación de ranuras y hoyuelos
cuadrados en el coeficiente de fricción y desgaste, fabricados por el método de litografía
combinada con grabado anisotrópico, aplicando una densidad de textura del 25% sobre la
superficie. Al igual que en nuestro caso las direcciones de deslizamiento que fueron
probadas son paralelo y perpendicular o como los define el autor longitudinal y transversal,
a pesar de las diferencias entre el proceso de texturizado, diseño de texturas, superficies
y equipo tribómetro, estos investigadores encontraron que las ranuras con orientación
20 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
transversal muestran un mejor comportamiento de fricción y desgaste que las ranuras con
orientación longitudinal, es decir, se logra un coeficiente de fricción bajo y estable, tal cual
sucede en esta investigación [19].
1.2 Justificación
A pesar de que la Tribología se define en palabras tan sencillas, es algo más esencial,
convivimos con esta ciencia y hace parte del entorno de nuestro día a día, como son los
sistemas mecánicos de ingeniería que ofrecen comodidad al ser humano. Cada uno de
ellos presenta índices de pérdida, desgaste, mantenimientos periódicos y demás actores
involucrados que afectan directamente la eficiencia y el rendimiento de estos en alguno de
los tres casos de lubricación (limite, mixta e hidrodinámica). Cómo podemos solucionar o
por lo menos atacar en algún porcentaje mínimo es donde se fundamenta la importancia
de estudiar dichos problemas desde el inicio de la palabra “tribología”. Es por tanto cómo
está ciencia ha ganado cada día mayor interés, abriendo puertas a investigaciones no
planteadas hasta el momento, su evaluación será crucial y definitiva para avances
estratégicamente escalonados para contribuir a este conflicto.
Una ciencia aliada como lo es la biomimética, que estudia características de la naturaleza
para dar solución a un problema ingenieril; ha tenido lugar analizando las escamas
ventrales de la serpiente, de gran importancia porque esta parte tiene contacto directo con
superficies de diferente naturaleza, además, es responsable de la respuesta de fricción del
reptil y la generación de tracciones de locomoción. Por estos motivos, varios autores han
realizado estudios de investigación enfocados en las características geométricas y
metrológicas de dichas escamas en especies diferentes [20]–[23].
Alexander E. realizo un estudio con el propósito de entender las interacciones entre las
“matrices de nanoestructura” de la superficie ventral de la piel de serpiente en su
comportamiento tribológico. En este documento ya se definió, que la piel es compuesta por
una microestructura periódica con ligeras variaciones, además, según la dirección de
deslizamiento estas microestructuras presentan pendientes cortas relativamente
profundas y pendientes lisas alargadas. Estas características fueron implementadas por
Alexander E. para realizar un modelo numérico de las propiedades de fricción de dichas
Capítulo 1 21
superficies con diversos tamaños de asperezas. Evidenciando comportamiento
anisotrópico de la piel, solo con sustratos con rugosidades menores o similares a las
dimensiones de la microestructura [24].
La caracterización de la piel de serpiente es transcendental para proponer parámetros
iniciales sobre el desarrollo de texturas superficiales; Ahora bien, la técnica apropiada para
texturizar y el desarrollo de ensayos tribológicos de las superficies texturizadas son de
suma importancia para obtener con ayuda de un diseño de experimentos el mejor
comportamiento de fricción. No obstante, estos factores deben presentar un buen acople
con el texturizado y demostrar el cambio de sus propiedades al trabajar condiciones
diferentes. El texturizado superficial desarrollado con parámetros apropiados de superficie,
geometría y dimensión (medidas), podrá reducir las pérdidas por fricción y desgaste en
aplicaciones de ingeniería [25].
El motivo para la selección de texturizado superficial radica en los múltiples beneficios
presentes en la superficies con micro-cavidades en la mayoría de los casos con forma de
hoyuelos, algunos de estos se describen como [26]: (1) mejora el flujo y retención de
lubricante [27], (2) recolección de material extraño o restos de desgaste para minimizar el
efecto de daños adicionales en las superficies [28], (3) la presión hidrodinámica aumentará
bajo lubricación hidrodinámica completa [29] y (4) disminuyen el área de contacto,
reduciendo la adhesión [30].
El método de mecanizado por control numérico computarizado (CNC) fue el seleccionado
para la fabricación de superficies con micro textura en acero AISI 52100, con el cual se
pudo obtener una eficiencia en el proceso. Sin embargo, otro proceso conocido como
mecanizado asistido por modulación (MAM) llamó la atención para la fabricación de
superficies sobre metal, porque presenta ventajas sobre mecanizado convencional [31],
como la mejora de la acción del fluido [32], mayor vida de la herramienta [33], la reducción
de la energía específica de corte [34], la reducción de los niveles de tensión [35], alta tasa
de producción [31], etc. Este método proporciona la disminución de la fricción, además
lleva a cabo la reducción del consumo de energía y de la contaminación del medio
ambiente. Lastimosamente este último método fue descartado, ya que no fue posible
realizar las texturas en el equipo mencionado, por lo tanto el mecanizado por el método de
CNC fue el escogido para esta investigación, éste también presenta algunas de las
22 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
ventajas anteriormente descritas, además, algunas publicaciones exhiben buenos
resultados tribológicos con texturas desarrolladas por mecanizado CNC [7], [36].
1.3 Planteamiento del problema
Las perdidas energéticas del 30% al 50% con cifras de hasta 126 millones de dólares para
estados unidos, y los daños graves que se producen en la operación de sistemas
mecánicos convencionales y en los materiales empleados para dicha aplicación producto
de la fricción, representan costos significativos tanto a nivel energético como monetario en
la fabricación y/o reparación de los elementos de máquinas, en estados unidos se estima
un valor de 10 millones de dólares por año [37]. La importancia de solucionar dicha
problemática se ve fundamentada en los efectos que la fricción genera indirectamente;
como, por ejemplo, el aumento del consumo de combustible, que a su vez incrementa la
generación de gases de combustión como producto de la combustión de combustibles
fósiles como recurso energético que alimenta generalmente estos sistemas. Esto último es
especialmente pertinente en el entorno cercano debido a los altos índices de
contaminación presentes en la ciudad de Medellín en los meses de marzo-mayo y octubre-
noviembre de los últimos años, donde se reportan concentraciones de PM2,5 superiores de
31 y 27 µg/m3 (microgramos por metro cúbico de material particulado) reportados en las
estaciones de monitoreo de RedAire para el años 2017 y 2018, respectivamente [38]. Sin
embargo, para marzo del 2020 se reportaron valores superiores a los 56 µg/m3 [39], pese
a las directrices de la Organización Mundial de la Salud (OMS), donde se establece
concentraciones de PM 2.5 superiores a los 25 µg/m3 (promedio diario) como perjudicial
para la salud. En Colombia el límite máximo permitido es de 37 µg/m3. Además, se afirma
que el 80% de la contaminación es producida por “fuentes móviles” como el transporte de
los cuales el 69% proviene de volquetas y camiones [40]. Como lo expresa Holmberg en
una de sus publicaciones: “la energía utilizada para superar la fricción no deseada está
causando millones de toneladas de CO2 de emisiones por año. En los vehículos de
pasajeros alrededor de un tercio de todo el consumo de combustible se gasta para superar
la fricción” [41].
Por tal razón, la pregunta de investigación es: ¿Será posible modificar los coeficientes de
fricción entre materiales ampliamente utilizados en la industria de rodamientos, cojinetes y
Capítulo 1 23
otros sistemas mecánicos, mediante la texturización de las superficies usando diseños
bioinspirados?
Se presenta otro problema asociado al material de interés (AISI 52100) que impone un reto
para su texturizado debido a su alta dureza, la cual reduce la productividad y aumenta los
costos de fabricación. Por lo tanto, es fundamental encontrar condiciones de operación
adecuadas para el procesamiento de esta materia prima. En la Figura 1-4 se muestra el
número de documentos científicos encontrados en la literatura por medio de la plataforma
de búsquedas Scopus para dos temas específicos y de gran importancia, como:
texturizado de 52100 y micromecanizado CNC, los resultados obtenidos fueron de 38 y
175 documentos para los dos temas respectivamente. Sin embargo, los artículos
reportados desarrollan sus investigaciones por medio de diferentes técnicas y en las que
implementan procesos de mecanizado CNC en AISI 52100, evalúan los efectos de los
parámetros de corte sobre la vida a fatiga del acero [42], integridad de la superficie durante
el torneado [43], y finalmente mecanizado con CNC sobre el acero pero con muy baja
calidad superficial [44].
Figura 1-4. Resultados de la búsqueda de investigaciones publicadas.
Otra pregunta que surge con relación al texturizado del acero AISI 52100 es si existe una
relación entre los parámetros de mecanizado y las características de la textura obtenida.
Encontrar la respuesta a esta pregunta requiere generar el conocimiento suficiente para
24 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
definir si el proceso de interés es viable industrialmente, y si las superficies generadas
poseen un desempeño tribológico superior.
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo general
Desarrollar superficies determinísticas inspiradas en pieles de serpiente y comparar su
desempeño tribológico con el de superficies obtenidas de modo convencional.
1.4.2 Objetivos específicos
• Identificar parámetros geométricos inspirados en la caracterización de la piel de
serpiente con el fin de definir patrones determinísticos de texturizado.
• Fabricar superficies metálicas con textura determinística mediante técnicas de
mecanizado, tomando las características topográficas de la caracterización de la piel de
serpiente realizada previamente.
• Evaluar la respuesta tribológica de las superficies determinísticas obtenidas
comparada con los resultados de superficies estocásticas.
.
2. Marco teórico
La etimología del término Tribología proviene del verbo griego “tribos” que significa frotar
o deslizar y el sufijo “logos” que significa estudio de, con lo que se define que la tribología
es la ciencia que estudia el comportamiento de la fricción, el desgaste y la lubricación de
superficies en contacto deslizante/rodante. La palabra tribología fue implementada por un
comité del gobierno del Reino Unido en 1966, este comité realizó un estimativo de
disminución de costos en dicho país considerando el conocimiento de los principios
tribológicos y aplicándolos en las industrias, posteriormente fue aplicado en otros países,
desde allí se genera la idea de invertir en investigación sobre el área de la tribología que
producirían grandes porcentajes de ahorro reflejado directamente, donde los ejes centrales
propuestos fueron [1]:
• La reducción de fricción la cual, genera directamente disminución en los consumos
de energía.
• Disminuir mantenimiento y reemplazo de partes en los equipos,
• Disminuir averías
• Aumentos de vida útil en la maquinaria
• Aumentar eficiencias en las maquinarias
• Reducción de mano de obra
• Disminución costos de lubricantes
La tribología es una ciencia que integra varias áreas del conocimiento de la ingeniería
dentro de las más destacadas están: la mecánica, la ciencia de los materiales y la
ingeniería de superficies, de éstas puede desplegarsen otras áreas del conocimiento que
complementan la aplicación de esta ciencia dando soluciones ingenieriles a problemas de
aplicaciones industriales [45].
26 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Existen casos particulares donde son necesarios valores de fricción altos, pero de manera
controlada, relacionado directamente con factores de seguridad, un ejemplo es el caso de
los automóviles en el sistema conformado por el neumático y la carretera, allí se pueden
encontrar coeficientes de fricción que están dentro del rango de 0.5 a 1.2, permitiendo
limitar la máxima aceleración y su mínima distancia para inmovilizar el vehículo. Pero hay
otros casos donde es deseable una baja fricción entre las partes deslizantes. Sin embargo,
un interés creciente no es tener valores bajos o altos de coeficientes de fricción, sino
garantizar que la fricción sea predecible con valores moderadamente constantes y no sea
perturbada por ruido en las medida o vibraciones [46].
2.1 Fricción
La fricción es definida como el resultado de una fuerza generada como resistencia cuando
se presenta un deslizamiento o una tendencia a deslizar en entre dos superficies,
materiales o cuerpos sólidos. Las superficies de las que hablamos pueden ser diferentes,
con características propias de su naturaleza.
Desde hace siglos se han venido realizando trabajos investigativos, pero es gracias a Da
Vinci y Amontons que se reconocieron las cuatro leyes básicas de fricción, enumeradas a
continuación [47]:
• “Existe una proporcionalidad entre la fuerza tangencial máxima antes del
deslizamiento y la fuerza normal cuando un cuerpo estático está sujeto a una carga
tangencial creciente”
• “La fuerza de fricción tangencial es proporcional a la fuerza normal en el
deslizamiento”
• “La fuerza de fricción es independiente del área de contacto aparente”
• “La fuerza de fricción es independiente de la velocidad de deslizamiento”
Se ha hablado de movimiento relativo, pero no se hablado de los dos movimientos que
pueden presentar, estos son: movimiento por deslizamiento y por rodadura. En esta
investigación nos centraremos en el movimiento relativo por deslizamiento. Suponiendo un
caso específico, donde una fuerza tangencial es aplicada en un cuerpo generando un
movimiento sobre el contra cuerpo que se encuentra estacionario. La relación entre esta
Capítulo 2 27
fuerza de fricción y la carga normal N se conoce como el coeficiente de fricción, y
generalmente se denota con el símbolo μ [48].
𝜇 =𝐹
𝑁 Ecuación 1
Para aplicaciones de sistemas deslizando en ausencia de lubricante y en presencia de
aire, implementando materiales comunes, el valor de μ se encuentra en el rango
aproximado de 0.1 a 1. A continuación se presentan tres hechos básicos [1].
TIPOS DE FUERZAS DE FRICCION
Fuerza de fricción estática: Es una fuerza mayor que la fuerza aplicada, por lo tanto, no es
suficiente para iniciar el movimiento de un cuerpo estacionario, debido a las fuerzas de
interacción presentes en la superficie de los cuerpos y a la rugosidad microscópica.
Fuerza de fricción cinética: Es una fuerza opuesta a la dirección del movimiento y está
presente cuando las superficies en contacto están en movimiento relativo una respecto a
la otra. Permanece con magnitud constante.
INTERACCIÓN DE SUPERFICIE Y CAUSAS DE LA FRICCIÓN
Todas las superficies presentan parámetros de rugosidad que definen la topografía que
entra en contacto, las dos superficies entraran en contacto entre sus asperezas y se define
entonces el área real de contacto, la cual es varios órdenes de magnitud menor que el área
aparente de contacto. Superficies lisas permitirán la interacción atómica en las regiones de
áreas reales de contacto y producirán una fuerte adhesión. Cuando una superficie es más
dura que la otra, las asperezas formaran surcos en la superficie más blanda, es por esto
que podemos describir la fuerza de fricción como la sumatoria de estas fuerzas
mencionadas (fuerza para romper uniones adhesivas más fuerza para desplazar las
asperezas en una superficie mediante abrasión). Para superficies limpias, la adhesión
domina fácilmente. Para superficies lubricadas, la fuerza de abrasión será una fracción
apreciable de las fuerzas de fricción:
𝐹 = 𝐹𝑎𝑑ℎ + 𝐹𝐴𝑟𝑎𝑑𝑜 Ecuación 2
28 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Trabajando con metales de propiedades similares, se presentan uniones muy fuertes,
debido al endurecimiento por trabajo durante el cizallamiento: por lo tanto, pueden
extraerse fragmentos grandes de ambas superficies. Por esta razón, no es recomendable
realizar trabajamos con metales similares, es recomendable elegir materiales duros que
no se endurezcan, aún más, durante el deslizamiento y ostente ductilidad limitada.
