13

Capítulo II

2. Marco Teórico

2.1 Concepto de Prótesis

Podemos definir como prótesis, a la extensión artificial que sustituye o provee

una parte del cuerpo que por diversas razones, se ha perdido.

El objetivo principal de una prótesis, es remplazar una parte del cuerpo que

haya sido perdida por alguna causa, ya sea amputación o agenesia; la prótesis

cumple con las mismas funciones que la parte faltante, como por ejemplo las

piernas artificiales o las prótesis dentales [1].

Además de utilizarla como remplazo y para mejorar la calidad de vida, también

se suele utilizar con fines estéticos como las prótesis oculares de vidrio, o para

suplir al cuerpo de funciones de las que carece naturalmente, como las prótesis

mamarias usadas en cirugía de reasignación de sexo [1].

2.2 Historia del uso de Prótesis

El uso de prótesis se remonta a muchos años antes de Cristo, ya que

en la antigüedad los hombres perdían muchos miembros, debido a

batallas, enfermedades, y la misma cultura o forma de vida, por

mencionar algunas.

En años recientes, se ha descubierto en Egipto lo que sería la prótesis

funcional más antigua del mundo hasta hoy; consiste en un dedo gordo artificial

encontrado en el pie de una momia [3].

14

Esta prótesis está construida de cuero y madera, actualmente se encuentra en

el Museo del Cairo (Figura 1) [2].

Figura 1. Dedo artificial egipcio.

Los investigadores de la Universidad de Manchester en el Reino Unido,

estiman que el dedo artificial encontrado en Egipto tiene una antigüedad de

entre 1,000 y 600 A.C. [3].

Sin embargo la prótesis más antigua que se conocía hasta antes de este

descubrimiento, es una pierna artificial que data del año 300 A.C.; esta pierna

está hecha de bronce y se encontraba en el Colegio Real de Cirujanos en

Londres Inglaterra, hasta antes de su destrucción ocasionada por las bombas

alemanas durante la II Guerra Mundial [3].

Anteriormente, también se utilizaban muletas y patas de palo, con el

paso del tiempo estos han ido evolucionando a elementos de fibra de

carbono y mecanismos robóticos, con los que se cuentan hoy en día [2].

En la actualidad contamos con un gran avance en ciencia y tecnología,

los cuales han ido innovando los prostéticos y los han convertido en

elegantes ejemplos de tecnología y diseño más semejantes a la ciencia

ficción que a la realidad [2].

15

2.3 Evolución en el Diseño de Prótesis

Hasta hace poco tiempo, se seguían utilizando prótesis rudimentarias

fabricadas con madera, como las patas de palo, sinónimo de una muleta

o bastón. Como podemos apreciar en la Figura 2[3].

Figura 2. Antecedente de prótesis “Pata de palo”.

Hoy en día, se han desarrollado nuevos diseños antropométricos y

biomecánicos, que han ido evolucionando las prótesis en su forma y contenido,

ahora fabricadas de aluminio y fibra de carbono, debido a sus propiedades

físicas que las hacen más flexibles y resistentes, pero al mismo tiempo

prácticas y de poco peso[3].

Gracias a esta evolución del diseño, la reducción de costos y los nuevos

materiales se ha logrado hacer mucho más fácil el acceso a las prótesis y

obtener un mejor funcionamiento. Esta funcionalidad ha generado un debate

sobre la desventaja real que tiene una persona con discapacidad física con

prótesis de última generación, ante una persona sin discapacidad. Un ejemplo

de esto es el caso de Pistorius, un atleta con un par de prótesis cuyo

desempeño puede ser mejor al de un atleta sin discapacidad física (Figura 3)

[3].

16

Figura 3. Atleta utilizando prótesis de fibra de carbono.

En poco tiempo, la tecnología va a permitir que las prótesis ya no sean

un sustituto y una opción para mejorar la calidad de vida de las

personas con discapacidad física, sino una herramienta que mejore el

rendimiento del miembro anterior otorgándole mejoras y características

en términos de funcionalidad y resistencia[3].

En las siguientes figuras podemos ver diferentes tipos de prótesis, con

características específicas para los requerimientos del paciente.

Figura 4. Prótesis de brazos y piernas.

17

Figura 5. Prótesis de brazo con movimiento y control.

Figura 6. Prótesis biónica de mano.

2.4 Clasificación de Prótesis

El avance que ha tenido la tecnología en estos últimos años y a la misma

necesidad del ser humano por buscar una buena calidad de vida, ha sido factor

fundamental para que se hayan creado una gran variedad de prótesis, de

diferentes tipo, forma, ubicación en el cuerpo humano, movilidad, entre otras

cosas [4].

18

A continuación se presentará una de las tantas clasificaciones de tipo de

prótesis que existen hoy en día.

• Prótesis bucales

• Prótesis cosmética facial

• Prótesis somáticas

• Prótesis internas

• Prótesis mecánicas

• Prótesis mioeléctricas

• Prótesis cosméticas

2.4.1 Prótesis bucales

Las prótesis bucales como su nombre lo indica son las que tienen como

ubicación el área de la boca. En este tipo de prótesis entran los siguientes tres

tipos.

