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Investigación Ciencia de Materiales: Espuma de Titanio. Ramón Santillán Torres José Sebastián Pérez Chapa Gabriel Alonso Negrete Integrante 1 Integrante 2 Integrante 3 intentando imitar de la forma más ergonómica la estructura porosa del interior de los huesos. El método empleado por dicho grupo de investigación fue el siguiente:
A causa de sus excelentes propiedades mecánicas, baja densidad y bio-compatibilidad, las espumas de titanio son atractivas para el desarrollo estructural al igual que en aplicaciones biomédicas. Este documento propone el origen y desarrollo al igual que los procesos industriales llevados a cabo para la elaboración de la espuma de titanio.
Este material es el resultado de la mezcla de polvo fino de titanio con espuma de poliuretano. El polvo se mete entre las estructuras celulares de la espuma que le va a dar firmeza. Cuando los medios de unión son vaporizados se obtiene dicho material.
1 INTRODUCCIÓN
Fraunhofer Research Group
En este proyecto de carácter investigativo se analiza el proceso de producción y actuales usos del material compuesto, conocido como “Espuma de Titanio”, demostrando de esta forma el impacto que tiene el desarrollo de ciencias de materiales como una materia disciplinaria no solo en el ámbito de la ingeniería sino también en investigaciones médicas entre otros.
2 MARCO HISTÓRICO
3 ESTRUCTURA QUÍMICA
2.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES
La espuma de titanio es un material fuerte que posee una estructura porosa.
Es compatible con el cuerpo humano y creada para sustituir a los antiguos implantes ortopédicos de titanio.
Promueve el crecimiento interno del hueso, es flexible, tiene alta resistencia química y mecánica, es ligero y rígido.
La espuma de titanio ofrece características interesantes, termo-físicamente y mecánicamente:
Su proceso de fabricación es difícil porque reacciona con el oxígeno o carbono y por esta razón puede que sea frágil y rompible.
2.2 DESCUBRIMIENTO
Muy poca masa (densidad de 5-25% en función del método de fabricación). Gran superficie de intercambio (25010000 m2 / m3). Relativamente alta permeabilidad. Relativamente alta conductividad térmica eficaz (5.30 W / (mK). Buena resistencia a los choques térmicos, altas presiones, altas temperaturas, la humedad, el desgaste y el ciclo térmico. Buena absorción de choque mecánico y sonido. Tamaño de los poros y la porosidad pueden ser controlados por el fabricante.
Mientras estas espumas tienen un gran potencial para su uso en intercambiadores compactos de calor, disipadores de calor, y amortiguadores, sin embargo, su industrialización es limitada por el alto costo de su elaboración. Además, su resistencia a largo plazo a las incrustaciones, corrosión y erosión es insuficiente. Desde un punto de vista de fabricación, la transición a la tecnología de espuma no es fácil.
En septiembre de 2010 Los científicos del ‘Fraunhofer Research Group’ dieron a conocer la espuma de titanio que desarrollaron la cual llamaron ‘TiFOAM’. Su estructura porosa u hoyos permite que el material sea flexible, pero a su vez rígido, así como también mucho más ligero que el titanio convencional, permite que las células y vasos sanguíneos entren a formar parte del implante y promueve el crecimiento del hueso. Su principal uso y razón de ser por parte de los científicos del instituto fue el desarrollo de “huesos”
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4 MÉTODO DE PRODUCCIÓN
mientras que la unión adhesiva aún puede ser una excelente opción en otros casos.
4.1 PULVIMETALURGIA
Actualmente, gran parte de la investigación de espumas se centra en las espumas de aluminio, que, por sus características de baja densidad, resistencia a corrosión y bajo punto de fusión, las hacen fáciles de manipular. La producción de espumas de níquel, hierro y plomo están, de momento, en fase de investigación. El mercado de las espumas metálicas está todavía limitado, debido al costo relativamente alto de producción de espumas de buena calidad.
La simplicidad de los procesos de sintonización o pulvimetalurgia permite relativamente de forma rápida en uno o dos pasos requiriendo solo un horno de alto vacío. La más simple técnica para fabricar espuma de titanio está basada en horneado de una preforma porosa de polvos de titanio. La producción de espumas de Titanio por pulvimetalurgia, es especialmente atractiva por su facilidad para producir piezas con formas netas, a costos razonablemente bajos. En este trabajo se utiliza para la fabricación, la fusión de polvos compactados.