En la Figura 2-1 se encuentran los mecanismos microscópicos involucrados en la
generación de fricción: adhesión, interacciones mecánicas de asperezas superficiales,
arado de una superficie por asperezas de un material más duro, deformación y/o fractura
de capas superficiales como óxidos, y deformación plástica local causada por tres cuerpos,
principalmente partículas de desgaste aglomeradas, atrapadas entre las superficies
móviles [49].
Figura 2-1. Mecanismos a nivel microscópico que generan fricción. (a) Adhesión. (b) Arado. (c) Deformación y fractura de óxidos. (d) Partícula de desgaste atrapada. Modificada del HandBook Volumen 18 [49].
Capítulo 2 29
LAS LEYES DE LA FRICCIÓN EN SECO [50]
El componente de adhesión de la fricción se puede estimar de la siguiente manera: i el
área real de contacto es A y la resistencia a la corte específica de la unión es s, tenemos
𝐹 = 𝐴𝑠 Ecuación 3
Donde: - A, área real de contacto
- 𝑠, la resistencia especifica al corte de la unión
En un par deslizante dado, 𝑠 es aproximadamente constante. A es proporcional a la carga
para un rango muy amplio de condiciones de superficie, y no depende destacadamente
del tamaño total de los cuerpos, como ya se ha mencionado la fuerza de fricción también
es proporcional a la carga, pero independiente del tamaño de los cuerpos. Estas son las
dos leyes básicas de la fricción seca. Con metales donde las regiones de contacto fluyen
plásticamente
𝐴 =𝑁
𝑝 Ecuación 4
donde 𝑝 es la presión de fluencia o dureza del metal más blando. Luego, reemplazando la
Ecuación 3 y Ecuación 4, en la Ecuación 1. Nos queda, que el coeficiente de fricción esta
dado por:
𝜇 =𝑠
𝑝 Ecuación 5
Con un orden de 𝑝 igual a 5 𝑠, en el caso de sólidos dúctiles, 𝑝 es del orden 5s, por lo tanto,
queda un valor 𝜇= 0.2. La mayoría de los metales en el aire tienen valores más cercanos
a 𝜇= 1. Dos razones justifican lo anterior, Primero, el endurecimiento por trabajo durante el
corte puede aumentar 𝑠 en las capas superficiales sin afectar apreciablemente a 𝑝. En
segundo lugar, la combinación de las tensiones normales y tangenciales, puede influenciar
directamente sobre el área de contacto, incrementándolo y, esto causara un crecimiento
30 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
de la unión. Lo anterior, puede estar muy relacionado con metales dúctiles limpios y puede
conducir a enormes coeficientes de fricción o incluso a una gran rigidez.
2.2 Mecanismos de desgaste
El desgaste es el resultado de la interacción mecánica entre dos cuerpos en contacto que
están en movimiento relativo (deslizante o rodante) y bajo una carga normal, por lo cual se
genera una pérdida de material en cada superficie. El desgaste tiene lugar en las zonas
interfaciales que alcanzan niveles altos de estrés, en donde, se observan fallas mecánicas,
factores ambientales influencian sobre la forma de falla. Los mecanismos de desgaste
pueden ser descritos procesos adhesivos y transferencia de partículas entre las superficies
en contacto; producción de partículas (Abrasivo) y, falla por fatiga superficial. Esta sección
estará enfocada a los primeros dos mecanismos de desgaste, ya que, son los que
comprende esta investigación. Los tres mecanismos de desgaste suceden en la interfaz
de los sólidos por la transferencia de tensiones, aunque, en fluidos también pueden
presentar tensiones elevadas a velocidades de impacto altas, dando lugar a otros dos
mecanismos de desgaste conocidos como erosión y cavitación. Se puede mencionar el
desgaste químico, aunque éste influye en todo el ámbito de la tribología, se debe tener en
cuenta que para considerarse un mecanismo de desgaste debe ir acompañado de una
acción mecánica [50].
DESGASTE ADHESIVO
La adhesión expresada como la fuerza de atracción aplicada entre las estructuras
atómicas, genera la formación de enlaces y asegura dichas uniones entre átomos y/o
superficies en contacto. Adhesiones fuertes y sin necesidad de cargas normales son
presentes en superficies limpias con estructuras cristalinas. En el caso donde la superficie
este contaminada, la adherencia se verá afectada, lo mismo sucede cuando las superficies
presentan carga normal y deslizamiento entre estos, favoreciendo la rotura de películas
superficiales, caso particular de las películas de oxido donde se presentan deformación
plástica por presencia de altas cargas.
El coeficiente de fricción, dado como la relación entre la fuerza de fricción y la carga,
basado en que, la fuerza (fricción) requerida para romper uniones es proporcional a su
Capítulo 2 31
área total, y esta, es proporcional a la carga en condición de contacto plástico. El
coeficiente de fricción no es una propiedad fundamental de un par de materiales, justificado
por lo mencionado anteriormente: “materiales con similar estructura cristalina presentan
adhesiones fuertes sin necesidad de carga”. Ahora bien, la teoría de la plasticidad predice
el crecimiento del área de contacto entre dos superficies en deslizamiento, dichas
superficies ostentan un estado de contacto plástico. Cualquier grado de contaminación
puede reducir la resistencia al corte de la interfaz impidiendo el crecimiento del área unida.
También, se ínsita el crecimiento de las regiones de contacto implementando superficies
de contacto heterogéneo. Todo esto se puede entender mejor con la ayuda de la Figura
2-2.
32 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Figura 2-2. Desgaste adhesivo. Tomado de [50].
La formación de una unión, también conocida como “soldadura en frío”, forma parte inicial
del mecanismo de desgaste, mas no se genera pérdida de material dentro del sistema;
esta unión puede ser fortalecida gracias al endurecimiento por trabajo. Cuando el corte
ocurre, hay lugar a la transferencia material de una superficie a otra. La transferencia de
material es el resultado producido por una fractura, pero no se produce desgaste hasta
que un mecanismo secundario rompa esta partícula. Frecuentemente se forman grupos de
partículas y se separan como una sola entidad. La etapa final del proceso de desgaste
puede ser explicada como es que la ruptura ocurre cuando la energía elástica simplemente
Capítulo 2 33
excede la energía de la superficie; este último se reduce considerablemente por la reacción
ambiental [51], [52].
La mayoría de procesos de desgaste empiezan con mecanismos adhesivos, pero cuando
ese proceso se ve favorecido por la generación de desechos “debris” conduce
directamente a la posibilidad de que cambie a abrasión, los desechos pueden conformarse
como óxidos, productos duros altamente abrasivos, que por medio del deslizamiento
pueden empezarse a aglomerar en las superficies derivando disminución en las tasas de
desgaste, ya que, actúan como un amortiguador entre las dos superficies. El desgaste
posterior puede ocurrir por abrasión o por fatiga [50].
DESGASTE ABRASIVO
Es el desgaste ocasionado por las protuberancias o partículas duras y con geometrías
angulosas o agudas. Los abrasivos generalmente generan daño mediante corte
caracterizado por una gran cantidad de deformación y desplazamiento del material.
Durante la abrasión de metales es común la ocurrencia de endurecimiento por trabajo,
generando granos abrasivos con una dureza mayor a la superficie del metal, existiendo
una relación entre la resistencia al desgaste y la dureza. La Figura 2-3 muestra un
diagrama de dureza vs resistencia al desgaste abrasivo para metales puros y el efecto del
tratamiento térmico y del endurecimiento por trabajo [50].
Por último, partículas unidas a alguna superficie opuesta y con liberta para deslizarse y
rodar entre dos superficies pueden también generar desgaste por abrasión, sin embargo,
partículas rodando causan menores desgastes. La magnitud y el tipo de desgaste depende
directamente del ángulo de impacto de las partículas y del nivel de ductilidad, fragilidad o
elasticidad de la superficie [50] [51], [52].
34 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Figura 2-3.Desgaste abrasivo aspectos generales. Modificado de [50]
2.3 Texturizado de superficies
Los métodos de texturizado de superficies se pueden clasificar de acuerdo con sus
características físicas y a sus principios de operación, algunas de estas técnicas y diseños
desarrollados se pueden encontrar en la Tabla 2-1, la técnica con mayor cantidad de
investigaciones y que más ha llamado la atención se llama texturizado superficial con láser
(LST, por sus siglas en inglés: Laser Surface Texturing), sin embargo, en los últimos años
hay otras técnicas como impresión 3D que han ganado fuerza en múltiples sectores como
el automotriz, alimentación, medicina, defensa, aeroespacial y arquitectura [53]–[55] .
Tabla 2-1. Métodos de texturizado y diseños de superficies. Modificado de [56].
Capítulo 2 35
Característica física
Técnica Forma
texturizada [57]
Adición de material
Electrodeposición, fotolitografía, impresión 3D, oxidación térmica, ataque micro-electrolítico [14],
[19], [54], [55], [58], [59].
Cuadrados Círculos
Hexágonos Ranura
Remoción de material
LST (Laser Surface Texturing) [60]–[65]
Círculos Elipses Rombos Ranuras
LBM (Laser Beam Machining) [66]
Micromecanizado, CNC, Fresadora, Torneado [67], [68]
Ranuras Círculos
Mecanizado electroquímico
Electroerosión [69]
Abrasive Jet Machining [66] Círculos
Desplazamiento mecánico
Indentación [18] Ranuras Rombos
El mecanizado con control numérico por computadora (CNC) es una tecnología
especializada en producción de componentes y piezas con alta precisión y complejidad
dimensional. El CNC puede acoplarse a una amplia variedad de equipos categorizados en
el área de remoción de material, tales como tornos, fresadoras, centros de mecanizado,
taladradoras, punteadoras, mandrinadoras, rectificadoras, punzonadoras, máquinas de
electroerosión, etc.” [70].
Para este estudio se hizo énfasis en dos técnicas que se fundamentan en la remoción
mecánica de material, alcanzando texturas con alta definición y excelentes propiedades
tribológicas, conocidas como:
Texturizado por mecanizado asistido por computador (CNC):
El mecanizado de 5 ejes proporciona infinitas posibilidades en cuanto a los tamaños y
formas de las piezas que puede procesar de manera eficaz. El término "5 ejes" se refiere
al número de direcciones en las que se puede mover la herramienta de corte. En un centro
de mecanizado de 5 ejes, la herramienta de corte se mueve a través de los ejes lineales
X-Y-Z, y gira sobre los ejes A y B para acceder a la pieza de trabajo desde cualquier
dirección. En otras palabras, usted puede procesar las cinco caras de una pieza en un solo
36 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
montaje [71], en la Figura 2-4 se muestra un ejemplo práctico de la fabricación de
superficies en un centro de mecanizado de 5 ejes.
A continuación, se enumera las ventajas y razones por las cuales se escoge este método
de texturizado, con el cual podremos desarrollar texturas complejas con mayor precisión y
de tamaño micrométrico en superficies con diferentes formas como, por ejemplo: cilindros,
ruedas, etc.
Ventajas del mecanizado de 5 ejes [71]–[73]:
• El mecanizado de formas complejas en un solo montaje aumenta la productividad
• Se ahorra tiempo y dinero con una menor preparación de los accesorios
• Aumenta el rendimiento y el flujo de efectivo, y al mismo tiempo reduce los plazos
de entrega
• Mayor precisión de las piezas porque la pieza de trabajo no se desplaza a través
de varias estaciones de trabajo
• Posibilidad de utilizar herramientas de corte más cortas para altas velocidades de
corte y menor vibración de la herramienta
• Logra acabados de superficie superiores y mejor calidad general de la pieza
Figura 2-4. Esquema del equipo para texturizar por CNC. Tomado de [74].
Texturizado por mecanizado asistido por modulación (MAM):
Capítulo 2 37
Después de hacer una revisión sobre los autores que trabajan este método se obtienen
resultados de un grupo destacado de autores enfocados en parámetros para hacer de este
método uno de los más llamativos para texturizar, por ejemplo: Chandrasekar en su
trayectoria de investigación presenta:
• Reducciones de hasta el 70% de la energía en relación con que en el mecanizado
convencional trabajando a bajas frecuencias (<1000 Hz) y con metales dúctiles
tales como el cobre y Al 6061T6 [34].
• En una investigación más reciente realiza en el mapeo in situ de flujo de material
en alta resolución usando campos y líneas de tensión, mediciones simultáneas de
movimientos de la herramienta y fuerzas, de tal manera que las fuerzas
instantáneas y la cinemática se pueden sobreponer sobre el proceso de formación
de viruta [35]. Un esquema del equipo se presenta en la Figura 2-5.
• Desarrolla un modelo analítico para la predicción de topografía de la superficie, que
tiene en cuenta las geometrías de herramienta, las condiciones de modulación y
los efectos del flujo lateral de corte del plástico, entre los resultados medidos y los
resultados predichos se presenta un error alrededor del 20%. Este modelo puede
servir como una base teórica para el posterior control de la morfología y la
topografía de la superficie de la viruta [31].
Figura 2-5. Equipo para texturizar por MAM (Modulation
Assisted Machining). Modificado de [34].
3. Materiales y métodos
La metodología utilizada para la ejecución de la tesis se sintetiza en las siguientes cuatro
etapas: caracterización de la piel de serpiente, texturizado, pruebas tribológicas,
finalmente, análisis y síntesis de resultados. Todas las actividades de cada etapa
metodológica son desarrolladas en serie como se observa en la Figura 3-1.
Figura 3-1. Descripción esquemática de las etapas metodológicas de la tesis.
I. Etapa de caracterización de la piel de serpiente: En esta etapa se desarrolla
toda la caracterización de la piel de serpiente con el propósito de identificar
patrones que puedan servir como referente geométrico para el diseño de las
texturas. Se dividió en 2 fases descritas en la Figura 3-8 y enumeradas a
continuación:
A. Preparación de Pieles: Las pieles se clasificaron en 4 zonas (llamadas
cuartiles en esta investigación) con secciones que van desde la cabeza hasta
la cola, tal como es reportado por Abdel-Aal y colaboradores [75]. Estos autores
justifican la división en zonas acorde con “el perfil funcional de cada posición en
Caracterización piel de serpiente
•Preparación de muestras
•Morfología, topografía y tribología
Texturizado
•Diseño de la textura
•Técnicas de Mecanizado (CNC)
Pruebas tribológicas
•Diseño experimental
•Ensayos tribológicos
Análisis de resultados
Capítulo 3 39
las especies vivas” en donde cada región es asociada o representada por una
parte del cuerpo [75].