Obturatrices: La función de estas prótesis, es suplantar la pérdida de

sustancias del maxilar superior, que producen comunicaciones buco sinusales,

es decir, entre la cavidad bucal y la vía aérea [4].

Figura 7. Ejemplo de prótesis obturatriz.

Mandibulares: Las prótesis mandibulares se encargan de sustituir sustancias

óseas perdidas en el maxilar inferior [4].

19

Figura 8. Prótesis mandibulares.

Velo faríngeas: Este tipo de prótesis tiene como objetivo obturar defectos

cuando existen pérdidas de los tejidos del velo de paladar [4].

Figura 9. Ejemplo de una prótesis velo faríngeas.

2.4.2 Prótesis cosmética facial

Estas prótesis se encargan de suplantar o reponer algún miembro del área

facial, más que nada con fines estéticos. Se dividen en:

Oculares: Las prótesis oculares se sitúan en el área del globo ocular,

reponiendo alguna atrofia o enucleación [4].

En la Figura 10 se muestra una prótesis sólo de iris mientras que en la Figura

11 podemos apreciar una prótesis ocular completa.

20

Figura 10. Prótesis de iris.

Figura 11. Prótesis ocular completa.

Oculopalpebrales u orbitarias: Las prótesis reciben este nombre cuando su

extensión involucra además del tipo anterior, a los tejidos peri-oculares [4].

Figura 12. Prótesis orbitaria fijada al lente.

21

Figura 13. Prótesis orbitaria fija con silicona.

Nasales: Estas prótesis están ubicadas en el área nasal y se utilizan en caso

de exéresis del apéndice nasal [4].

Figura 14. Prótesis nasal fija al lente.

Figura 15. Prótesis fija con silicona.

22

Auriculares: Estas prótesis son utilizadas para la adecuada rehabilitación del

pabellón de la oreja [4].

Figura 16. Ejemplo de prótesis auricular.

Faciales extensas: Las prótesis faciales extensas como su nombre lo dice, son

las que cubren un área extensa de la cara, se considera extensa cuando la

lesión abarca más de dos regiones faciales [4].

Figura 17. Prótesis de tipo extensa fijada al lente.

23

2.4.3 Prótesis somáticas

Estas prótesis son las que se ubican en zonas alejadas del rostro, dentro de

este tipo entran las prótesis de mano, dedos, seno, pezón, entre otras [4].

Figura 18. Ejemplo de prótesis somática de mano.

2.4.4 Prótesis internas

Como su nombre lo dice, las prótesis internas son las que se ubican dentro del

cuerpo humano, como las endoprótesis o inclusiones.

Endoprótesis o inclusiones: Las endoprótesis o inclusiones son incluidas por el

equipo de cirugía dentro del cuerpo humano, ejemplos de este tipo de prótesis

son los rellenos subcutáneos faciales, toráxicos, entre otros [4].

Figura 19. Ejemplo de prótesis internas.

24

2.4.5 Prótesis cosméticas

Las prótesis cosméticas tienen como principal objetivo remplazar un miembro o

parte de éste, teniendo en cuenta su parte estética, más que la funcionalidad

[4].

Estas prótesis se encargan de mejorar y complementar la imagen corporal de

una persona y contribuir con su rehabilitación tanto física como psicológica [4].

Ya que la función principal de estas prótesis es la estética, es necesario que

para su correcta implementación, se tomen en cuenta las características físicas

propias de cada paciente, lo que representa un trabajo muy personalizado en

los que se deben tomar moldes, tener en cuenta su color de piel, y las medidas

con el fin de lograr una prótesis lo más semejante posible al miembro a

remplazar [4].

Figura 20. La prótesis de seno es un claro ejemplo de una prótesis cosmética.

Figura 21. La prótesis de pie se considera en ocasiones una prótesis cosmética.

25

2.4.6 Prótesis mecánicas

Las prótesis mecánicas o también llamadas de tiro, son prótesis con un

mecanismo de apertura y cierre, logrado a través de cables y cintas de sujeción

unidos al cuerpo y a al lado contrario de éste, que debido a la tracción ejercida

al tensor abre o cierra a voluntad [4].

Estas prótesis son muy funcionales, pero cuentan con algunas limitaciones de

movimiento, ya que es necesario cierto movimiento o tensión del cuerpo

humano para moverlas [4].

Dentro de este tipo de prótesis se encuentran las siguientes:

• Prótesis para desarticulación de cadera.

• Prótesis transfemurales.

• Prótesis para desarticulación de rodilla.

• Prótesis transtibiales.

• Prótesis para desarticulación de tobillo.

• Prótesis parciales para pie.

Para el objeto de estudio y proyecto de nuestra Tesis, nos enfocaremos en las

prótesis transfemurales exoesqueléticas, este tipo de prótesis es la que se

utiliza al sufrir una amputación transfemural, es decir desde el fémur arriba de

la rodilla hasta el pie [29].