En la actualidad las distintas técnicas industriales para producir espumas metálicas se encuentran en la última etapa del periodo de desarrollo, se ha realizado una importante labor de investigación por parte de la industria y las posibles aplicaciones de esta familia de materiales en la industria son numerosas, es de esperar que en poco tiempo empiece a generalizarse su uso, por lo que resulta de vital importancia tener preparadas las referencias de procesos y calidades con que reglamentar esta nueva familia de materiales.
Se parte de una mezcla de polvos de metal y de un agente espumante. La mezcla de polvos se debe compactar por hot pressing, laminación de polvos o extrusión. Se debe obtener una pieza libre de porosidad abierta, con una buena unión metálica entre partículas de polvo. La presión resulta entonces suficientemente alta como para evitar la descomposición del espumante antes de poder alcanzar la temperatura de fusión del Titanio. La espuma se obtiene por la liberación de una reacción correspondiente al gas Argón inyectado en la finalización del horneado. La densidad resultante puede ser controlada ajustando parámetros tales como concentración de agentes espumantes, temperatura y tiempo de horno, velocidad de calentamiento.
6 INVESTIGACIONES ACTUALES [LA PARTE DE QUE FALTA]
7 FOTOGRAFÍAS Y TABLAS Peso molecular
47.86
Apariencia Punto de fusión Punto de ebullición Densidad Fuerza de tensión Conductividad térmica Proceso
5 LAS ESPUMAS METALICAS Una espuma metálica es un medio poroso hecho por el hombre que tiene una matriz sólida de metal con huecos vacíos o llenos de líquido. Si los huecos están conectados a través de los poros abiertos, la espuma se describe como de celdas abiertas; si los huecos no están conectados a través de canales abiertos, y están separados por paredes sólidas, la espuma se conoce como de célula cerrada. El número de poros por pulgada lineal (ppi) oscila actualmente de 5 a 100. Obviamente, cada tipo de espuma se presta a aplicaciones adecuadas. Las espumas metálicas han existido por muchas décadas. Como tales, son una clase bien desarrollada de los materiales de ingeniería que pueden ser producidas por muchas técnicas en una variedad de formas, ofrecen una serie de propiedades extraordinarias, muchas de ellas altamente reproducibles. Las propiedades se pueden combinar y adaptar a producir nuevos perfiles de propiedades para diversas aplicaciones.
plateado 1660ºC 3287ºC 4.54 g/cm3 140 MPa 0.219 W/cm/K 298.2 K de
Fundición.
Recientemente se han hecho núcleos de espuma de aleaciones de magnesio. En comparación con los elementos de hojas convencionales, los paneles sándwich de espuma de aluminio AFS tienen una alta rigidez con bajo peso. Para ciertas combinaciones de metal-espuma, los enlaces metálicos entre el núcleo de espuma y las hojas de la cara son muy posibles,
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8 CONCLUSIONES José Sebastián Pérez Chapa: El avance tecnológico está abriendo las puertas cada día mas para la sintonización y desarrollo de nuevos materiales, como ya se presentó la Espuma de Titanio solo es uno de los más conocidos pero comercialmente se desarrollan estructuras en aluminio por procesos mucho más económicos, si bien el desarrollo estructural de los metales siempre ha sido de gran interés para la industria, la creación de materiales inteligentes, flexibles y resistentes son la clave para hacer posible lo que hoy conocemos como siglo XXI.
9 REFERENCIAS [1] Espumas Metálicas, Equilibrio y Cinética de Sólidos, sitio web: https://cv3.sim.ucm.es/access/content/group/curriculo3313-1/wiki/Espumas.pdf [2] Caracterización Mecánica de Espuma de Titanio, sitio web: http://somim.org.mx/articulos2010/memorias/memorias2013 /pdfs/A3/A3_20.pdf [3] Estudio del Comportamiento Mecánico de las Espumas Pulvimetalúrgicas de Aluminio, sitio web:http://oa.upm.es/14986/1/PFC_Andres_Calle_Fernand ez.pdf
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