B. Morfología, topografía y tribología de las escamas ventrales de la piel: Una
vez clasificadas las zonas de estudio se utilizaron técnicas no destructivas como
microscopía óptica (LOM), microscopía electrónica de barrido (SEM) y
microscopía de fuerza atómica (AFM) para analizar las pieles. La
caracterización se realizó en dos niveles: macroscópico y microscópico. El
primer nivel comprende las medidas que van desde la simple vista hasta llegar
a las escamas como unidad, se contemplan medidas en magnitudes desde
centímetros hasta milímetros (inspección visual y LOM). A nivel microscópico,
se hace referencia a la estructura y subestructura de la piel, para este nivel se
contemplan medidas en magnitudes que van desde micrómetros hasta
nanómetros (SEM y AFM). Además, se realizó un montaje de la piel sobre una
superficie que permitiera desarrollar las pruebas tribológicas y que a su vez no
afectara los resultados, lo último se aborda con mayor precisión en la sección
3.2.2.
II. Etapa de texturizado: Esta etapa se divide a su vez en las siguientes fases: diseño
del texturizado y la fabricación de superficies texturizadas, descritos a continuación.
A. Diseño del texturizado: Con los resultados de la fase anterior fueron
seleccionados algunos parámetros geométricos como referentes para el
diseño de las texturas a construir. Los diseños poseen diferentes
magnitudes absolutas en comparación a las medidas obtenidas de las
escamas ventrales de la serpiente, pero se buscó conservar proporciones y
relaciones de aspecto. En la creación del diseño se tomaron en cuenta
limitantes propios del método de fabricación: manufactura por micro
mecanizado CNC, para evitar conflictos entre el diseño y la fabricación, las
cuales serán abordadas con mayor precisión en la sección 4.2.2.
B. Fabricación de superficies texturizadas: Las superficies se fabricaron en
un centro de mecanizado marca Haas UMC-750 - CNC en la Institución
Universitaria Pascual Bravo en la ciudad de Medellín. El mecanizado con
múltiples ejes fue necesario para obtener exactitud de todas las
dimensiones de forma automática configurada por un modelo
40 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
computarizado [36], [76].
Luego de fabricar las superficies se procedió a realizar su caracterización
morfológica (LOM, SEM, perfilometría de contacto). Además, se llevó a cabo
el análisis metalográfico en la zona mecanizada para descartar eventuales
variaciones microestructurales.
Las herramientas adquiridas para desarrollar las texturas fueron
caracterizadas mediante LOM y SEM- EDX.
III. Pruebas Tribológicas: Se realizó la evaluación del comportamiento tribológico de
cada una de las superficies desarrolladas usando el tribómetro pin-disco instalado
en el laboratorio de tribología y superficies de la Universidad Nacional de Colombia
Sede Medellín. Estos ensayos tribológicos suministraron información del
coeficiente de fricción (COF) y permitieron entender los mecanismos de desgaste
dominantes para las condiciones de ensayo.
Los pines de acero AISI 52100 empleados tienen una geometría cilíndrica cara
plana con longitud de 16,6 mm y diámetro de 10 mm. El contra cuerpo es un disco
de acero AISI H13 con espesor de 8 mm y diámetro de 21 cm. Durante los ensayos
se realizaron mediciones de fricción. Las pruebas se realizaron con carga normal
de 50 N en condiciones de deslizamiento con y sin lubricación, tiempo de ensayo
de una hora y velocidad de deslizamiento de 0,5 m/s.
Finalmente se procedió a comparar los resultados de fricción obtenidos por las
superficies convencionales (sin tratamiento y sin texturizado) y se compara con los
obtenidos sobre las superficies determinísticas (con tratamiento y texturizado). Para
identificar los mecanismos de desgaste involucrados en el proceso fue necesaria la
caracterización LOM y SEM de las superficies ensayadas.
3.1 Materiales:
3.1.1 Piel de serpiente
Se seleccionó como material de estudio la piel de serpiente de la especie Pitón Real Albina
caracterizada por habitar en bosques abiertos, praderas de sabana y matorrales [77], [78].
Capítulo 3 41
El aspecto de la serpiente y las características principales se muestran en la Figura 3-2 y
Tabla 3-1 respectivamente. Es importante aclarar que las muestras usadas en esta
investigación fueron obtenidas luego de un proceso natural de muda de piel en el cual no
se realizaron ensayos o análisis sobre los animales.
Figura 3-2. Aspecto de la especie Pitón Real Albina [79].
Tabla 3-1. Descripción de La especie analizada Pitón Real Albina [77], [80]–[82].
Nombre común Pitón bola / Pitón real
Nombre científico Python Regius
Familia Boidae
Género Python
Especie Python Regius
Longitud 120-180 cm
Peso 1.3 kg aprox., adultos alcanzan los 5 kg.
Posición geográfica Oeste de África central, zona tropical de África
Hábitat Bosque, prados y matorrales
3.1.2 Aceros para el par tribológico
Se extrajeron muestras de acero SAE 52100 con dimensiones de 10 mm de diámetro por
16,6 mm de altura de agujas provenientes de un rodamiento marca Pésaro utilizado en
cajas de cambio de transmisión modelo (ZF) 16S-1650. La composición química nominal
del acero AISI 52100 se presenta en la Tabla 3-2.
Tabla 3-2. Composición química nominal del acero AISI 52100 [83].
% en peso
42 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Número UNS
Número SAE-AISI C Mn P S Si Cr
G52986 52100(b) 0.98−1.10 0.25−0.45 0.025 0.025 0.15-0.35 1.30-1.60
El contra cuerpo definido para evaluar tribológicamente las texturas fabricadas sobre los
pines de acero AISI 52100 fue el acero AISI H13. En la Tabla 3-3 se encuentra la
composición química del acero AISI H13 suministrada por el proveedor Uddeholm AB,
productor multinacional de acero para herramientas de alta aleación. Luego de un
tratamiento térmico definido por un proceso de austenización a una temperatura de 1025°C
con un tiempo de mantenimiento de 30 minutos y 2 revenidos a 250°C y tiempo de
mantenimiento 3 y 2 horas, su dureza pasó de 20 a 58-60 HRC. El tratamiento térmico fue
realizado por la empresa Templamos S.A.S.
Tabla 3-3. Composición química nominal del acero AISI H13. Valores suministrados por el proveedor Uddeholm AB [84].
Número SAE-AISI % en peso
C Si Mn P S Cr Mo V
H13 0.39 1.0 0.4 0.017 0.0002 5.2 1.4 0.9
Para poder mecanizar el acero AISI 52100 se sometió a un tratamiento térmico de recocido
bajando su dureza, y una vez se obtuvieron las superficies texturizadas se templaron y
revinieron para lograr la dureza adecuada para las pruebas tribológicas. Las siguientes
indicaciones fueron basadas en el ASM Handbook volumen 4: tratamientos térmicos [85]
y en recomendaciones de literatura de tratamientos térmicos de aceros [86]:
Proceso de recocido: Se seleccionó una temperatura de 790°C durante una hora y
enfriamiento en horno. Usualmente el tiempo mínimo descrito en la literatura para muestras
de espesores hasta 25 mm es de 1 hora [85] [86].
• Proceso de temple: calentamiento a 850°C por un tiempo de 2 horas y enfriamiento en
aceite.
• Proceso de revenido: Calentamiento a 150°C por una hora y enfriamiento en aceite. Se
seleccionó dicha temperatura usando la curva de revenido mostrada en la Figura 3-3.
Capítulo 3 43
Figura 3-3. Dureza vs Temperatura de revenido para AISI 52100. Tomado de [87].
Con el propósito de analizar las propiedades microestructurales de los materiales
estudiados en la presente tesis se realizó análisis metalográfico convencional cuyos
detalles más relevantes se describen a continuación.
• Proceso de corte: Se utilizaron dos equipos de corte, una cortadora de
disco abrasivo marca Struers Discotom para el corte de los cilindros con un
plano paralelo a la base y el equipo de corte Buehler Isomet 1000 con disco
de diamante para los cortes perpendiculares a la base. Las condiciones de
operación para la Isomet 1000 fueron 5 gramos fuerza (gf) de carga y una
velocidad de 100 RPM, con refrigerante.
• Montaje en baquelita: Para el montaje se utilizó una prensa de montaje en
caliente, para la cual se definió un ciclo de calentamiento de 7 minutos y de
enfriamiento de 4 minutos.
• Proceso de pulido: Cada probeta se preparó superficialmente mediante el
uso de papeles abrasivo de grano decreciente desde n. 450 hasta
1200.Subsecuentemente las muestras fueron pasadas por paños con
partículas de alúmina de 3 μm y, por último, las muestras fueron lavadas
para retirar partículas producto del pulido y secadas con aire frío.
44 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Para la fase de observación se realizó un ataque químico con Nital al 5% por 5 segundos
permitiendo revelar las características microestructurales específicas para su posterior
evaluación en microscopio óptico (LOM).
3.1.3 Lubricante
Se realizó el análisis de viscosidad del aceite multigrado Repsol 10W40 implementado en
los ensayos tribológicos. Se realizaron las medidas en el viscosímetro Brookfield DV - II +
pro, con un baño termostático TC – 650 para mantener la temperatura constante [88]. Se
seleccionaron como temperaturas de medida las reportadas por el fabricante,
correspondientes a 40 °C y 100 °C. Los parámetros de ensayo fueron los siguientes:
● Velocidad inicial husillo: 5 rpm
● Número de ciclos: 30
● Aumento de velocidad en cada ciclo: 5 rpm
● Tiempo entre ciclos: 30 segundos
En la Tabla 3-4 se muestra el promedio de los datos obtenidos en los ensayos del
viscosímetro, se obtiene el valor de la viscosidad dinámica en centipoise cP; al dividirlo por
la densidad del aceite se halla la viscosidad cinemática en centistoke cSt. Además, se
reporta la desviación estándar de los datos. Ahora bien, con los valores reportados en la
ficha técnica del fabricante se realiza un comparación y verificación, por lo tanto, para una
temperatura de 40 °C se adquirió un valor de 87,247 cSt y Repsol reporta un valor de 91
cSt y para una temperatura de 100 °C el viscosímetro reporto valores de 13,63 cSt,
mientras el fabricante 13,5 cSt. Como se expone, la variación de los resultados
comparados es mínima y al cumplir con las condiciones, se procedió a realizar las pruebas
en el tribómetro pin disco.
Tabla 3-4. Resultados de viscosidad dinámica y cinemática para el aceite Repsol 10W40
Temperatura (°C)
Viscosidad dinámica (cP)
Viscosidad cinemática (cSt)
Desviación estándar
0 746,95 857,57 2,42
40 75,99 87,25 1,83
45 58,85 67,57 2,59
Capítulo 3 45
100 11,88 13,64 1,67
3.2 Caracterización de la piel de serpiente
Para la caracterización de las pieles se realizó un seccionamiento en cuartiles, en cada
cuartil de la piel de la serpiente se evaluaron diferentes parámetros morfológicos. Debido
a que el tamaño de las escamas de la piel varía según la posición del cuerpo del animal,
no se pudo definir un número de escamas ventrales fijo para cada cuartil y se determinó
establecer un tamaño constante para todos los cuartiles con la finalidad de facilitar el
ensamble de la piel para los ensayos tribológicos. El número de escamas para cada uno
de los cuartiles fue: Q1:7, Q2: 8, Q3: 8 y Q4:7, la variación de sección en las zonas de las
extremidades se debe a la reducción del tamaño de las escamas en dichas zonas.
3.2.1 Caracterización morfológica y topográfica
La microestructura de las escamas ventrales se caracterizó por medio de microscopía
óptica (LOM), microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía de fuerza atómica
(AFM). En la Figura 3-4 se especifican las diferentes escalas de magnificación empleadas
en la caracterización morfológica de la piel estudiada en el centro de las escamas
ventrales.
Figura 3-4. Escala caracterización en la piel de serpiente.
46 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Inicialmente se realizaron las observaciones de la estructura superficial en escala
milimétrica mediante la técnica de microscopia óptica, usando un estéreo microscopio
Nikon Eclipse y por medio del software Image J se realizaron las mediciones
correspondientes a cada uno de los parámetros seleccionados. Se definió como geometría
característica un hexágono para representar la escama ventral de las serpientes
estudiadas (ver Figura 3-5), las medidas tomadas fueron la longitud (l) y el ancho del
hexágono (w).
Figura 3-5. Geometría simplificada de una escama ventral.
La relación de aspecto de las escamas ventrales (VSAR = Ventral Scale Aspect Ratio) se
define como:
𝑉𝑆𝐴𝑅 =𝑙
𝑤 Ecuación 6
Analizado las micrografías tomadas sobre el interior de las escamas se encontró que la
piel presenta unas microestructuras ondulantes con distribuciones específicas para cada
cuartil. Esta microestructuras son llamada fibrillas; y han sido ampliamente reportadas en
la literatura [20], [82], [89], [90]. En la Figura 3-6 se presenta una micrografía obtenida por
SEM en la piel de la serpiente de interés. Se puede observar que diferentes parámetros,
relacionados a las fibrillas, pueden ser identificados y cuantificados:
• ζ: Longitud de la fibrilla
• 𝜔: Ancho de la fibrilla
• 𝐷: Separación entre fibrillas
• λ: Separación media entre filas de fibrillas
Capítulo 3 47
Figura 3-6. Ilustración esquemática de la definición de parámetros geométricos para la caracterización de la textura superficial de la piel de serpiente.
En la literatura [20], [82], [89], [90], se han propuesto diferentes relaciones geométricas
basadas en los anteriores parámetros morfológicos, anteriormente presentados, para
caracterizar las fibrillas, entre los que se encuentran:
• Densidad de fibrillas, referida a la cantidad de estas protuberancias por unidad de
área o longitud.
• Relación de aspecto de las fibrillas (𝜻/𝝎) FAR por sus siglas en inglés (Fibril
Aspect Ratio), que informa acerca de la forma de las protuberancias a partir del
cociente entre su longitud y su ancho.
• Separación media entre filas de fibrillas, λ, de especial interés en las especies
en las que se observan arreglos de subestructuras de fibrillas en hileras.
Al igual que los parámetros morfológicos anteriores (ζ, 𝜔, 𝐷 y λ) existe otro parámetro que
describe la altura de la fibrilla, llamado “altura de la punta de fibrillas” (h), medida hasta el
punto más alto del relieve de la microestructura. En la Figura 3-7 se presenta una
ilustración del parámetro h.
48 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Figura 3-7. Ilustración de algunos parámetros morfológicos desde una vista transversal de la fibrilla.
El análisis a escala microscópica de las escamas ventrales de la piel se realizó por medio
de un microscopio electrónico de barrido Carl Zeiss EVO MA 10 con voltajes de aceleración
en un rango entre 4 y 10 KV. Para realizar este ensayo las muestras fueron recubiertas
con una capa nanométrica de oro/paladio por medio de deposición física de vapor en un
equipo Quorum Q150R ES.
Por medio de microscopía de fuerza atómica se analizaron las características topográficas
de las escamas a escala nanométrica en un equipo Park NX10, en modo no contacto a
una tasa de escaneo de 0.6 Hz en un área cuadrada de 25 µm.
En la Figura 3-8 se resume la etapa de caracterización desarrollada en la piel de serpiente,
luego de ser definidas cada una las técnicas implementadas y las siglas definidas para
identificar los parámetros característicos, hasta los dos tipos de texturas fabricadas y
definidas bajo la nomenclatura, Text. D y Text. E.