La primera prótesis de este tipo fue desarrollada en el año 1699, cuando Pieter

Andriannzoon Verduyn realizo un prototipo muy parecido a la prótesis actual.

Ésta constaba de un corsé con bisagras externas y un muslo de cuero para

cargar el peso [29].

26

Figura 22. Prótesis desarrollada por Pieter Andriannzoon Verduyn.

La prótesis transfemoral contiene dos articulaciones, debido a que abarca la

mayor parte de la pierna. Esta prótesis cuenta con cuatro elementos básicos:

• Socket o encaje.

• Rodilla.

• Pilar o tubo de soporte.

• Pie

Figura 23. Prótesis transfemural y sus elementos básicos.

El socket o encaje es la parte que realiza la conexión entre el paciente y la

prótesis, teniendo contacto con el muñón, que es la parte de la pierna situada

en el fémur la cual esta amputada. El socket se realiza haciendo un molde del

27

paciente con el objetivo de que éste sea lo más cómodo y personalizado

posible. La implementación del socket lo realiza un protesista, encargándose

de que la prótesis sea instalada de la manera más correcta y con la aceptación

del paciente [29].

La geometría del socket debe ser adecuada al tipo de geometría del muñón.

Estas geometrías pueden ser [34]:

• Cónica

• Cilíndrica

• Bulbosa

La correcta adecuación del socket con el muñón logra una buena distribución

de presión y evita la formación de alteraciones en la piel que puedan llegar a

molestar al paciente [34].

La rodilla, es una articulación de la prótesis que le permite tener una mayor

movilidad, al realizar desplazamientos de una manera más natural. Antes de la

implementación de este elemento, las prótesis eran rígidas, ocasionando

dificultades para caminar. La rodilla por lo general es de aluminio [29].

Las rodillas en las prótesis transfemurales, tienen dos principales funciones:

simular la marcha humana y estabilizar la rodilla durante la fase de apoyo. Para

lograr simular la marcha humana, la rodilla se flexiona y extiende en la fase del

balanceo [35].

Existen varios tipos de rodillas como [35]:

• Rodillas Uniaxiales

• Rodillas de Seguridad

• Rodillas Policéntricas de cuatro Barras

• Rodillas con Control mediante Fluidos

• Rodillas con Control mediante Microprocesadores

El pilar es el elemento encargado de unir la rodilla con el pie, normalmente este

elemento es el que le da la altura adecuada a la prótesis dependiendo del

28

paciente. Anteriormente se utilizaba madera o aluminio para construir este

elemento pero con el paso del tiempo se comenzaron a utilizar materiales más

ligeros como fibra de carbono y titanio [29].

El pie es otra articulación que al igual que la rodilla no se utilizaba en las

primeras prótesis. Ahora hasta la prótesis más sencilla cuenta con

articulaciones o están hechas de algún material elástico que simula dicha

articulación [29].

Existen una gran cantidad de pies en el mercado dependiendo el nivel de

funcionalidad deseado, pueden ser:

• Pie Básico

• Pie de Respuesta Dinámica

• Pie de Alto Desempeño

En la Figura 24 se muestran los elementos de la prótesis transfemural antes

mencionados.

Figura 24. Componentes de una prótesis transfemural.

29

2.4.7 Prótesis mioeléctricas

Llamadas así por el significado derivado de las palabras que conforman su

nombre, mio que significa músculo y eléctrica que viene de electrónica [4].

Estas prótesis se desarrollaron gracias al gran avance de la robótica y

electrónica, que han permitido mejorar el sistema de control y adaptación de

este tipo de prótesis. Esto ha logrado obtener una prótesis controlada con

impulsos musculares [4].

Las prótesis mioeléctricas se desarrollaron basándose en varias ciencias, como

la biónica, la cibernética, la robótica, la mecatrónica y debido a esto se les

conoce con varios nombres, cada uno refiriéndose a las ciencias que abarcan

sus desarrollo, como por ejemplo, prótesis cibernéticas, biónicas, mioeléctricas,

mecatrónicas, entre otras; pero todo estos términos describen a una prótesis

que combina la electrónica, la mecánica y el control muscularmente [4].

Para obtener este tipo de control muscular, como para cualquier tipo de control,

es necesaria la implementación de sensores. Existen diferentes tipos de

sensores que se encargan de tomar las señales musculares del paciente y

enviarlas a un sistema electrónico que a su vez se encarga de realizar los

movimientos de los actuadores con los que cuenta la prótesis, como por

ejemplo la apertura y cierre de una prótesis de mano, entre estos sensores se

encuentran los electrodos, sensores de cambio de volumen muscular, sensores

de tacto, sensores comparadores de frecuencia, entre otros; cada productor de

prótesis selecciona el sensor que mejor se adapte a su mecanismo [4].

