Productos y procesos industriales
DISPOSITIVO DE CÓDIGO ABIERTO PARA MEDICIÓN DE ENERGÍA SUPERFICIAL
W. Reiner (1), R.A. Olivera (2) wreiner@inti.gob.ar aolivera@inti.gob.ar
(2) Departamento de Gestión de Diseño, D.T. Diseño Industrial - INTI, (1) Departamento de Celulosa y Papel - INTI,
Palabras Clave: Open Source; Energía superficial; Código abierto; Hardware libre
INTRODUCCIÓN Desde el Departamento de Celulosa y Papel junto al Laboratorio de Prototipos de la Dirección Técnica de Diseño Industrial buscamos desarrollar un dispositivo de bajo costo y de código abierto, (de acuerdo con las normas de la Open Source Hardware Association [1]), para realizar la medición de la energía superficial en diferentes sustratos. Realizamos el primer prototipo para evaluar su desempeño y obtener la documentación para compartir. Como antecedente se puede citar el desarrollo de un sistema de bajo costo para medición de mojabilidad superficial de sustratos usados en envases [2] realizado junto a INTI Procesos Superficiales (Menéndez et.al., 2017).
y el sistema mecánico de activación con una placa Arduino, un motor paso a paso e impresión
3D. Este desarrollo resultó ser un factor clave, ya que permitió la automatización de la pipeta, eliminando así las variaciones del operario y obteniendo una menor dispersión. Para conseguir resultados repetibles, controlables y predecibles se armó el dispositivo con dos velocidades de dispensado diferentes.
OBJETIVOS Con el desarrollo de este dispositivo se buscó no solo contar con una herramienta para realizar asistencias técnicas a empresas, sino también documentar y compartir en formato físico y online la información y datos para la reproducción del prototipo para la medición de la energía superficial sobre cualquier material no poroso, ya sea un laboratorio pequeño, un establecimiento educativo o un/a investigador/a independiente, a un costo accesible.
DESARROLLO El desarrollo propuesto se basa en una técnica para la medición de la energía superficial que consiste en la deposición de una gota sobre un material no poroso al cual se le toma una fotografía para facilitar el análisis de los ángulos y así poder calcular la energía superficial. Para lograr un mejor contraste en la fotografía, se utiliza por detrás de la gota una fuente de iluminación difusa por medio de una pantalla y una linterna LED.
El dispensado mecánico de la gota es el resultado de un desarrollo anterior a este dispositivo, en el que diseñamos al porta pipeta
Figura 1: vista general del dispositivo
El funcionamiento del dispositivo es posible por medio de electrónica de hardware libre. Se optó por el uso de un Arduino nano que, gracias a su pequeño tamaño, esta placa electrónica utiliza un microcontrolador reprogramable mediante la IDE Arduino, y a través de sus pines de salida y entrada, es posible controlar los pasos del motor, el sensor de fin de carrera, el botón, el potenciómetro y la pantalla LCD.
Para que sea posible su acceso y alta replicabilidad, se decidió que además del uso de hardware y software libre, los componentes fueran accesibles, universales y económicos. Las partes del conjunto que no se podían conseguir o necesitaban un gran grado de personalización fueron modeladas y fabricadas por tecnología de manufactura aditiva, también
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conocida como impresión 3D, en tecnología FDM [3].
Figura 2: Despiece de partes componentes del dispositivo.
RESULTADOS Para la comprobación de la efectividad del dispositivo se realizó una evaluación con cinco operadores diferentes, las pruebas fueron realizadas sobre PP (polipropileno) y PTFE (politetrafluoroetileno) dado que poseemos información bibliográfica sobre las propiedades a evaluar (ángulos específicos con los líquidos que se emplearon, y sus componentes polares, no-polares y sus energías superficiales) [4][5]. Llevando a cabo ensayos con diferentes operarios obtuvimos resultados óptimos, ya que los mismos cumplieron con los criterios de reproducibilidad y repetitividad.
Tabla con ángulos de contacto
Op. PP H2O*
PTFE H2O*
PP DII*
PTFE DII*
1 101,204
108,1
48,26 82,796
2 99,462 108,146 60,084 83,664
3 102,706 107,73
40,2
78,82
4 100,766 109,496 49,158 80,45
5 104,072 108,57 52,564 85,814 (*) Grados
Tabla de energías superficiales
Op
1 1
2 1 2 2 1 3 2 1 4 2 51 2
PTFE 16,51 mN/m 15,29 mN/m 16,14 mN/m 14,83 mN/m 18,35 mN/m 17,49 mN/m 17,44 mN/m 16,78 mN/m 15,19 mN/m 13,74 mN/m
PP 35,26 mN/m 35,84 mN/m 28,71 mN/m 27,92 mN/m 39,83 mN/m 33,1 mN/m 34,75 mN/m 35,19 mN/m 32,9 mN/m 33,62 mN/m
DISCUSIÓN
Y
CONCLUSIONES
El primer prototipo del dispositivo funcionó
correctamente y las pruebas que se realizaron
dieron excelentes resultados, cabe aclarar que
el dispositivo ya está operativo para brindar
servicios a terceros. Consideramos que como
primer intento es muy satisfactorio, queda a
partir de ahora mejorar algunos aspectos
menores del diseño, finalizar la producción de la
documentación para compartir en el repositorio
y esperar los comentarios o iteraciones con
otros usuarios, para ir construyendo con estas
mismas y encontrar mejoras que puedan hacer
crecer el proyecto, colaborar con más científicos
y la industria nacional.
AGRADECIMIENTOS A Rodrigo Ramírez, Cecilia Dorado y Marcelo Novaresi por las revisiones, asesoramiento y consejos, a Ladislao Zorrilla, y Manuel Goglino por la asistencia técnica en diseño e impresión 3D y a todos los que participaron en el proyecto.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Open Source hardware Association, Definición en español, https://www.oshwa.org/definition/spanish [2] Menéndez, D., Reiner, W., Goglino, M, Sistema de bajo costo para medición de mojabilidad superficial de sustratos usados en envases, https://app.inti.gob.ar/greenstone3/sites/localsite/coll ect/nuevadc/index/assoc/TecnoINT/I201715/6\_pdf.dir/doc.pdf [3] Hubs, What is FDM (Fused Deposition Modeling) 3D printing?, Hubs.com, https://www.hubs.com/knowledge-base/what-is-fdm3d-printing/ [4] D. P. Subedi, Contact Angle Measurement for The Surface Characterization of Solids [5] J. Schultz, K. Tsutsumi, J.B. Donnet, Surface Properties of High-Energy Solids
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