Capítulo 3 49
Figura 3-8. Fase I - Etapa de Caracterización de la piel de serpiente.
3.2.2 Caracterización tribológica
En esta sección se realizó un procedimiento ensamblando muestras de piel sobre silicona
con el propósito de darle soporte elástico a la piel durante los ensayos, los experimentos
del montaje de la piel fueron ejecutados siguiendo como base el procedimiento abordado
por E. L. Ballantyne y H. A. Abdel-Aal [91]. Las muestras a se pusieron en contacto con
madera de balso en el tribómetro pin-disco y se midió el coeficiente de fricción generado
por el par piel/balso. Las Figura 3-9 y Figura 3-10 muestran el aspecto típico de una
muestra y un esquema simplificado de la máquina de ensayos.
50 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Figura 3-9. Montaje de una muestra de piel en silicona.
La madera es conocida como “balso” porque los indígenas utilizaban este tipo de madera
en la construcción de balsas, pero su nombre científico es Ochroma pyramidale o también
llamada Ochroma lagopus. Es una de las maderas más ligeras y resistentes, por lo tanto,
tiene diversas aplicaciones en la industria. En la Tabla 3-5 se especifican algunas
propiedades mecánicas encontrada en la literatura para los materiales implementadas
para los ensayos pin-disco (la madera y la silicona) [92], [93].
Tabla 3-5. Propiedades mecánicas: balsa – silicona [94], [95].
Material Propiedades Kg/cm2
Madera: Balso
Resistencia a la flexión 190 Resistencia a la compresión 100
Resistencia a la tracción 26 Módulo de elasticidad 26800
Silicona
Resistencia mecánica a la compresión 101.97-305.91
Resistencia mecánica a la tracción 24.47-56.08
Módulo elástico 51-203.9
Coeficiente de Poisson 0.47-0.49
Figura 3-10. Esquema de la configuración de contacto para los ensayos pin-disco, donde se aplica carga normal y velocidad relativa.
Capítulo 3 51
Los ensayos pin-disco se llevaron a cabo en dos direcciones con respecto a la piel:
dirección, caudal-craneal (T-H; por sus siglas inglés Tail-Heat) correspondiente al
movimiento del cuerpo de la serpiente hacia adelante, y la dirección opuesta o craneal-
caudal (H-T). La Figura 3-11 se ilustra la diferencia haciendo énfasis en la direccionalidad
de los elementos de textura (fibrillas).
Tabla 3-6. Parámetros ensayos pin-disco para las pieles.
Parámetros Magnitud
Carga 2.52 N Velocidad de deslizamiento (m/s) 0.1 Tiempo (minutos) 10 Pin Piel Contra cuerpo Madera-Balso Rango de temperatura 19-25 °C Rango de humedad relativa 35–54%
La carga normal fue definida a partir del peso medio por unidad de longitud de la especie
estudiada, trabajando con la información reportada en la Tabla 3-1 y las medidas del ancho
de las escamas obtenidas con ayuda del microscopio óptico. Para el individuo estudiado
se tomaron como consideraciones: la distribución de peso y el tamaño de escamas
homogéneos. Es importante aclarar que en la naturaleza no toda la superficie de la sección
ventral de la serpiente entra en contacto deslizante con el sustrato debido a los tipos de
locomoción desarrollados por el animal para su desplazamiento, por lo tanto, su peso no
se distribuye uniformemente. Sin embargo, para las pruebas implementadas, dado que el
número de escamas en contacto son en promedio tres, la aproximación de distribución
uniforme de carga se considera razonable.
Figura 3-11. Direcciones de deslizamiento estudiadas con respecto a la orientación de la textura superficial de las escamas ventrales.
52 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
3.3 Texturizado
Se utilizó el software CAM SprutCAM 11® en donde se selecciona el tipo de centro de
mecanizado, para este caso: CNC de cinco ejes HAAS UMC-750 ubicado en el laboratorio
de Control numérico computarizado en la Institución Universitaria Pascual Bravo (ver
Figura 3-13). Algunos detalles del equipo son: control 30HP (18.6 kW), 40000 rpm máximo,
incluye el Sistema de Palpado Intuitivo y espacio de trabajo en X-Y-Z. Además, para la
generación de estrategias de mecanizado del conjunto de pines se inicia con una operación
de planeado, luego se procede a generar la trayectoria de mecanizado de las curvas con
ondulaciones periódicas, los cuales se programaron con una estrategia que consiste en el
seguimiento de una de las aristas de la onda con el borde de la herramienta, se estableció
las medidas de la herramienta, tales como: fresa cilíndrica de 10 y 0.3 mm de diámetro
(ver Figura 3-12). Estas herramientas fueron caracterizadas por microscopía electrónica
de barrido antes y después del proceso de fabricación de texturas, se tomaron medidas
del espesor y observación del desgaste del recubrimiento.
a) b)
Capítulo 3 53
c) d)
Figura 3-12. Vistas superior y lateral de las herramientas utilizadas: A-C. Fresa de 10 mm y B-D. Fresa de 0,3mm.
Figura 3-13. CENTRO DE MECANIZADO DE PRECISIÓN UMC-750 [96].
Para el mecanizado de superficies por remoción de material o “arranque de viruta” se
utilizan estrategias de trabajo con teoría de mecanizado de alta velocidad (MAV). Luego
de realizar varios ensayos variando condiciones de operación para la fabricación (Puesta
a punto), se caracterizaron y analizaron para definir cuales presentaron mejores acabados
y menores defectos superficiales. De esta forma, se definió la metodología de fabricación:
54 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
1. Se dibuja la pieza a mecanizar en un software CAD (SolidWorks, formato. step).
2. Se importa el archivo .step en el software CAM. Aquí se le denomina material
primitivo, cero de pieza, se implementa estrategias de corte con las variables
establecidas por la teoría de la mecánica del corte para posteriormente simular el
proceso y realizar el post procesado. El software CAM que se utiliza es el
SPRUTCAM versión 11.5 (ver Figura 3-14).
Figura 3-14. Software y maquina usada en la simulación-producción del código.
3. Luego se edita el código post-procesado manualmente, eliminando los códigos de
encender husillo en sentido horario, y determinando 2 ceros de pieza (G54 y G55),
ya que se maquinan dos probetas a la vez.
4. Se montan las piezas en la máquina y se toman ceros de pieza con un palpador
intuitivo.
5. Se hace un planeado previo con una herramienta de 10mm de diámetro para
garantizar planitud de la superficie. La estrategia utilizada es un desbaste por capas
en dirección y concordancia con respecto al filo de la herramienta.
6. Se toma ceros en el eje Z de cada una de las probetas.
7. Se realiza el mecanizado de las texturas.
8. Para finalizar se realiza un análisis visual en estereoscopio y microscopio, se
cambian variables de corte hasta llegar a unas condiciones óptimas de trabajo y de
acabado superficial.
Capítulo 3 55
Sivaiah reporto los parámetros de mecanizado para corte sobre AISI 52100 con dureza de
15-20 HRC [44], sin embargo estas no aplicaron para este trabajo por dos razones: la
primera por que inicialmente se trabajó el acero a durezas de 62 HRC, segundo diferencias
en las condiciones de operación proporcionaron un acabado superficial no deseado, por lo
tanto las variables de corte se cambiaron progresivamente hasta conseguir los mejores
resultados en la fabricación de las probetas, las condiciones definidas se muestran en la
Tabla 3-7.
Tabla 3-7. Condiciones fabricación en muestras cilíndricas. Descripción Valor
Velocidad husillo 40,000 RPM Avance 750 mm/min
Corte axial 75% del diámetro de la herramienta Refrigerante Sintético Repsol10W-40
Para el aumento de la velocidad de corte se utiliza un husillo con turbina de aire, el cual
trabaja con una presión de aire de 90 PSI. La fresa utilizada para el planeado presenta 4
labios, también llamadas flautas, tipo molino de extremos planos y un ángulo de hélice de
35°. En la Tabla 3-8 se encuentran algunas propiedades e información de las herramientas
utilizadas:
Tabla 3-8. Descripción Herramientas.
Ítem Descripción
Material Carburo de tungsteno matriz de cobalto
Recubrimiento TiAlN
Diámetro Fresa 1 10 mm
Diámetro Fresa 2 0,3 mm
Longitud de corte 0,6 mm
Dureza 68 HRC
Las herramientas fueron seleccionadas por su buen desempeño en procesos de
mecanizado, especialmente en procesos de corte interrumpido. Estas presentan alta
resistencia a la oxidación, excelente ductilidad, estabilidad térmica hasta temperaturas de
1000°C, mayores durezas y resistencia al desgaste.
56 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
3.4 Diseño de las texturas
Con base en los resultados adquiridos en la fase de caracterización y evaluación tribológica
de la piel presentados en la Tabla 4-2 y la Figura 4-10, se trabajó con características
generales enfocándose principalmente a los parámetros con los cuales se alcanzaron
valores de COF más bajos para la evaluación de modificaciones tribológicas
proporcionadas por las texturas fabricadas. Estas condiciones, se observaron para los
cuartiles extremos que presentaron valores mayores del ancho de fibrillas y menores de
largo de fibrillas con respecto al tercer cuartil, el cual presentó el COF más grande de los
cuatro cuartiles para ambas direcciones de deslizamiento. Por lo tanto, se decidió diseñar
ranuras con geometría tipo ondas acordes a la forma del fibril y la alineación del conjunto
de fibriles en la escama ventral, para lo cual los valores seleccionados fueron ancho inicial
y final de 0,9 mm y 21, mm respectivamente, y largo de 1,5 mm. Las profundidades de
ranuras fueron seleccionadas como valor mínimo la profundidad de los hoyuelos
encontrados en la piel y como valor máximo el promedio de alturas en las puntas de
fibrillas, se habla de valores redondeados de 40 um y 60 um de profundidad. En la Tabla
3-9 se presentan los valores geométricos específicos para micro mecanizado de texturas.
Sin embargo, estos valores estaban sujetos a las limitaciones del programa, herramienta
y el equipo de fabricación de texturas (CNC). En la sección 4.2.2 se encuentra las
modificaciones realizadas para lograr una sincronía en todos los elementos involucrados.
Tabla 3-9. Valores específicos para micro mecanizado de texturas.
Parámetro Valor
Lambda (mm) 0,9 - 4 Longitud de onda (mm) 1,5 Ancho onda inicial (mm) 0,9 Ancho onda final (mm) 2,1 Profundidad ranuras (µm) 40 – 60
Las texturas diseñadas fueron inspiradas en la caracterización de la piel de serpiente. Sin
embargo, es fundamental aclarar que este trabajo no pretende replicar, pero sí se toman
como referentes algunas características para el diseño. Las medidas para cada uno de los
factores de diseño se presentan en la Tabla 3-9, estos factores se definieron teniendo
presente las condiciones críticas del proceso de manufactura, tanto de la herramienta
como del equipo para micro mecanizado. En la Figura 3-15 se presentan el CAD de los
dos diseños construidos, allí se describen las dimensiones definitivas que fueron
Capítulo 3 57
implementadas en la fabricación de texturas con patrones determinísticos en los diseños
definidos tipo D y tipo E.
A) Diseño tipo D B) Diseño tipo E
Figura 3-15. Diseñados propuestos para dos distancias entre fila de ondas A) diseño D es 4 mm y B) el diseño E es 0.9 mm.
La Figura 3-16 es una imagen obtenida del programa SPRUTCAM donde se muestra lo
que ejecutara el código elaborado, y tiene como finalidad contextualizar al lector sobre el
proceso que sigue el equipo para fabricar los diseños. En la figura mencionada se
encuentra un sólido cilíndrico a mecanizar de color gris y la herramienta implementada de
color verde, la cual seguirá el camino de entradas y salidas de forma axial en la pieza de
trabajo visualizado con la línea punteada de color rojo, continuando, con la elaboración del
texturizado y, por tanto, la remoción de material que describe la línea de color verde. La
idea de producir ranuras está enfocado a la evaluación de estas cavidades como
almacenamiento de desechos o escombros generados por el desgaste del par deslizante,
proporcionando una superficie entre los dos materiales libres de escombros, principales
culpables de incentivar la participación de diferentes mecanismos de desgastes y
modificaciones de fricción.
58 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Figura 3-16. Proceso de fabricación de texturas sobre SAE 52100.
3.5 Pruebas tribológicas de las superficies texturizadas
Se realizó una sintonización de variables con ensayos previos para analizar la posible
influencia de un factor sobre la variable respuesta, a partir de esta puesta a punto se
permitió definir varios parámetros como variables de estudio y otros como variables
controladas: carga normal definida en 50 N y velocidad de deslizamiento de 0,5 m/s
limitada por el equipo de trabajo, además de un tiempo de ensayo 30 minutos para
garantizar la estabilización de sistema deslizante.
Se desarrolló un diseño de experimento tipo 2K enfocado en las texturas obtenidas a partir
de remoción de material evaluando la influencia de la variación para las distancias entre
fila de elementos de textura (ondas), la profundidad de las ranuras, la condición de
lubricación y la dirección de deslizamiento, para esta última la orientación de deslizamiento
paralelo va en dirección de la amplitud de las ondas y perpendicular, en dirección a la
longitud de la onda. En los ensayos lubricados se usó un aceite 10W40 sintético marca
Repsol. La figura 3.14 describe las variables y factores involucrados en el experimento.
Capítulo 3 59
En la Tabla 3-10 se presentan los valores de las variables de entrada. Se incluyeron 3
réplicas por cada combinación para reducir incertidumbre. Se construyó una tabla donde
las combinaciones están aleatorizadas para eliminar algún tipo de sesgo estadístico.
Figura 3-17. Variables involucradas en ensayos tribológicos.
Tabla 3-10. Variables de entrada y sus niveles.
Factor Nombre Bajo Alto
A Lambda [mm] 0.9 4
B Profundidad ranuras [µm] 40 60
C Condición deslizamiento Seco Lubricado
D Dirección Paralelo Perpendicular
3.6 Análisis de superficies desgatadas
Finalizando los ensayos tribológicos se procedió a analizar las superficies desgastadas por
medio de microscopía óptica (LOM) y microscopía electrónica de barrido (SEM) para
obtener evidencia de los patrones que permitieron distinguir el mecanismo de desgaste
que predomino. Adicionalmente se realizaron pruebas en la estación de rugosidad Mitutoyo
Surftest SV 3000 para medir las características superficiales, verificando variaciones en
las profundidades de las ranuras propias de las texturas determinísticas.
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1 Caracterización de la piel de serpiente
4.1.1 Morfología y naturaleza determinística
En la Tabla 4-1 se presentan los valores promedios de área y relación de aspecto (VSAR)
para las escamas ventrales. De acuerdo con los valores allí reportados se identifica que
los cuartiles de los extremos presentan los valores de área más bajos, producto de la
reducción en las dimensiones de longitud y ancho correspondientes a las escamas de
menor tamaño en las zonas del inicio y final del cuerpo de serpiente, mientras que se
mantiene la misma relación de aspecto (VSAR) con los cuartiles centrales. En esta primera
observación las muestras no tuvieron ningún tratamiento ni recubrimiento como se puede
ver en la Figura 4-1, en esta se puede hallar el área de la escama como la línea punteada
y la VSAR con las líneas continuas 𝑙 y 𝑤. Las escamas de los costados no tuvieron
relevancia en esta investigación.