En la figura 25 se muestra una prótesis mioeléctrica de mano construida de

aluminio y PVC. Cuenta con un motor de CC para realizar los movimientos de

la mano al tensionar hilos de acero, haciendo la función de tendones [30].

30

Figura 25. Prótesis mioeléctrica de mano.

2.5 Procesos de Manufactura

2.5.1 Concepto de proceso de manufactura

Podemos definir como un proceso de manufactura, al conjunto de operaciones

necesarias para modificar las características de las materias primas [5].

Estas características pueden ser de naturaleza muy variada como la forma,

densidad, resistencias, tamaño o estética. Este proceso se realiza en el ámbito

industrial [5].

También según la ingeniería industrial, manufactura es el mecanismo para la

transformación de materiales en artículos útiles para la sociedad [6].

Es considerada como la estructuración y organización de acciones que

permiten a un sistema lograr una tarea determinada [6].

31

2.5.2 Clasificación de procesos de manufactura

Los procesos de manufactura se clasifican generalmente en cinco grupos:

Procesos que cambian la forma del material.

Procesos que provocan desprendimiento de viruta por medio de máquinas.

Procesos que cambian las superficies.

Procesos para el ensamblado de materiales y;

Procesos para cambiar las propiedades físicas [6].

2.5.2.1 Procesos que cambian la forma del material

Dentro de los procesos que cambian la forma del material se encuentran los

siguientes:

Metalurgia extractiva: donde se estudian y aplican procesos u operaciones para

el tratamiento o extracción de materiales o minerales que contienen alguna

especie útil de metales, como el oro, plata cobre, entre otras[7].

Figura 26. Ejemplo de aplicación de la metalurgia extractiva.

Fundición: proceso en el cual se fabrican piezas por lo general metálicas,

aunque en ocasiones también se hacen piezas de plástico. Consiste como su

nombre lo dice, en fundir el material e introducirlo en un molde, dejándolo

solidificar para posteriormente obtener la pieza deseada [8].

32

Figura 27. Fundición y moldeo.

Formado en frío y caliente: este tipo de formado consiste en aplicar fuerza

mecánica a un material ya sea frío o caliente. Las fuerzas por lo general suele

ser de tipo de flexión, compresión o cizallado y tensión [9].

Figura 28. La máquina CNC de rolado utiliza el formado en frío.

Metalurgia de polvos: también conocida como pulvimetalurgia, es un proceso

que parte de polvos finos compactados para obtener una forma determinada,

posteriormente se calientan en atmósfera controlada y se obtiene la pieza [10].

33

Figura 29. Metal en polvo.

Figura 30. Prensa compactadora de metales en polvo.

Figura 31. Piezas hechas por medio de la pulvimetalurgia.

2.5.2.2. Procesos que provocan desprendimiento de viruta por medio de

máquinas

Estos procesos se dividen en métodos de maquinado convencional y métodos

de maquinado especial.

34

Figura 32. Máquina convencional desprendiendo viruta.

2.5.2.3 Procesos que cambian las superficies

Con desprendimiento de viruta: viruta es el material desprendido de la materia

prima, este proceso se refiere a remover viruta hasta obtener la pieza deseada.

Figura 33. Viruta desprendida de un trabajo con torno.

Por pulido: alisar y refinar el material.

Figura 34. Pulido de una pieza de plata.

35

Por recubrimiento: consiste en depositar un material sobre la superficie de un

objeto denominado sustrato, el recubrimiento es esencial para la funcionalidad

del producto terminado [11].

Figura 35. Ejemplo de una pieza con recubrimiento.

2.5.2.4 Procesos para el ensamblado de materiales

La función básica de este proceso es la de unir dos o más piezas para formar

un ensamblaje, también llamado montaje, la unión puede ser de dos tipos:

Unión permanente: uniones realizadas para no desprenderse, como soldadura

de arco o de gas, soldadura blanda, entre otras[12].

Figura 36. Un ejemplo de uniones permanentes es el trabajo con soldadura.

36

Unión temporal: uniones realizadas con el objetivo de poder remover las piezas

unidas en el momento deseado, por ejemplo, el uso de sujetadores mecánicos

[12].

Figura 37. Unión temporal de madera realizada con tornillos.

2.5.2.5 Procesos para cambiar las propiedades físicas

Estos procesos buscan cambiar las propiedades físicas de los materiales, con

el objetivo de obtener el grado de dureza, tenacidad, elasticidad o resistencia

deseada del material, dependiendo la función que va a cumplir [13].

Dentro de estos procesos entra el temple de piezas y superficial.

Temple: este proceso afecta las propiedades físicas del material, por lo general

acero, haciéndolo más tenaz y menos quebradizo, aunque perdiendo algo de

dureza [13].

El proceso consiste en limpiar la pieza con algún abrasivo, posteriormente

calentarlo y por último enfriarlo con rapidez [13].

37

Figura 38. Proceso de temple.

Otra manera de clasificar a los procesos de manufactura según la ingeniería

industrial es en dos grandes familias, la tecnología mecánica y la tecnología

química [5].