Capítulo 4 61
Figura 4-1. Sección de piel sin tratamiento, Fotografía digital.
En la Figura 4-1 se evidenció claramente como, aunque las escamas ventrales y dorsales
presenten una forma de polígono de seis lados similar, difieren en tamaños y exhiben en
los extremos una estructura tipo membrana limite adicional de efecto opaco, muy delgadas
y flexibles, las cuales le permiten estirar y expandir su circunferencia para realizar
funciones vitales como el proceso de alimentación y digestión [97].
Tabla 4-1. Área y relación de aspecto para las escamas ventrales por cuartil.
Cuartil VSAR Desviación Área escama
(mm2) Desviación
Primero 2,2 0,2 167,3 25,8
Segundo 2,1 0,1 208,9 4,3
Tercero 2,1 0,2 208,3 7,2
Cuarto 2,1 0,2 202,1 9,8
62 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
La Tabla 4-1 presenta el área de la escama en las secciones de cada cuartil con su
respectiva desviación estándar. Los extremos, cuartil primero (Q1) y cuartil cuarto (Q4)
presentan desviaciones significativas, justificado porque las diferencias dimensionales de
las escamas ventrales aumentan a medida que se acercan a la cabeza o cola. Sin
embargo, el último cuartil no expone cambios con rangos tan grandes en sus medidas
comparado con el primero, el cual exhibe variaciones de áreas entre 149,1 - 185 mm2,
longitudes de 1,6 - 1,98 cm y ancho de 0,72 - 0,91 cm, por esta razón en la Tabla 4-1 se
presenta una desviación de ± 25,8 mm2 para dicho cuartil (Q1). Estas diferencias de áreas
según la posición del cuerpo presentaron influencia en los resultados de fricción, como se
presenta más adelante en este documento y como lo ha mencionado H. A. Abdel-Aal, El
Mansori, and Mezghani en su trabajo [75].
De los análisis de SEM y AFM se pudo caracterizar una distribución de fibrillas o
denticulaciones con sus puntas orientadas con dirección hacia la cola de la serpiente y la
variación de sus dimensiones acorde a la localización en el cuerpo del animal [20], [23],
[98]. Sin embargo, se puede observar una formación ordenada de fibrillas ilustrado en la
Figura 4-2 con líneas de color amarillo.
Figura 4-2. Distribución ordenada de fibrillas. Hacia la izquierda se encuentra la cola y a la derecha la cabeza. SEM.
Capítulo 4 63
En la Tabla 4-2 se presentan las medidas promedio obtenidas en la caracterización
detallada de la textura superficial de la piel, observadas en micrografías en SEM como se
mostró en la Figura 4-2. Las medidas presentan muy baja variabilidad para todos los
cuartiles. El tercer cuartil presenta los valores máximos para densidad de fibrillas, tanto por
área como lineal, la longitud de las fibrillas como la relación de aspecto. El FAR y la
densidad lineal presentaron valores más altos que el promedio en porcentajes por encima
de 33% y 12%, respectivamente. Por el contrario, este mismo cuartil tiene el valor más
bajo para el ancho de las fibrillas, por lo que se podría atribuir las mayores densidades
fibrillas. Hablamos en promedio de tamaños de las fibrillas con longitudes de 1,07 ± 0,16
µm, anchos de 0,52 ± 0,06 µm y separación entre fila de fibrillas de 4,12 ± 0,29 µm.
Tabla 4-2. Parámetros medidos en las imágenes obtenidas en el SEM.
Sección/ Cuartil
Lambda - λ (µm)
Densidad de
fibrillas (fibrilla /μm2)
Densidad lineal de fibrillas (fibrilla/
μm)
Ancho de fibrillas ω (µm)
Longitud fibrilla ζ(µm)
Relación de
aspecto de
fibrillas FAR (ζ/ω)
Distancia entre
fibrillas (µm)
Primero 3,74 0,42 1,34 0,51 0,83 1,62 0,79
Segundo 4,27 0,45 1,45 0,54 1,18 2,19 0,94
Tercero 4,28 0,47 1,61 0,44 1,21 2,79 0,72
Cuarto 4,19 0,42 1,37 0,59 1,04 1,77 0,81
Promedio (μm) 4,12 0,44 1,44 0,52 1,07 2,09 0,81
Desviación (μm)
0,29 0,06 0,14 0,06 0,16 0,49 0,08
La Figura 4-3 se presenta el comportamiento de los parámetros geométricos de cada zona
evaluada, separación entre fila de fibrillas – Lambda (Figura 4-3a), relación de aspecto de
fibrilla (FAR) (Figura 4-3b) y la densidad de fibrilla por área (Figura 4-3c). Comparando
características, se encuentra una relación para algunos aspectos geométricos: lambda
enseña valores del casi el doble de la relación de aspecto, a su vez, esta última también
exhibe como la longitud es el doble del ancho de las fibrillas. Por lo tanto, los valores de
densidad tienden a ser inferiores a 0,5 fibrillas/ µm2. Con las características observadas
hasta este punto se plantea la hipótesis de diseñar texturas con ondas geométricas que
cumplieran con algunas relaciones calculadas.
64 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
a)
b)
Capítulo 4 65
c)
Figura 4-3. Características morfológicas a) Lambda b) FAR c) Densidad por área, las barras de error indican desviaciones estándar.
En la Figura 4-4 se presentan los perfiles de alturas (h) de fibrillas suavizados en dirección
Cola-cabeza (de izquierda a derecha) y, obtenidos por el software XEI de la corporación
Park Systems mediante AFM. Para la especie analizada el rango de valores para la
elevación de las puntas fluctuó entre 43 - 92 nm, con una altura promedio de 66 nm y una
desviación de 16 nm.
66 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Figura 4-4. Perfil de alturas mostrando la variación de pendiente de las fibrillas en
el eje anteroposterior. La altura media de las fibrillas es de 66 ± 16 nm. AFM.
Las imágenes obtenidas mediante la técnica de AFM y presentadas en la Figura 4-5,
revelan características morfológicas también observadas en las imágenes SEM, pero
gracias al AFM, fue posible realizar mediciones a escala nano de dichas características
que se mencionan a continuación:
• La elevación de las puntas de fibrillas (superficie con mayor relieve en la piel)
presentan un grado de inclinación diferente de acuerdo con la dirección evaluada,
es así, como para la dirección caudal-craneal alcanza los 2,9 ± 0,9° y para la
dirección opuesta (craneal-caudal) presenta un valor 4 veces mayor con 11,1 ±
1,9°. Esta característica morfológica permite generar condiciones de fricción
dependientes de la dirección de deslizamiento como ya ha sido reportado en la
literatura [99].
a.
Capítulo 4 67
b.
Figura 4-5. Imágenes AFM - fibrillas y conjunto de hoyuelos en las escamas ventrales de la piel de serpiente en áreas de a. 10x10 μm, b.2x2 μm.
• Cavidades en forma de óvalos no homogéneos (hoyuelos) dispersos en toda la
zona, algunos de estos residen al inicio de las fibrillas. Se midieron los valores
promedio de dimensiones para la máxima profundidad entre 36 ± 9 nm y diámetro
de 303 nm. A la izquierda de la Figura 4-6 a y c, se identifican cavidades con formas
circulares y ovaladas, se seleccionó cavidades identificadas en las imágenes con
triángulos y una línea roja que lo atraviesa para obtener el perfil de profundidad,
mostrado en la Figura 4-6 b y d. Algunos estudios que se vienen adelantando en el
grupo de investigación, pero que aún no han sido publicados sugieren que estas
microcavidades sirven para almacenar agua para lubricar el proceso de
deslizamiento, sustentado por investigadores que afirmando como la piel podría
segregar o almacenar en estas cavidades algún tipo de fluido que se comporta
como lubricante [75], [90], [99], [100]. Las Figura 4-6 b y d, presentan el perfil de
profundidad para las cavidades seleccionada entre los triángulos y la línea roja de
las Figura 4-6 a y c, respectivamente.
68 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
a) b)
c) d)
Figura 4-6. Caracterización de cavidades: a) y c) Imagen en AFM de la piel en un área de 2 um x 2 um, b) y d) perfil de alturas.
• En las escamas de la sección central de la serpiente, especialmente en el cuartil
tres, desde las imágenes SEM fueron identificados algunos daños físicos en la
microestructura que alcanzó un 17% de fibrillas deterioradas sobre el número total,
dichos daños fueron definidos en esta investigación como desprendimiento de
fibrillas, lo cual proporciona elevaciones atípicas con magnitudes de 179 nm,
prácticamente triplica el valor del promedio de las fibrillas que no presentan daños.
Dos casos son observados. En primer lugar, con mayor número de casos son
fibrillas levantadas de la superficie, por otra parte, el segundo también presenta
levantamiento de fibrillas, pero con ruptura de puntas. Lo anterior, fue confirmado
en el anilisis de las observaciones en el AFM (ver Figura 4-7 b) y c)).
Capítulo 4 69
a) b)
c)
Figura 4-7. Daños de fibrillas en secciones de la piel, observados en a) SEM, b) AFM y c) perfil elevación de fibrillas.
Con los resultados obtenidos en toda la investigación se elaboró la Tabla 4-3, en donde se
encuentra el nombre, la ecuación para calcular estas relaciones geométricas y el valor
correspondiente. Estos datos corresponden a deslizamiento rectilíneo en dirección caudal-
craneal o viceversa, no para deslizamiento lateral. A su vez, algunos parámetros fueron
utilizados para diseñar texturas con características similares a las microestructuras de las
escamas ventrales, mas no fueron replicadas dichas dimensiones.
70 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Tabla 4-3. Parámetros característicos de la piel de serpiente para diseños de texturas
Relación Definición Valor
Relación aspecto característica
(FAR)
Longitud de fibrilla
Ancho de fibrilla 2,09
Relación de esbeltez
característica (FSR)
Altura de fibrilla
L. fibrilla en dirección deslizante
0,05
Relación de aspecto superficial
(SAR)
Distancia entre fila de fibrillas
Altura de fibrilla
101,31
Investigadores como M.J Baum atribuyen la anisotropía de la piel de serpiente a la
combinación de dos factores: la geometría microestructural de la superficie y el ángulo de
orientación de los fibrillas de la epidermis [98].
4.1.2 Respuesta tribológica
Se obtuvieron las curvas promedio de coeficiente de fricción para los cuatro cuartiles, como
se observa en la Figura 4-8, en la dirección de deslizamiento caudal craneal (T-H) se
observaron valores de coeficientes de fricción bajos y un comportamiento creciente del
tercer cuartil, además, el último cuartil presenta los valores más bajos en ambas
direcciones. Los valores más altos se obtuvieron para la dirección craneal-caudal (H-T)
como se presentan en las gráficas de coeficiente de fricción en ambas direcciones (ver
Figura 4-8 y Figura 4-9) y se detalla en el diagrama de barras de la Figura 4-10. En ambas
direcciones las gráficas del COF presentan una tendencia estable a partir de los 5 minutos
aproximadamente. Ahora bien, en el tercer cuartil se presenta una pendiente mayor a las
curvas de las otras secciones
Capítulo 4 71
Figura 4-8. Coeficientes de fricción (COF) en la dirección Caudal-Craneal.
Figura 4-9. Coeficientes de fricción (COF) en la dirección Craneal-
Caudal.
72 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Los anteriores resultados demuestran que efectivamente los valores de COF varían según
el cambio de dirección de deslizamiento y la zona de piel estudiada, confirmando el
comportamiento anisotrópico sobre el eje longitudinal, lo cual está directamente
relacionado con el orden particular y las diferencias dimensionales de las fibrillas para cada
cuartil. Los datos que presenta el tercer cuartil ayudan a explicar la relación de la
microestructura con los resultados en los ensayos tribológicos: al tener una mayor cantidad
de fibrillas (longitudes de mayor valor y separación entre fibrillas menores valores, lo cual
aumenta el valor de densidad de fibrillas) proporcionan una mayor área de contacto, lo cual
se ve reflejado en los aumentos en el COF.
En la Figura 4-10 se presenta el diagrama de barras donde se observa cómo el coeficiente
de fricción, las barras del color azul, muestran los COF promedio en dirección caudal-
craneal (T-H) y en gris la dirección craneal-caudal (H-T) con su respectiva desviación
estándar. El coeficiente de fricción más bajo lo presenta el cuarto cuartil: en dirección para
caudal-craneal con un valor de 0.104, y hacia craneal-caudal de 0,109. Se observa
igualmente, que el COF promedio para el tercer cuartil fue significativamente mayor en
ambas direcciones, registrando valores de 0,177 y 0,206 caudal-craneal y en dirección
contraria, respectivamente. Todos los datos registrados son cercanos a los reportados en
la literatura, aunque los valores de este trabajo están por debajo de los reportados por
otros autores [21], [98], [101]
Figura 4-10. COF promedios de cada cuartil en ambas direcciones, las barras de error indican desviaciones estándar
1 Cuartil 2 Cuartil 3 Cuartil 4 Cuartil
COF T-H 0,107 0,127 0,177 0,104
COF H-T 0,152 0,145 0,206 0,109
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
COF Pitón Real Albina
COF T-H COF H-T
Capítulo 4 73
Se evidencia el efecto de la morfología y la dirección de las fibrillas, las cuales generan
coeficientes de fricción más bajos para el desplazamiento caudal-craneal (movimiento
hacia adelante) por la reducción de los esfuerzos cortantes en las superficies de fibrillas,
que a su vez involucra las fuerzas adhesivas [99], [102] (ver Figura 4-10). Investigadores
como Martina J. Baum atribuyen las propiedades anisotrópicas de la piel a la combinación
de dos factores: “la geometría de la superficie con microestructuras y el ángulo de
orientación de los fibrillas de la epidermis” [98]. A partir de los resultados ya presentados
de las mediciones de fricción y el análisis SEM [103] se genera una correlación entre el
patrón microestructural de las escalas ventrales y la anisotropía de fricción.
Para la especie de serpiente Pitón Real Albina se han reportado estudios sobre
propiedades de fricción generada por las escamas ventrales deslizando sobre vidrio [104],
en donde se utilizó un tribómetro con una sonda tribo-acústica, obteniendo COF de 0,2 y
0,28 en deslizamiento Cola-cabeza (adelante) y cabeza-cola (Hacia atrás)
respectivamente. Sin embargo, los valores obtenidos en esta investigación para la especie
Pitón Real Albina en un tribómetro pin disco presenta valores en dirección caudal-craneal
en el rango de 0,1-0,18 y de 0,11-0,21 en dirección contraria.
Algunos investigadores [22], [105], [106] han realizado estudios sobre coeficiente de
fricción de la piel sobre madera (corteza de árbol) y/o superficies con cierta rugosidad,
evaluando de esta forma el control de fricción desarrollado por las serpientes al presentar
valores significativamente diferentes frente a cada contra cuerpo implementado.
4.2 Desarrollo de las superficies texturizadas
4.2.1 Caracterización del sustrato
En la Figura 4-11 y Figura 4-12 se muestran las micrografías para la sección transversal
de la barra de acero 52100 en la condición en la que se extrajo del rodamiento. Se Observa
un grupo de pequeñas manchas oscuras localizadas identificadas con círculos de color
rojo en la Figura 4-11, esta presencia de pequeños agujeros (hoyuelos) en el metal
evidencia que la superficie del material sufrió picadura o “pitting” cómo se reconoce en
inglés. En la Figura 4-11 c se observa una microestructura martensítica con carburos
distribuidos uniformemente, responsable de la resistencia al desgasta que ostenta esta
clase de material.
74 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
a) b)
c)
Figura 4-11. Micrografías en microscopio óptico del AISI 52100 obtenido comercialmente, sin ningún tratamiento térmico, a aumentos de a) 10x, b)50x y c)100x
Se encuentra algunas diferencias entre la microestructura de la muestra sin tratamiento
térmico y las muestras luego del tratamiento térmico realizado, principalmente: En la Figura
4-12 se observa una microestructura de martensita con zonas de austenita retenida,
también, la presencia de carburos en bajas proporciones con respecto a la Figura 4-11 c.
esta última presenta a su vez una microestructura homogénea a diferencia de la
microestructura presente en la Figura 4-12c.
Capítulo 4 75
a) b)
c)
Figura 4-12. Micrografías en microscopio óptico del AISI 52100 obtenido comercialmente, recocido a 790°C, templado a 850°C y revenido a 150°C, a aumentos de a) 10x, b)50x y c)100x
4.2.2 Retos ingenieriles del proceso de fabricación:
El objetivo de esta sección es alcanzar las mejores condiciones de las superficies,
incluyendo acabados de texturas con mejor definición y repetibilidad en las dimensiones.
Luego de varios ensayos y análisis, se tomaron decisiones y se descartaron algunos
procesos propuestos que no fueron apropiados, solucionando dificultades que tuvieron
lugar y de esta forma se consiguió la fabricación de superficies en el material de interés. A
continuación, se describen algunas de las problemáticas:
Limitaciones geométricas:
Para los diseños planteados fue necesario adecuar la amplitud y curvatura de la onda
acorde a la herramienta que se implementó y las limitaciones tanto del programa donde se
realizó el código como del equipo donde se fabricaron. Los valores con los que se iniciaron
76 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
los diseños cumplieron con parámetros obtenidos de la piel de serpiente, manejando las
mismas relaciones de FAR, lambda, profundidad de hoyuelos y altura de fibrillas. Sin
embargo, fue necesario adecuar los valores de curvatura según el diámetro de la
herramienta para evitar el choque de la misma con el sólido de trabajo, al ajustar la
curvatura se generó un ancho con variaciones de valores en forma creciente, generando
un valor inicial de 0,9 mm como se había propuesto pero solo para el ancho de la curvatura,
porque el ancho final de los elementos de textura llegó hasta los 2,1 mm definido en los
planos expuestos en la Figura 3-15.
Condiciones del Acero AISI 52100:
Los primeros ensayos realizados se llevaron a cabo en condiciones iniciales del material
con propiedades características del material, en donde se encontraron durezas que
oscilaban entre 64-68HRC. Por lo tanto, fue necesario buscar una herramienta con las
características de dureza mayores o por lo menos similares, principalmente para favorecer
propiedades tribológicas donde la topografía de la superficie más dura deformara al más
blando, de tal forma, que la herramienta pudiera resistir la fabricación de los diseños en las
muestras originales, es allí donde se seleccionó una fresa de dos labios con recubrimiento
de TiAlN usada para trabajar con materiales de durezas hasta 68HRC. Luego de este paso,
se realizó la caracterización para cada uno de los diseños fabricados, en donde se
encontraron varios problemas como el desgaste de la fresa, debido a las durezas similares
tanto en la herramienta como en el acero.
La Figura 4-13 a) muestra la capa homogénea del recubrimiento para la fresa que no tuvo
ningún uso en comparación con la Figura 4-13 b) en donde se evidencia fallas en el
recubrimiento de la herramienta con la cual se fabricaron superficies, aunque, la mayoría
de fresas presentaron fractura sin finalizar la textura como se observa en la Figura 4-14.
Sin embargo, en la vista lateral no se alcanza a observar la mayor cantidad de desgaste,
por lo que se realizaron imágenes en vista superior y con un grado de inclinación, en la
Figura 4-13 c)-d) se muestra en la parte superior de la fresa un color gris metálico y en los
lados un color dorado producto del recubrimiento, por lo tanto, se evidencia el desgaste
por completo del recubrimiento en la parte superior y lateral (labios de la herramienta),
quedando expuesto el material base de la herramienta generando defectos en la
fabricación como: diferencias métricas en las profundidades de las ranuras fabricadas, e
irregularidades en las superficies.
Capítulo 4 77
a) b)
c) d)
Figura 4-13. Imágenes en LOM, fresa de 0,3mm de diámetro: a) Sin ningún uso y b - c - d luego de la fabricación de superficies en vista lateral, superior y con inclinación.
78 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Figura 4-14. Montaje en CNC y fabricación de texturas.
Para la probeta de diseño tipo E en proceso de fabricación de la Figura 4-14 se tomaron
medidas de profundidades para cada una de las ranuras y un perfil por medio de una
estación de rugosidad, se tomó una longitud de medida de 7 mm de los 10 mm del diámetro
total del pin (ver Figura 4-15), esta curva ha mostrado los siguientes problemas:
• Acumulación de material removido en el borde de la ranura (Rebaba) con
alturas considerables, valores alrededor de 43 µm que entrarían en contacto
con el contra cuerpo al momento de la realización de los ensayos tribológicos.
• Disminución del valor definido de profundidad en el avance de cada una de las
ranuras mecanizadas, medidas variando desde 51 hasta 15 µm, es decir,
alcanzó un 68% de diversificación. Además, por lo menos la primera ranura
debió presentar una profundidad de 60 µm. Fueron planteados dos posibles
causas, el primero es desgaste de las fresas, el segundo que también tuvo
lugar, es el montaje de las probetas, las cuales están sujetas con base tipo
prensa ejerciendo presión en los bordes del cilindro, por lo que, el cambio de
las profundidades en parte estuvo relacionado con el movimiento vertical de la
probeta a texturizar, causada por la presión del brazo ejercida por el centro de
Capítulo 4 79
mecanizado sobre la superficie plana de la probeta. Para eliminar el error
presentado por este último, se realizó un montaje con una base en donde el
pin tenía soporte en la cara base (zona plana contraria a la superficie a
texturizar) y presión en los bordes con unos sujetadores que se acomodaban
acorde a la superficie circular (ver Figura 4-18).
• Mayores consumos generaría la fabricación de las superficies debido a dos
factores:
1. Consumos operativos: mayores tiempos de fabricación, tiempo para cambiar
la fresa fracturada, reinicio del programa, tiempo del operario. Los tiempos de
mecanizado para diseños tipo D fue de aproximadamente 20 y 60 minutos para
el tipo E, esto sin contar el tiempo de calentamiento del equipo, de montaje de
las probetas, cambio de fresas desgastadas o fracturadas y ajustes de cero de
pieza.
2. Consumo del número de fresas para la fabricación: 1 fresa por tipo D y 2
fresas por tipo E.
Ante la situación planteada y el conocimiento de la fresa obtenido en la sección 2.1.1
Degradación de la herramienta de corte, se entendió cómo la herramienta se está
comportando como el material más blando, permitiendo deformación y desgaste
provocado por el material más duro (acero AISI 52100). Para dar por terminado estos
problemas se decidió realizar tratamiento térmico a las muestras cilíndricas, inicialmente
un recocido para bajar dureza, mecanizarlos y luego hacerles un temple y revenido para
llegar a las condiciones de dureza comerciales 64 HRC.
80 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Figura 4-15. Perfil transversal de la superficie fabricada para diseños tipo E.
VARIABLES DE CORTE
Las variables de corte utilizadas como propuesta inicial, fueron seleccionadas a partir de
la teoría de mecánica de corte, las condiciones de operación son enunciados en Tabla 4-4,
con las cuales se consiguieron tiempos de mecanizados para las probetas tipo E de 50
minutos y tipo D 15 minutos, a pesar del tratamiento térmico se observó que bajo estas
condiciones la formación de rebaba permaneció en gran cantidad y con gran volumen tal
cual como se observa en las micrografías de la Figura 4-16 a magnificaciones de 25x, 100x
y 500x realizadas para evaluar el acabado de la superficie. Para evitar esto se propuso
hacer un desbaste al final del texturizado con la fresa de 10 mm para retirar el exceso de
material removido en los bordes de las ranuras, no obstante, lo único que generó fue un
desplazamiento del material removido al interior de las ranuras como se presentó en la
Figura 4-17.
Tabla 4-4. Variables de operación en la fabricación de texturas.
Parámetro Valor
Velocidad en el husillo 40000 RPM
Avance 70 mm/min
Corte axial 0.005 mm
Corte radial 75 % del diámetro de la herramienta
Refrigerante Sintético
Capítulo 4 81
a)
b)
c)
Figura 4-16. Micrografías SEM con magnificaciones de a) 10x, b)100x y c) 500x
82 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
a)
b)
Figura 4-17. Imagen obtenida por LOM, rebaba almacenada en las ranuras.
Capítulo 4 83
Luego de los resultados observados en la Figura 4-17. Se decidió emplear modificaciones
en las variables de operación de la máquina y también se modificó el soporte donde se
montaban las muestras de acero, proporcionado mayor estabilidad y evitar las vibraciones
en la pieza de trabajo (ver Figura 4-18). Se siguieron los consejos compartidos por la
empresa de Sandvik Coromant en su página web para el ranurado de cavidades
superficiales de baja profundidad [107], algunas de la cuales se enumeran a continuación:
• “La profundidad de corte axial se debe reducir por regla general hasta cerca del
70% de la longitud del filo”, para este caso en especial estamos hablando de una
longitud de filo para la herramienta de 0,6mm, sin embargo, la profundidad máxima
de las ranuras es de 60 µm y su reducción recomendada seria de 0,43mm, lo cual
no aplica para nuestro caso. Entonces, seguimos disminuyendo el valor inicial de
0,005 mm para el corte axial hasta llegar a 0,0018 mm, Ahora bien, los resultados
obtenidos mejoraron el acabado de las ranuras, con esquinas cuadradas más
definidas.
• “Tenga en cuenta el avance por filo para producir un espesor de la viruta
satisfactorio. Utilice fresas de paso grande para evitar virutas delgadas, que pueden
provocar vibración, superficie deficiente y rebabas”.
• “Si la ranura es más superficial, aumente el avance”. Como segunda medida se
cambia progresivamente la variable de avance, es de esperarse la disminución del
tiempo de operación del CNC para la fabricación de las texturas alcanzando valores
de 2 minutos para tipo D y 10 minutos para el tipo E por pin. Los tiempos medidos
fueron únicamente del tiempo tardado en realizar el diseño, sin tener en cuenta
tiempo de montaje, preparación el equipo y ajustes de ceros de posición, en estas
condiciones las fresas no presentan daño alguno alcanzado a fabricar con una sola
fresa 12 muestras, luego se cambia de fresa para evitar fractura de la fresa y daños
en la probeta montada. Pero el resultado más importante fue la disminución casi
completa de la rebaba.
84 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Figura 4-18. Montaje para fabricación de un par de texturas.
En la Tabla 4-5 se encuentran los valores definidos para realizar los micro mecanizados,
luego de realizarse varios ensayos preliminares que fueron indispensables y
fundamentales para la puesta a punto del procedimiento de texturizado. Es importante
aclarar que la formación de viruta o rebaba es normal en un proceso de mecanizado, pero
la intensión que, por cierto, se logró fue minimizar al máximo la formación sin medida de
esta.
Tabla 4-5. Condiciones de operación definitivas para la fabricación de texturas.
Parámetro Valor
Velocidad en el husillo 40000 RPM Avance 750 mm/min Corte axial 0.0018 mm Corte radial 75 % del diámetro de la herramienta Refrigerante Sintético
Capítulo 4 85
Aunque parezca evidente que, para disminuir consumo dentro del mecanizado, debemos
aumenta la velocidad de avance y así disminuir los tiempos de fabricación, también fue
necesario encontrar las condiciones más adecuadas para trabajar y obtener los mejores
resultados, dentro de los que se destacan el acabado superficial, la resistencia de las
herramientas, entre otras. En este caso particular no sabíamos que velocidad podría
resistir la herramienta, por lo tanto, la velocidad de avance se fue aumentando
regularmente. Además, cuando aumentamos la velocidad de avance con un corte axial de
0,005 mm, si se disminuyó el tiempo en que el equipo construía el diseño, pero la cantidad
de formación de rebaba no disminuyó y el acabado de las ranuras no simulaban paredes
con ángulos rectos bien definidos, al contrario, tendían a formar unas cavidades
semiesféricas. Es así como la variación del corte axial hace complemento para obtener un
acabado con mayor definición, bajando la cantidad y el tamaño del material acumulado en
los bordes de las cavidades, a su vez los tiempos fueron mínimos con respecto a las
condiciones trabajadas inicialmente, se alcanzó a cambiar de 10 a 2 minutos para los
diseños tipo D y para los E pasamos de 50 a 15 minutos, variaciones del 80% y 70%,
respectivamente.
• Tratamiento térmico:
El tratamiento de recocido fue fundamental para disminuir problemas como fractura de
fresas tanto para micro mecanizado como para el planeado, por la baja dureza las fresas
no presentaron daños significativos. Luego se realizó la verificación de profundidades para
cada una de las muestras elaboradas en el centro de mecanizado y se presenta el
promedio de estos valores en la Tabla 4-6. Continuamente, al finalizar el temple y revenido
de las superficies se seleccionaron muestras aleatorias para volver a medir las
profundidades, comparando dichos resultados con los reportados en la Tabla 4-6 solo se
encontraron variaciones mínimas de 3 µm y máximas de 5 µm, las cuales no son
significativas y están asociadas a la formación una capa externa después del tratamiento
térmico.
86 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Tabla 4-6. Promedio alturas de ranuras
Muestra D 40 µm D 60 µm E 40 µm E 60 µm
1 30 55 32 47
2 30 56 45 60
3 31 60 40 61
4 39 56 44 53
5 33 52 45 52
6 45 59 30 65
7 30 55 47 50
8 43 59 40 54
9 33 54 32 49
10 31 59 44 50
11 35 58 26 50
12 45 59 28 60
Promedio 35,42 56,83 37,78 54,25
Desviación 5,98 2,52 7,62 5,79
La Figura 4-19 muestra imágenes SEM luego del recocido, fabricadas en condiciones
definitivas para el centro de mecanizado con avance de 750 mm/minuto y corte axial de
0,0018 mm. La rebaba producida por la remoción de material es mínima en forma y
magnitud comparada con las obtenidas bajo la variación de condiciones operativas en la
Figura 4-16.
a) b)
Capítulo 4 87
c) d)
Figura 4-19. Micrografías SEM en superficies recocidas y fabricadas bajo las condiciones definitivas de operación
• Postprocesado
Se trazaron tres estrategias que permitieron evaluar la más acertada para limpieza
y remoción de la capa de carburos formada en la superficie de la textura después
del tratamiento térmico realizado para mejorar dureza del material, se reportaron
imágenes comparativas del antes del tratamiento térmico de temple y revenido con
las obtenidas después del procedimiento seguido en esta sección. Las siguientes
son las propuestas:
✓ Decapado: Remoción de viruta, oxido y/o carburos en los pines por medio del
proceso de lavado químico, utilizando un decapante y pasivamente para acero
inoxidable industrial [108]. Inmersión de la pieza metálica en la solución durante
12 minutos en total, cada 4 minutos se extrajo el pin y se revisó que la solución
no estuviera generando daño en la superficie y se sumergió nuevamente.