2.5.3 Tecnología Mecánica:

Se tienen procesos como moldeo, fundición, pulvimetalurgia, moldeo por

inyección, moldeo por soplado, moldeo por compresión, conformado o

deformado plástico, laminación, forja, extrusión, estirado, conformado de

chapa, encogimiento, calandrado, procesos con arranque de material,

mecanizado, torneado, fresadora, taladrado, electroerosión,(éstas últimas

cuatro se tienen actualmente operando con tecnología CNC) tratamiento

térmico, templado, revenido, recocido, nitruración, sinterización, tratamientos

superficiales[5].

2.5.4 Tecnología Química:

En esta categoría se encuentran los procesos físicos y procesos químicos [5].

2.6 Manufactura CNC

Entre los proceso de manufactura con gran crecimiento de aplicación es la

tecnología de maquinado CNC.

38

Las siglas CN que significan Control Numérico es el término original de este

tipo de tecnología, aunque con el paso del tiempo hasta la actualidad se le

empezó a llamar CNC, Control Numérico por Computadora [15].

Figura 39. Centro de maquinado CNC.

La tecnología CNC es uno de los desarrollos más importantes de los últimos

años ya que ha logrado nuevas técnicas de producción, incrementar la calidad

de los productos y reducir los costos, entre otras cosas [15].

El CNC surgió en los años cincuenta, en el Instituto de Tecnología de

Massachusetts (MIT), donde se automatizó una fresadora por primera vez[14].

Figura 40. Imagen de la primera máquina CNC.

39

En esa época los equipos de cómputo eran bastante grandes, debido a esto el

espacio ocupado por la máquina CNC era mucho, aunque el mayor espacio era

ocupado sólo por la computadora [14].

El desarrollo del control numérico comenzó mucho tiempo atrás, cuando se

comenzaban a desarrollar las primeras máquinas para manufactura [16].

En 1725 se desarrollaron en Inglaterra, las primeras máquinas de tejer,

controladas por tarjetas perforadas.

En 1863 M. Forneaux creó el primer piano con la capacidad de tocar

automáticamente.

Eli Whitney desarrolló plantillas y dispositivos, mientras que el sistema

norteamericano comenzó con la manufactura de partes intercambiables

durante los años de 1870 a 1890.

En 1880 se introdujo una gran variedad de herramientas para el maquinado de

metales y se comenzó a darle mayor énfasis a la producción a gran escala.

En 1940 se introdujeron los primeros controladores hidráulicos, neumáticos y

electrónicos, aumentando el énfasis en el maquinado automático.

En 1945 se comenzó con la investigación y desarrollo del control numérico y se

hicieron experimentos de producción a gran escala con este tipo de tecnología.

Las herramientas automatizadas aparecieron en las plantas de producción de

la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en 1955.

La concentración en la investigación y desarrollo del control numérico comenzó

en 1956. A partir de 1960 se han venido creando nuevos sistemas de control

numérico, se han venido perfeccionando las aplicaciones de procedimientos de

maquinado de metales, aplicaciones a otro tipo de actividades, utilización de

insumos computarizados de control numérico, documentos computarizados de

planeación, se han establecido centro de maquinado para aplicaciones en

general, entre otras cosas [16].

40

Gracias a todos estos avances se ha logrado un sistema de manufactura muy

eficiente y precisa, como lo es una máquina CNC, que a diferencia de una

máquina convencional o manual, es controlada por una computadora, que a su

vez controla la posición y velocidad de los actuadores que mueven al equipo.

Es por esto que las máquinas CNC son capaces de hacer movimientos muy

exactos y de diferentes formas, como círculos, líneas, diagonales y figuras

tridimensionales.

Las máquinas CNC tiene la capacidad de mover más de un eje a la vez, el

número de ejes dependerá de la complejidad de la misma, es por eso que

pueden ejecutar rutas tridimensionales para realizar trabajos avanzados, como

moldes y troqueles, que son trabajos muy frecuentes en este tipo de equipos.

En una máquina CNC el operador sólo necesita realizar una programación

inicial e indicarle su origen, ya que una computadora controla el movimiento de

todo el equipo CNC, ejecutando todas las operaciones por sí sola y permitiendo

un mejor aprovechamiento del tiempo y producción [14]. El origen es el punto

con coordenadas cero que servirá de referencia para las coordenadas del

programa.

El uso de máquinas CNC tiene muchas ventajas, ya sea en el diseño o en la

misma manufactura.

En el diseño, son capaces de otorgarnos prototipos precisos y en poco tiempo.

En la manufactura nos permiten una mejor planeación de la operaciones,

incrementar la flexibilidad de maquinado, reducir el tiempo de programación,

mejorar el control del proceso y tiempos de maquinado, disminuir los costos por

herramientas, incrementar la seguridad para el usuario, reducir el tiempo de

flujo de material, reducir el manejo de la pieza de trabajo, aumentar la

productividad, aumentar la precisión, entre otras[16].