Después, la superficie fue lavada con agua, jabón y la ayuda de un cepillo con
cerdas suaves.
Figura 4-20. Inmersión de acero inoxidable por inmersión en decapante. Elaboración propia.
88 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
A pesar de estar revisando periódicamente la superficie, cuando se retiró por
segunda vez la muestra del beaker se observaron algunos daños superficiales
mínimos, pero todavía se observaba un poco de rebaba y secciones de capa de
carburos, los últimos dos minutos se evidenció un burbujeo excesivo, al retirarse el
pin por tercera vez se presentaron daños severos en la superficie como se muestra
en la Figura 4-21, allí se encuentran imágenes de las texturas a) - b) antes del
tratamiento térmico, c) -d) ya tratados térmicamente y luego del decapado, daños
severos son expuestos en toda la superficie del acero, especialmente en la ranura
tanto en el interior como en las paredes, los bordes quedaron totalmente comidos
y deformado, esto a su vez, generó cambios dimensionales, doblando el espesor
inicial de la ranura de 0,3 mm a valores entre 0,65 mm hasta 0,8 mm
a) b)
c) d) Figura 4-21. Imágenes de las muestras texturizadas en LOM a)-b) Antes del templado y c) y d) después del decapado.
Capítulo 4 89
Otro proceso de limpieza fue realizado en un baño ultrasónico de sonda e inmerso en una
solución de agua destilada - 5%wt. de Al2O3 con tamaño de grano 10-20 µm durante 10
minutos condiciones seleccionadas basadas en otra investigación [109], este
procedimiento se realizó para algunos pines con presencia de oxido en algunas zonas. Sin
embargo, luego de este método se percibieron algunos daños superficiales, tales como,
desprendimiento de viruta con generación de bordes con ruñido y picaduras en la superficie
(ver Figura 4-22). Por lo tanto, estos procedimientos con decapantes químicos fueron
descartados y no se implementaron para la fabricación de los diseños planteados.
a) b)
c)
Figura 4-22. Daños en LOM a) daño de borde al desprenderse la rebaba-b) y c) daño
por picadura.
90 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
✓ Lijado y limpieza de superficies:
Se implemento una primera pasada con motortool y una herramienta llamada grata,
utilizadas especialmente para acabados y limpieza de superficies con presencia de
oxidación, residuos o impurezas y rebabas. Por lo tanto, se evaluó el
comportamiento de una grata de nylon y otra de bronce, acompañado de una pulida
en lija número 2000. Este proceso permitió obtener el mejor acabado posible, y al
mismo tiempo, no genero ningún perjuicio en las superficies evitando
consecuencias en las pruebas tribológicas.
a) b)
c) d)
Figura 4-23. Imágenes de las muestras texturizadas en LOM a)-b) Antes del templado y c)
y d) con grata de Nylon.
Capítulo 4 91
a) b)
c) d) Figura 4 27. Imágenes de las muestras texturizadas en LOM a)-b) Antes del templado y c) - d) con grata de Bronce.
Con lo anterior, fue seleccionado el procedimiento con grata de nylon (Figura 4-23), ya que
la grata de bronce iba desprendiendo material y generaba unos visos dorados en la
superficie de las ranuras. Como lo ideal es no generar modificación de las probetas,
entonces se descarta la grata de bronce, debido a que, consecuentemente con el nylon se
consiguen los mismos resultados. Aunque, se aclara que no se hizo evaluación de la
superficie con residuos desprendidos del bronce.
92 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
4.2.3 Degradación de la herramienta de corte
En esta sección se evaluó las características de las fresas implementadas en esta
investigación, tal como el sustrato y el recubrimiento. Con estos resultados se realizó un
análisis comparativo con lo que se encuentra por otros investigadores y/o proveedores.
Además, se presentó la resistencia de la fresa luego de haberse realizado algunos ensayos
de mecanizado sobre superficies del material
La Figura 4-24 presenta imágenes obtenidas del SEM, donde a) y b) presentan la superficie
de un a fresa nueva a 100x y 500x de magnificación respectivamente, donde se observa
la calidad y homogeneidad del recubrimiento, aunque se destacó algunas irregularidades
como poros y granos que resaltan de la superficie lisa. La c) y d) Micrografías fresa usada
a 100x y 2,300x de magnificación. Las imágenes fueron obtenidas de una fresa con la cual
se realizó el proceso de micro mecanizado, se puede apreciar un desprendimiento del
recubrimiento TiAlN en el costado de uno de los labios. En efecto, se aprovechó esta
oportunidad para realizar las medidas del espesor del recubrimiento, que tal como se
observa en la Figura 4-24 d, estos valores están alrededor de las 3 um, lo cual era de
esperarse según la indicación dada por la empresa BytCoat. Estos recubrimientos se
vienen trabajando desde hace muchos años, algunas investigaciones puntuales [110],
[111], evaluaron procedimientos de fabricación y comportamiento en operaciones de corte
en seco, por lo tanto, se puede realizar una comparación de micrografías, observando un
recubrimiento aparentemente liso con algunos relieves de granos, aunque las
herramientas de esta investigación presentan mejor acabado superficial.
a) b)
Capítulo 4 93
c) d)
Figura 4-24. Micrografías SEM a) y b) fresa nueva c) fresa usada.
La Tabla 4-7 muestra dos análisis químicos puntuales tomados para la región del
recubrimiento en zonas a lo largo de su espesor y dos valores reportados en otras
investigaciones. La concentración atómica en porcentaje que fue encontrada en este
trabajo para el aluminio titanio corresponde al rango de valores de equilibrio proporcionado
por V.Braic y I. J. Smith para estas estructuras multicapas[111], [112]. Sin embargo, para
el elemento de Nitrógeno se presentaron los valores más desviados alrededor del 20%.
Tabla 4-7. Análisis químico en la región espesor del recubrimiento.
Zona 1 Zona 2 V. Braic [16] I. J. Smith [15]
Elemento Símbolo
Concentración Atómica %
O 3,4
C 21.91 20.84 --
N 33.82 31.34 49,9 51,9 47,2
Al 10.09 11.39 12,3 25,6 25,8
Ti 34.19 36.43 34,4 20 21
Se verificó la composición química del material base en la zona donde se presentó la
fractura severa del recubrimiento. En la Tabla 4-8, se muestran las medidas puntuales en
la superficie, comparada con la información de proveedores de estos materiales como la
empresa CARBONSYSTEM, la cual reporta la composición química observada en la Tabla
4-8, se puede decir que la composición química en la zona 1 del desprendimiento tiene los
elementos primarios en diferentes proporciones a las del proveedor, los demás elementos
94 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
encontrados pueden derivarse de la interacción de la superficie sin recubrimiento, la
composición química del AISI 52100, el refrigerante, la temperatura y condiciones
atmosféricas en el instante del micro mecanizado. Sin embargo, en otro punto de la zona
se encuentra valores de tungsteno similares a los reportados por el proveedor
CARBONSYSTEM [113]. Adicionalmente en otras investigaciones hablan de diferentes
composiciones de cermets WC-Co después del proceso de sinterizado en fase líquida, con
contenidos de cobalto (fase metálica) que oscilan entre 3 y 25 porcentaje en peso,
reportadas comúnmente en aplicaciones comerciales de carburos de tungsteno [114]–
[116].
Tabla 4-8. Análisis químico en la región del material base de la fresa
Zona 1 Zona 2 CARBONSYSTEM [113]
Elemento Símbolo
% en peso % en peso WC-Co 6% WC-Co 8%
C 9.98 4.79
O 1.11
Co 36.56 6 8
W 52.35 95.21 94 92
4.3 Respuesta tribológica de las superficies texturizadas
El área texturizada de las muestras fabricadas es de 9 mm2 y 32,11 mm2 para la categoría
de texturas tipo D y E respectivamente, representando un porcentaje de área texturizada
mínima de 11,5% y un máximo de 40,9%. En la literatura se encuentran estudios donde se
afirma que las propiedades tribológicas mejoran a medida que aumenta el área texturizada
[117], [17], [118] a diferencia de otros que consiguen un comportamiento opuesto [119],
[120]. Los valores densidad de área texturizada óptima para materiales como aluminios
son inferiores al 20% y superiores a esta pueden generar un incremento en los valores de
fricción. No obstante, para materiales como aceros se han reportado densidades de área
alrededor de 58% presentando mejor comportamiento tribológico [118]. Lo anterior
concerniente a superficies con texturas de protrusiones, ranuras, hoyuelos, entre otros,
aunque no se encuentran reportados para ranuras con diseños tipo onda como es el caso
puntual de esta investigación. Por lo tanto, se esperaba variaciones notorias en los
coeficientes de fricción especialmente en condiciones de nula lubricación al presentar
Capítulo 4 95
valores de porcentaje de área texturizada con un rango de diferencia del 30%
aproximadamente. Dichas variaciones se presentan en esta sección.
Desde la Figura 4-25 hasta la Figura 4-28 se muestra un ejemplo de la variación de medida
experimental del coeficiente de fricción con el tiempo de deslizamiento de 30 minutos a un
carga normal de 50 N y velocidad de deslizamiento de 0,5 m/s, es decir, el comportamiento
tribológico de las superficies en contacto para las categorías ensayadas según sus
condiciones de deslizamiento (paralelo - perpendicular) y las características propias del
diseño como profundidad y densidad de área texturizada ensayada. Es importante aclarar
que las curvas presentadas se tomaron de todos los ensayos y replicas realizadas, donde
se seleccionó una para representar cada caso específico.
En la Figura 4-25 se aprecian las diferencias para la categoría tipo D, las curvas de las
probetas con profundidades de 40 µm revelan una oscilación de un rango más amplio de
aproximadamente ±0,035 unidades en el eje del COF, al contrario de las de 60 µm de
profundidad que son mucho más delgadas con variaciones de ±0,015. Las curvas son
crecientes para los cuatro casos y los tiempos desde donde empiezan a estabilizarse se
encuentra entre 10 y 15 minutos para las paralelas y para las perpendiculares alrededor
de los 15 minutos. Se puede resaltar como todas presentan el mismo comportamiento en
la etapa ascendente menos la textura tipo E de 60 µm de profundidad y en dirección
perpendicular, la cual presenta una pendiente mayor y un menor tiempo para llegar al valor
máximo.
El ruido presente en algunas curvas como, por ejemplo, los diseños tipo D paralelo y
perpendicular con profundidad de 40 µm se evidencia en algunos resultados, se cree que
estas variaciones pueden estar asociadas a la interacción de material desprendido en la
interfaz de los cuerpos deslizantes, situación que no se puede controlar en ensayos
tribológicos.
96 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
a) b)
c) d)
Figura 4-25. Curvas COF en seco para texturas tipo D con profundidad de a)-b) 40µm y c)-d) 60µm.
En la Figura 4-26 se muestra algunas curvas para la categoría tipo E, las cuales muestran
una oscilación similar en un rango de aproximadamente ±0,015 unidades en el eje Y. Sin
embargo, la categoría tipo E de 60 µm presentó al final un rango más amplio de oscilación
(ver Figura 4-26 d). Las profundidades de 60 empezaron a estabilizarse en menor tiempo,
antes de los 10 minutos, de igual forma presentaron pendientes con mayor inclinación. Por
el contrario, las profundidades de 40 µm de profundidad revelan variaciones de ±0,03. Las
curvas son crecientes para los cuatro casos y los tiempos de estabilización se encuentra
a los 10 minutos para las paralelas y para las perpendiculares alrededor de los 15 minutos,
para estas últimas se observa un final con una inclinación hacia abajo o en otras ocasiones
hacia arriba.
a) b)
Capítulo 4 97
c) d)
Figura 4-26. Curvas COF en seco para texturas tipo E con profundidad de a)-b) 40µm y c)-d) 60µm.
En la Figura 4-27 y Figura 4-28 se muestran algunas gráficas obtenidas para cada una de
las categorías en condiciones lubricadas, las cuales presentan un pico al iniciar el ensayo,
con tendencia a estabilizarse rápidamente, en cuestión de 3 minutos o menos la línea se
ve totalmente horizontal y con muy bajas oscilaciones en los valores tomados por la celda
de carga, además, no presenta irregularidades en el trascurso del tiempo. Se observa que
el lubricante cumple su función de reducir fricción y desgaste entre superficies solidas en
contacto deslizante, se exhiben cambios en los COF de fricción para las condiciones en
seco con un valor promedio de 0,44 y lubricado de 0,10, es decir con el lubricante se
alcanza una reducción promedio de hasta el 75% de los valores obtenidos en ausencia de
lubricante como ya ha sido mencionado [26], [28], el uso de lubricante y texturas con micro-
cavidades suministra la eliminación de partículas de desgaste de la interfaz y también
minimiza la aglomeración de partículas bien sea que estos desechos se alojen dentro de
las cavidades o alejados de las superficies en contacto por medio del lubricante.
a) b)
98 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
c) d)
Figura 4-27. Curvas COF con lubricante para texturas tipo D con profundidad de a)-b) 40µm y c)-d) 60µm.
a) b)
c) d)
Figura 4-28. Curvas COF con lubricante para texturas tipo E con profundidad de a)-b) 40µm y c)-d) 60µm
En la Tabla 4-9 se consigna la información resumida de cada uno de los ensayos
tribológicos, obteniendo el valor promedio de los coeficientes de fricción cuando la curva
se estabilizó y no presentó variaciones superiores al 15%, y la desviación estándar
correspondiente. Los datos tabulados fueron organizados según la dirección de
deslizamiento, el grupo de textura perteneciente y condiciones de la prueba. Además, se
Capítulo 4 99
encuentran identificados como blancos los valores de los ensayos con muestras de
referencia (neutras), es decir, superficie plana con acabado comercial sin textura
superficial, ni tratamiento térmico en presencia y ausencia de lubricante, los cuales
presentan parámetros de rugosidad como Ra de 0,016 µm (ver Figura 4-29).
Tabla 4-9. Coeficientes de fricción promedio y desviación estándar en las dos direcciones de deslizamiento.