A través de todos estos años, el avance tecnológico ha logrado minimizar el

tamaño de la computadoras, extendiendo el uso del CNC a todo tipo de

maquinaria, como tornos, rectificadoras, electroerosionadoras, fresadoras,

máquinas de coser, entre otras[14].

41

Existen una gran variedad de máquinas CNC, como por ejemplo, la cortadora

de plasma CNC, que funciona por lo regular con dos ejes, el eje (x) y el eje (y).

Su funcionamiento se basa básicamente en un corte con arco de plasma

utilizando un chorro de gas o aire a alta temperatura y a gran velocidad, con el

objetivo de fundir y eliminar el material deseado [17].

El trabajo realizado por este tipo de corte es muy limpio, preciso y bastante

rápido comparándolo con otro tipo de maquinado[17].

El material que se puede maquinar en estas máquinas, son por lo regular

láminas de metales hasta 80mm de espesor [17].

Para obtener este tipo de corte se necesita calentar el material a cortar de una

forma muy localizada por encima de los 30,000 grados centígrados, llevando el

gas utilizado a su cuarto estado de la materia, es decir el plasma, en este

estado los electrones se disocian del átomo y el gas se ioniza, es decir, se

vuelve conductor[18].

La boquilla por la que sale el gas es muy pequeña con el objetivo de concentrar

la energía cinética y poder cortar el material [18].

Figura 41. Cortadora de Plasma CNC en funcionamiento.

Otra máquina CNC utilizada hoy en día es la cortadora por chorro de agua

también llamada Water Jet, que es muy similar a la cortadora de plasma, con la

diferencia que la Water Jet utiliza agua a presión para lograr sus cortes.

42

Además de utilizar sólo agua, también puede utilizar una mezcla de agua con

alguna sustancia abrasiva, como puede ser el óxido de aluminio. El

procedimiento de corte es en esencia el mismo de la erosión que existe en la

naturaleza, aunque mucho más acelerado y concentrado. Este método es muy

usado cuando el material a cortar es muy sensible a las altas temperaturas, es

decir que sus propiedades físicas cambian, ocasionadas por otros métodos de

maquinado como torneado, fresado o corte con plasma [19].

El corte con agua es utilizado en todo tipo de industrias, hasta en la industria

aeroespacial. La boquilla por dónde sale el agua está conectada a una bomba

hidráulica, que le provee la fuerza y velocidad al chorro para lograr el corte en

el material. El tamaño de la boquilla puede variar dependiendo las exigencias

de cada trabajo y de la sustancia abrasiva utilizada [19].

La cortadora de agua es capaz de trabajar en dos o hasta en cinco ejes,

logrando superficies muy complejas y con una gran precisión.

Figura 42. Water Jet en funcionamiento.

43

Figura 43. Imagen de una Water Jet CNC.

Además de las cortadoras de plasma y agua, también están las

electroerosionadoras CNC, máquinas que cuentan con la capacidad de

maquinar materiales muy duros y casi imposibles de trabajar con otro método.

El maquinado por medio de electroerosión también es conocido como

Mecanizado por Descarga Eléctrica o EDM, por sus siglas en inglés que son

Electrical Discharge Machining [20].

El proceso de electroerosión consiste en generar un arco eléctrico entre la

pieza a maquinar y un electrodo, todo esto en un medio dieléctrico, con el fin de

remover partículas de la pieza hasta conseguir las formas del electrodo en ella.

La pieza y el electrodo deben ser conductores para que el arco eléctrico se

lleve a cabo y se provoque el arrancamiento del material.

Existen dos tipos de EDM, Ram EDM y Wire EDM.

La Ram EDM, cuyo nombre proviene del inglés “ram”, que quiere decir “ariete”

y se refiere al choque que existe entre el electrodo y la pieza a maquinar, ya

que es así como realiza el trabajo este tipo de máquinas.

44

Figura 44. Ejemplo de una Ram EDM.

Figura 45. Máquina EDM con su prensa y electrodo.

El otro tipo de EDM que existe es la Wire EDM o WEDM que son las siglas de

WireElectricalDischargeMachining, esta máquina utiliza un electrodo en forma

de hilo para realizar el maquinado.

45

Figura 46. Wire EDM en funcionamiento.

Figura 47. Pieza maquinada por una Wire EDM.

46

Figura 48. Ejemplo de una Wire EDM.

Una de las máquinas CNC más utilizadas es el Torno CNC. El Torno CNC es

una máquina herramienta capaz de mecanizar piezas de revolución. Esta

máquina por lo regular trabaja en dos ejes, pero existen Tornos CNC de hasta

cinco o más ejes. Su funcionamiento consiste básicamente en hacer girar la

pieza a mecanizar mientras se acerca la o las herramientas de corte. Se utiliza

por lo regular para producir piezas en cantidades y con precisión [31].

Figura 49. Torno CNC.

47

Figura 50. Herramientas de corte de un Torno CNC.

Otra máquina CNC muy conocida es la Fresadora CNC. Esta máquina trabaja

por lo regular con 3 o más ejes, existiendo Fresadoras de hasta ocho ejes. Su

método de corte es hacer girar el cortador, también llamado fresa, y mantener

fija la pieza a mecanizar. La pieza se mantiene fija con una prensa mientras

que el cortador se fija con un “holder” a la máquina. El mecanizado es a través

de arranque de viruta al igual que el Torno.

Figura 51. Imagen de una Fresadora CNC.

48

Figura 52. Imagen de un “holder” para sujetar los cortadores.

Figura 53. Herramientas de corte de una Fresadora, llamados cortadores o fresas.

Algunas de las marcas de los equipos CNC son:

• Chevalier

• Milltronics

• Fadal

• Haas

• Makino

• Flow

• Okuma

49

Un elemento muy importante de las máquinas CNC es el control. Existen varias

marcas de controles de CNC como [32]:

• Fanuc

• Fagor

• Centurion

• Mach3

• Hitachi

• Makino

• Mazak

• Okuma

• Yasnac

• Mitsubishi

• Siemens

Todo control necesita tener un lenguaje propio para hacer los programas.

El lenguaje del Control Numérico es el Código G y M. Los códigos G se utilizan

para indicar alguna función de movimiento de la máquina, mientras que los

códigos M se encargan de funciones misceláneas no de movimiento.

A continuación se muestran los principales códigos G y M:

50

Figura 54. Lista de Códigos G[36].

51

Figura 55. Lista de Códigos M [37].

El Control Numérico tiene este nombre ya que las órdenes que se le dan a la

máquina son mediante códigos numéricos.

Se le puede llamar programa de maquinado, a la secuencia lógica de órdenes

indicadas mediante códigos G y M. La máquina es capaz de realizar

maquinados desde una simple ranura hasta superficies complejas dándole las

instrucciones adecuadas. Anteriormente los programas necesarios para realizar

estas tareas eran muy difíciles y tediosos, en ocasiones demasiados tardados

ya que se tenia que hacer el programa manualmente y aunque este método

resultaba mucho más eficiente que utilizar máquinas convencionales,

representaba un gran trabajo. Con el paso del tiempo se desarrollo el “lenguaje

conversacional”, éste se incluyó en las máquinas CNC y permitió realizar los

trabajos en mucho menos tiempo y de una manera más eficiente [14].

Algunas máquinas cuentan también con simulación en tiempo real de el trabajo

que realiza el equipo, graficando en la pantalla los movimientos y cortes.

52

Gracias a este tipo de avances la programación es mucho más sencilla y

rápida.

Para realizar trabajos complejos, como superficies de tres o más ejes o

geometrías complejas no es suficiente con el lenguaje conversacional mucho

menos con el método manual. Para satisfacer esta necesidad se desarrollaron

programas CAM. Estos programas tienen la capacidad de producir el código G

a partir de una geometría o de un modelo. Con estos programas es posible

mecanizar piezas bastante complejas de una manera sencilla [14].

Las siglas CAM quieren decir “ComputerAidedManufacturing”, es decir

fabricación asistida por computadora. Esta tecnología como ya se mencionó

anteriormente implica el uso de equipos de cómputo para apoyar las fases de

manufactura de un producto, esto incluye la planeación, el mecanizado,

calendarización administración y control de calidad [33].

Algunos de los programas CAM son:

• Mastercam

• Camworks

• WorkNC

• Unigraphics

• CATIA

• GibbsCAM

Figura 56. Logo del software Camworks.

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Figura 57. Logo del software Mastercam.

Estos programas son de gran ayuda en la realización de códigos para

mecanizados de piezas, ya que cuenta con la capacidad de realizar rutas de

maquinado en Torno, Fresadora, Wire, Router, entre otras, y realizar trabajos

en 2, 3, 4, 5 o más ejes.

Se pueden mecanizar una gran cantidad de piezas como moldes, troqueles,

tornillos, piezas de ajedrez, piezas con grabados y barrenados, placas, rines,

entre muchas otras más.

Figura 58. Imagen del programa Mastercam realizando un mecanizado.

Algunos programas CAM cuentan también con un módulo de “arte”, gracias a

esto es posible obtener una ruta de maquinado de cualquier imagen o foto que

se tenga. El programa reconoce las líneas y rasgos de la imagen convirtiéndola

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en un modelo CAD o dibujo 2D, de esta manera ya es posible generar las rutas

de maquinado.

Figura 59. Módulo Mastercam ART.

En la Figura 60 se muestra un ejemplo de mecanizado utilizando el módulo

Mastercam ART.

Figura 60. Pieza maquinada realizada mediante el módulo ART.

El programa CAM es capaz de mostrar la ruta que seguirá el cortador para

realizar el maquinado. Esto no permite visualizar con facilidad y darnos una

idea de lo que realizará el programa para poder modificarlo de una manera más

sencilla. En las Figuras 61y 62 se muestra una pieza donde se visualiza la ruta

de maquinado, las líneas azules son movimientos de corte mientras que las

rojas son de movimiento rápido.