Categoría COF
Promedio Paralelo
Desv. estándar
COF Promedio
Perpendicular
Desv. estándar
D40 Seco 0,37 0,0055 0,35 0,0083
D40 Lubricado 0,10 0,0006 0,10 0,0043
D60 Seco 0,47 0,0200 0,43 0,0415
D60 Lubricado 0,11 0,0009 0,10 0,0016
E40 Seco 0,44 0,0200 0,39 0,0469
E40 Lubricado 0,11 0,0005 0,11 0,0007
E60 Seco 0,56 0,0134 0,48 0,0180
E60 Lubricado 0,11 0,0015 0,10 0,0011
Blanco Seco 0,62 0,0183
Blanco Lubricado 0,12 0,0012
a) b) Figura 4-29. Superficie sin textura ni tratamiento térmico (Blanco) con aumentos de a) 1x y b)50x
En la Figura 4-30 y Figura 4-31 se presentan un diagrama de barra los valores de los COF
promedios para la condición de deslizamiento en seco y con lubricante, respectivamente.
100 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Donde en la parte derecha se encuentran los valores de color gris para la dirección de
deslizamiento perpendicular y a la derecha de color naranja los de dirección paralela. Con
el propósito de comparar se muestra en las dos figuras una barra con textura punteada
que representa el valor del blanco asociado a las pertinentes condiciones de operación.
Dichas figuras permiten analizar y entender la influencia de las profundidades de las
ranuras sobre el coeficiente de fricción de un sistema con variaciones en la dirección y
condición (Seco-lubricado) de deslizamiento
Como era de esperarse en condiciones de nula lubricación se exhibe variaciones según la
textura, la profundidad de las ranuras y la dirección de deslizamiento. Ahora bien, si nos
centramos por ítem, podemos definir una relación directa entre el diseño superficial y la
profundidad, donde, para el mismo diseño al cambiar la profundidad de 40µm a 60 µm
aumenta el COF, lo mismo sucede dejando la profundidad definida y cambiando el diseño
tipo D al E. Finalmente, los valores más bajos fueron obtenidos en la dirección
perpendicular a la amplitud de las ondas diseñadas en la superficie plana del cilindro. Lo
anterior se muestra en la Figura 4-30. Se encontró que todas las probetas muestran valores
bajos con respecto al blanco, alcanzando valores del COF con reducciones mínimas de
9% para el caso del E60 paralelo seco y máximos de 42% específicamente en el D40
perpendicular seco.
Figura 4-30. Comparativo COF paralelo vs. perpendicular en seco.
Capítulo 4 101
Los ensayos en condiciones de lubricación presentaron variaciones de los COF entre cada
categoría de textura con menor valor comparado con las categorías realizadas en seco, se
observan reducciones de fricción comparado con la superficie estocástica, donde el valor
mínimo es de 10%, correspondiente al E60 lubricado paralelo y el E40 lubricado
perpendicular, el D40 lubricado perpendicular alcanzó el porcentaje máximo con un 21%
como se observa en la Figura 4-31.
Figura 4-31. Comparativo COF paralelo vs. perpendicular con lubricante.
Con condición de lubricación se encuentra un comportamiento similar a los resultados
obtenidos en seco, tal característica se describe como un aumento en los valores del COF
al aumentar las profundidades de las ranuras y el área texturizada, de igual forma en la
mayoría de los casos los valores más bajos se obtuvieron en la categoría dirección de
deslizamiento perpendicular comparado con los paralelos. Se presenta una excepción en
los valores de la dirección perpendicular en la categoría E donde el de 40µm alcanzo un
valor mayor que el valor paralelo y las E de 60 µm. Ver Figura 4-32.
102 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Con esto se comprueba que las superficies diseñadas también presentan comportamiento
anisotrópico debido a su capacidad de presentar diferentes propiedades tribológicas según
la dirección de deslizamiento, tal cual como se observó en la piel de serpiente. En
consecuencia, se puede concluir que se logró replicar propiedades de la piel de serpiente
en superficies metálicas, lo cual es un gran paso para continuar evaluando este tipo de
diseños en múltiples aplicaciones (motores a combustión, procesos ferroviarios, etc) y
empezar a escalar aplicando estos beneficios a nivel industrial.
a) b)
Figura 4-32. Comportamiento tribológico por categoría y condición: a) seco y b) lubricado.
En los datos presentados en este trabajo se observa que los mejores resultados obtenidos
fueron con la superficie de densidad de área texturizada de 11,5% tanto para los ensayos
en condiciones en seco como lubricado, resultados que concuerdan con lo reportado por
Segu et al [17], donde los mejores resultados logrados fueron con una densidad de área
texturizada de 12% para superficies con cavidades en forma de círculos y elipse fabricadas
por la técnica de texturizado láser sobre AISI 52100.
Caracterización de superficies desgastadas
En la Figura 4-33 y Figura 4-34 se puede observar, las superficies antes y después de las
pruebas tribológicas en ausencia de lubricante, para los dos casos las imágenes a y b son
obtenidas en un estereoscopio con una magnificación de 1x, el resto de las ítems (c, d, e
y f) son imágenes realizadas en SEM con magnificaciones de 30x y 100x. En ambas figuras
para los numerales a-c-e, se muestra el estado inicial de la superficie de la probeta, la
imagen corresponde al acabado de la superficie con grata de cobre y pulida con lija, donde
Capítulo 4 103
se pueden identificar algunas líneas paralelas correspondientes a la deformación plástica
producto de la abrasión; en las imágenes se encuentran las ranuras hechas por medio del
proceso de mecanizado, se evidencia diferencias entre el acabado superficial y el interior
de la ranura, ya que en la zona del interior de la ranura no se observan marcas de
deformación plástica y esta superficie es más rugosa debido a la capa formada luego de
los tratamientos térmicos.
En los numerales b-d-f de la Figura 4-33 y Figura 4-34 se muestra la misma superficie
sometida a la prueba tribológica durante 30 minutos, allí se observan las superficies con
desgaste y acumulación de material desprendido de las superficies, especialmente del
disco y adherido a la superficie del pin, razón que se sustenta por ser el disco la superficie
con dureza inferior, entre los 58-60 HRC. También, se puede observar que hay pequeñas
zonas de la circunferencia plana donde no se entra en contacto, en algunos casos producto
de la formación de planos en los bordes luego de pulido manual (ver Figura 4-33 a), pero
el mayor porcentaje de la superficie presenta interacción con la superficie del contra
cuerpo.
a) b)
104 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
c) d)
e) f)
Figura 4-33. Superficie texturizada tipo D a), c), e) antes y b), d), f) después de las pruebas pin-disco en condiciones de deslizamiento en seco.
Los diseños tipo E para las dos profundidades presentaron mayor adhesión de material en
las superficies del pin, en el interior y borde de las ranuras (ver numeral d y f de la Figura
4-34). Aunque, en los bordes de las ranuras también se evidenció desprendimiento o
fractura de la superficie en forma de ruñido. Estas superficies muestran los mayores
valores de coeficientes de fricción comparado con las de tipo D, los bordes tienen acabado
recto y en estos se observó acumulación y desprendimiento de residuos particulados, los
cuales influenciaron directamente en el comportamiento tribológico, al igual que los borde
comportándose posiblemente como concentradores de esfuerzo.
Capítulo 4 105
a) b)
c) d)
e) f)
Figura 4-34. Superficie texturizada tipo E a), c), e) antes y b), d), f) después de las pruebas pin-disco en condiciones de deslizamiento en seco.
En la Figura 4-35 se pueden observar 3 casos particulares: Figura 4-35 a) desprendimiento
de material por zonas en los bordes superficiales de las ranuras fabricadas produciendo
106 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
localidades con alta deformación del borde. Figura 4-35 b) en la parte superior izquierdo
de la imagen se distingue una pequeña grita o ranura con una longitud alrededor de las 90
µm como iniciando el proceso de desprendimiento de material, por otro lado, en la parte
inferior derecha se muestra la aglomeración o adhesión de material particulado acumulado
en los bordes de la ranura por tramos, y Figura 4-35 c) se observa una partícula almacena
en la profundidad de la ranura , esta partícula posee una forma irregular con tamaños
variables.
a) b)
c)
Figura 4-35. Bordes de las ranuras deformados por el desgate tribológico. Imágenes tomadas en SEM con magnificaciones de a) y b) 100x y c) 1000x.
En la Figura 4-36. Se muestran las imágenes de SEM para la superficie ensayadas en
presencia de lubricante. En estas se observó una especie de pulido producto de un
desgaste inicial acompañado de adhesión de material ver Figura 4-36 a y b). Sin embargo,
en las Figura 4-36 c y d se presentó un caso poco usual, donde alrededor de 2 pines
Capítulo 4 107
presentaron zonas con adhesión de material particular en forma de capa laminar
posiblemente producto del desprendimiento superficial del disco aglomerado y adherido en
el pin por la presión de las condiciones del ensayo.
a) b)
c) d)
Figura 4-36. Imágenes SEM de superficies ensayadas en condiciones lubricantes a) 30x, b-c) 100x y d) 500x.
Para la clasificación del mecanismo de desgaste predominante en los ensayos tribológicos,
se verificó en las superficies rasgos característicos que nos permitieron definir qué tipos
de desgaste fueron observados. En la Figura 4-37 se observa la superficie de las zonas
centrales de la huella de desgaste superficial del pin y alrededor del borde, después de la
prueba pin disco. Se evidencia dos casos concretos con las partículas que han sido
separadas del material de origen: Uno. permanecer unida a otra aspereza como material
transferido de una superficie a otra (fundirse y adherirse) y dos, liberada como particular
de desgaste, lo cual se observó en la Figura 4-35 c.
108 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
Para las superficies secas se observa decoloración, cambiando de un color metálico a un
café oscuro tipo color oxido, asociado a las temperaturas en la interface de las superficies,
observado en la Figura 4-33 b, además, se observó grietas y fracturas en la los bordes de
las ranuras en las Figura 4-35 a y b. Por el contrario, en la Figura 4-34 b para ensayo
lubricados, se observó en las superficies un acabado tipo pulido, pero también, en Figura
4-37 c-d se muestran las mismas características que en los ensayos en seco.
Por lo discutido anteriormente se concluye que el mecanismo de desgaste predominante
en las pruebas es adhesivo, producto de las fuerzas adhesivas entre las superficies del
AISI 52100 y H13, por lo tanto, se favorece la formación de uniones entre ellas, y en
presencia del deslizamiento genera desprendimiento de material de la superficie con
menor dureza para este la parte móvil que es el disco.
a) b)
c) d)
Figura 4-37. Imágenes SEM superficies desgastadas a diferentes magnificaciones: a) 100x, b-c) 500x y d) 2000x.
Capítulo 4 109
En la Figura 4-38. se muestran los perfiles superficies después del desgaste, para las
superficies deslizantes sin lubricación al lado izquierdo se encuentran las superficies antes
de los ensayos tribológico y en el lado derecho al finalizar, se observa un acabado
superficial irregular para las figuras de la derecha productos del material adherido durante
las pruebas pin disco. En esta también, se perciben los cambios en las profundidades para
estos dos casos específicos, sin embargo, los valores para todas las categorías se
muestran en el Tabla 4-10, en la cual se encuentran cambios promedios desde 4,40 µm
hasta 8,30 µm para ausencia de lubricante y en presencia de lubricante diferencias desde
0,8 µm hasta 2,28 µm. Además, para las condiciones en seco se aprecia el mismo
comportamiento de las variaciones de profundidad que se observó en los valores de COF,
pero en las condiciones lubricadas el comportamiento fue diferentes, directamente en las
texturas tipo D donde sus resultados fueron opuestos, ya que a mayor profundidad las
profundidades presentaron menor variación.
a) b)
c) d)
Figura 4-38. Perfil de las superficies texturizadas a)-c) Antes de los ensayos tribológicos, b)-c) después de los ensayos tribológicos.
Con estos resultados se da cumplimiento al tercercuarto objetivo específico, cumpliendo
con la evaluación tribológica de las superficies determinísticas y analizando los resultados
110 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
con referencia a superficies estocásticas. Además, se relacionó los resultados obtenidos
con los resultados reportados en la literatura referente a la densidad de área texturiza,
pese a las diferencias del proceso de manufactura, evaluación tribológica y materiales
trabajados, se observó similitudes en los resultados, siguiendo el mismo patrón alcanzado
por otros investigadores, anteriormente mencionados.
Tabla 4-10. Cambios en la profundidad de las superficies.
Variaciones (µm)
Categoría Seco Lubricado
D40 4,63 2,28
D60 6,80 1,08
E40 4,40 0,80
E60 8,30 2,43
5. Conclusiones y recomendaciones
5.1 Conclusiones
• De la caracterización de la piel en sus diferentes niveles fue posible reconocer los
patrones geométricos que le confieren un desempeño tribológico superior con bajo
consumo energético, además de su capacidad para generar diferentes coeficientes de
fricción según la dirección de deslizamiento.
• Con el propósito de garantizar la precisión y reproducibilidad de los patrones
determinísticos fue necesario el refinamiento, acondicionamiento e ingenio de técnicas de
fabricación mecánicas convencionales como el CNC en la elaboración de superficies
patronadas dentro del orden micro y nanométrico.
• El diseño y la fabricación de superficies texturizadas con estructuras inspiradas en
piel de serpiente permitieron modificar satisfactoriamente el comportamiento tribológico de
la superficie del acero AISI 52100 bajo condiciones controladas de laboratorio en máquina
pin-disco.
• La implementación de las texturas permitió obtener reducciones del coeficiente de
fricción de hasta 42% en seco y del 19% con lubricante. A demás, se observó un aumento
en la resistencia al desgaste de las superficies texturizadas, beneficiando directamente los
consumos energéticos y las operaciones de mantenimiento.
• Los resultados reportados permiten verificar que las texturas realizadas cumplen
con los objetivos planteados como: acumulación de desechos de desgaste entre las
ranuras evitando que entren en contacto entre las dos superficies y favorezcan el
112 Desarrollo de superficies determinísticas inspiradas en piel de serpiente
mecanismo de desgaste abrasivo, el cual no tuvo lugar en las superficies caracterizadas.
5.2 Recomendaciones
Se recomienda realizar estudios que puedan suministrar información sobre la superficie de
piel que tiene contacto directo con el sustrato y exhibe mayor desgaste, esto como un
factor adicional para comprobar causantes de las diferencias en su morfología y en sus
propiedades tribológicas.
Se evidenció cómo las crestas longitudinales están involucradas en la reducción de la
fricción en la dirección de deslizamiento. Pero se recomendaría realizar análisis adicionales
que permitan descubrir si la menor fricción en las escamas ventrales es para favorecer
funciones de locomoción en la serpiente o para evitar la abrasión de las escamas en
contacto.
Los ensayos en condiciones de lubricación deben plantearse para ser realizados con
variaciones temperatura del lubricante seleccionado porque de esta forma pueden
simularse las condiciones más cercanas a las de operación de un motor de combustión, el
cual constaría del avance de esta investigación.
Plantear mejoras para el desarrollo de los ensayos lubricado que permitan mejorar su
evaluación, por ejemplo, no fue posible verificar si las superficies fabricadas presentan la
capacidad de retención de lubricante para incrementar la lubricación en el contacto como
segunda fuente de lubricación; esto con base en los reducidos espacios sin lubricante
como camino luego de pasar el pin, observados durante los ensayos tribológicos.
Bibliografía
[1] I. Hutchings and P. Shipway, Tribology: Friction and wear of engineering materials:
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