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Figura 61. Visualización de rutas de maquinado.

Figura 62. Simulación de maquinado con holder y cortador.

Una de las razones por las cuales los programas CAM son tan necesarios, es

debido a su capacidad de realizar rutas de maquinados en 3, 4 o más ejes.

Este tipo de maquinados sería imposible realizarlos a mano, ya que es

necesario controlar a mas de 2 ejes a la vez. En las Figuras 63 y 64 se

muestran maquinados hechos con 4 y 5 ejes respectivamente.

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Figura 63. Simulación de maquinado en 4 ejes.

Figura 64. Simulación de maquinado en 5 ejes.

Gracias a la flexibilidad, velocidad, precisión, eficiencia y de todo lo

mencionado anteriormente acerca de la tecnología CAM, se ha implementado

el mecanizado en diversas áreas de la ciencia y tecnología como por ejemplo

en aplicaciones clínicas. En los últimos veinte años la tecnología CAM ha

demostrado que es una herramienta viable en la fabricación de prótesis

proporcionando una buena medición, diseño, manipulación, cuantificación

objetiva y manufactura automática de las piezas protésicas. Esta tecnología ha

sido utilizada en centro de rehabilitación de países como Canadá, Estados

Unidos, Gran Bretaña, Alemania y Japón [35].

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2.7 Pruebas de Control de Calidad de los Productos

Las pruebas de control de calidad de un producto son todos los mecanismos,

acciones y herramientas para detectar a tiempo algún error o defecto con el

que cuente el producto. Consiste en la recolección y análisis de una gran

cantidad de datos para después llevar a cabo alguna acción correctiva [38].

En estas pruebas de calidad, el producto se somete a situaciones y medios que

pondrán a prueba la calidad del producto, su resistencia, dureza, tenacidad,

durabilidad, maleabilidad, entre otras. Todo esto con la finalidad de verificar

que las características del producto sean las óptimas.

Figura 65. Imagen del control de calidad realizado en una fábrica.

El único inconveniente que conlleva una prueba de calidad es el gasto

realizado en efectuarlas y en la pérdida de productos que quedan inservibles

con las pruebas o que salen defectuosos y se tiene que eliminar [38].

El control de calidad se viene aplicando desde hace tiempo. En 1956 Armand

Feigenbaum creó el Control Total de Calidad y en 1979 Philip Crosby publicó

su teoría de cero defectos, 5S y sus 14 pasos [38].

58

Existen dos tipos de pruebas:

• Pruebas Destructivas

• Pruebas No Destructivas

2.7.1 Pruebas Destructivas

Las pruebas destructivas consisten en sacrificar el producto para reconocer su

nivel de calidad del proceso desarrollado en él. De esta manera se puede inferir

que si los resultados muestran un buen nivel de calidad sobre el producto

probado, todos los demás productos tendrán la misma calidad mientras no se

modifique algo en el proceso [39].

Existen varios tipos de pruebas destructivas como [40]:

• Aplastamiento

• Pruebas de Impacto

• Compresión

• Pruebas de Tensión

• Doblez

• Calificación de Procedimientos de Soldadura

En las siguientes figuras se muestran imágenes de productos sometidos a este

tipo de pruebas [40].

Figura 66. Prueba destructiva de aplastamiento.

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Figura 67. Prueba destructiva de compresión.

Figura 68. Prueba destructiva de doblez.

Figura 69. Prueba destructiva de impacto.

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Figura 70. Prueba destructiva de tensión.

Figura 71. Prueba destructiva de Calificación de Procedimientos de Soldadura.

2.7.2 Pruebas no Destructivas

Las pruebas no destructivas consisten en calificar el producto sin destruirlo y en

la mayoría de los casos la muestra se realiza sobre una muestra representativa

no con el producto en sí. En este tipo de pruebas se deben tomar en cuenta

tres factores, el desempeño del producto, la importancia de su desempeño y

las responsabilidades de la empresa por el desempeño del producto [39].

Las pruebas no destructivas proveen datos menos exactos que las destructivas

pero tiene la ventaja de ser más económicos. En algunos casos solo se busca

verificar la homogeneidad y continuidad del producto o material [41].

Las pruebas no destructivas se clasifican dependiendo de su localización en:

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• Pruebas no destructivas superficiales

• Pruebas no destructivas volumétricas

• Pruebas no destructivas de hermeticidad

Los métodos de las pruebas no destructivas superficiales son:

• Inspección Visual

• Líquidos Penetrantes

• Partículas Magnéticas

• Electromagnetismo

Los métodos de las pruebas no destructivas volumétricas son:

• Radiografía Industrial

• Ultrasonido Industrial

• Emisión Acústica

Los métodos de pruebas no destructivas de hermeticidad son:

• Pruebas de Fuga

• Pruebas por Cambio de Presión

• Pruebas de Burbuja

• Pruebas por Espectrómetro de Masas

• Pruebas de Fuga con Rastreadores de Halógeno