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MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 18 al 20 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
A1a.Diseño Mecánico
“Análisis y modelado 3D de máscara facial deportiva basada en material
compuesto”
Miroslava Cano Lara *a, Luis Raúl Montaño Pérez a, Ángel Eduardo Flores Patiño a, Higinio Juárez Ríos b, Horacio Rostro González c a Instituto Tecnológico Superior de Irapuato, Departamento de Ingeniería Mecatrónica, Irapuato, Gto. México, b Instituto Politécnico Nacional-UPIIG, Departamento de formación profesional específica, Silao, Gto. México, c Universidad de Guanajuato-DICIS, Departamento de electrónica, Salamanca, Gto. México. *Autor contacto: miroslava.cano@itesi.edu.mx
R E S U M E N
En este trabajo se presenta el análisis mecánico de una máscara facial para jugadores de básquetbol. Se empleó para su estudio un material compuesto novedoso formado por fibras de yute, cáscara de nuez pecana pulverizada y resina poliéster. Se obtuvo un modelado geométrico personalizado de la cara de un maniquí, empleando la técnica conocida como fotogrametría y el modelado en 3D. El análisis dinámico estructural por medio de elemento finito permite mostrar el comportamiento de la máscara facial deportiva ante el impacto de una masa considerada de forma esférica de fuerza de 30G, la cual es capaz de ocasionar una fractura nasal en el jugador. Las propiedades mecánicas del material compuesto fueron estudiadas de manera experimental, para lo cual se fabricaron probetas constituidas del pulverizado de cáscara de nuez, resina poliéster y 7 capas de yute posicionadas a 90º y 30º. Los resultados dinámicos muestran que la máscara facial propuesta en este trabajo cuenta con los parámetros físicos requeridos para proteger particularmente los huesos nasales del jugador de básquetbol.
Palabras Clave: máscara deportiva, fotogrametría, material compuesto, análisis de elemento finito.
A B S T R A C T
The mechanical analysis of a sport face-mask for basketball players is presented in this work. A novel composite material was used for this study formed by jute fibers, powdered pecan nutshell and polyester resin. The custom geometric model was obtained of a mannequin face, the photogrammetry technique and 3D modeling was used. The structural dynamics analysis through finite element allows showing the behavior of the sport facial mask when it is impacted by a mass considered as spherical with a force of 30G, which is able to cause a nasal fracture on the player. The mechanical properties of the composite material were studied by an experimental way; test pieces were manufactured consisting of powdered nutshell, polyester resin and 7 jute layers positioned to 90º and 30º. The dynamics results show that the proposed facial mask on this work have the physical parameters required to protect particularly the basketball player nasal bones. Keywords: Sport face mask, photogrammetry, composite material, finite element analysis.
1. Introducción
Los deportes físicos a nivel profesional producen lesiones
leves o severas debido al nulo uso de protecciones, las
cuales pueden llegar a ocasionar diversos tipos de fracturas
en el cuerpo. Con el fin de proteger las lesiones que
persisten en los deportistas, se han creado aditamentos de
diversos materiales, formas y tipos. Las protecciones
pueden ser empleadas para una fractura existente o para
prevenir una posible lesión. Deben cumplir con
requerimientos de comodidad, ser ligeras, de fácil manejo y
no afectar el desempeño del jugador. En la actualidad
existen en el mercado protecciones que son hechas de fibra
de carbono, UTEM9085, fibra de vidrio [1].
En particular, las protecciones faciales o también
conocidas como sport face mask, son usadas por atletas que
han sufrido lesiones maxilo-faciales. Las lesiones pueden
ser resultado del contacto físico directo con los oponentes,
golpes entre los mismos jugadores o del balón en juego [2].
Un estudio realizado por la NCAA (por sus siglas en
inglés) para el deporte en general, arrojó que de un 6 al 10
% de las lesiones provocadas en el área maxilo-facial se
presentan en el momento mismo de la práctica del deporte.
El 23.1% de estas lesiones faciales son atribuidas al
básquetbol y en su mayoría resultan en fracturas nasales o
ISSN 2448-5551 DM 169 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
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algún traumatismo similar [3]. Las caretas deportivas
permiten al jugador volver a realizar su deporte,
proporcionan una gran resistencia a los golpes que pueden
ser adquiridos en la región fracturada y protege
correctamente la nariz, pómulos, cejas y frente.
Actualmente no es frecuente observar el uso de
máscaras deportivas en jugadores amateurs de básquetbol,
una de las causas radica en el alto precio de venta y la poca
cultura de utilizar este tipo de protecciones. La
manufactura de este tipo de caretas requiere de un estudio
de diseño personalizado de la cara del jugador. Por lo
general se emplean materiales compuestos reforzados con
fibras sintéticas o inorgánicas como la fibra de carbono o
fibra de vidrio. Uno de ellos es el UTEM9085 el cual es
utilizado en la industria aeronáutica [1].
En este contexto, el adquirir una careta para básquetbol
elaborada de fibra de carbono, si bien aporta excelentes
propiedades mecánicas y una estética de vanguardia, es de
un costo elevado [4]. Por otro lado, las caretas elaboradas
con fibras de vidrio al aportar propiedades mecánicas
menores a las elaboradas con fibra de carbono, emplean
materiales más baratos reduciendo el costo de adquisición.
La Fig. 1 muestra ejemplos de máscaras deportivas
estándares, la imagen 1(a) es una careta de fibra de
carbono, la imagen 1(b) es una careta de fibra de vidrio,
ambas con resina epóxica. Actualmente en Latinoamérica
es difícil de adquirir una careta deportiva, algunas causas
son por el costo elevado debido a su material compuesto
del cual está hecha (fibras sintéticas) y la escasez de
comercios que se dediquen a la venta de protecciones para
la nariz. Son pocos los estudios mecánicos relacionados
con las caretas deportivas, ya que están enfocados tanto
para su fabricación, como para la ortopedia o medicina
deportiva [4].
Figura 1 – Máscaras faciales deportivas comerciales (a)Reforzada
con fibra de carbono; (b) Reforzada con fibra de vidrio.
Este trabajo está enfocado en el análisis por elemento
finito de una careta facial para jugadores de básquetbol,
empleando materiales básicos que se adquieren con
facilidad y por un precio más accesible que los empleados
en las máscaras deportivas comerciales. El análisis y
modelado 3D de la careta de material compuesto
conformado con fibras naturales y pulverizados orgánicos,
proporciona el comportamiento que presenta la careta ante
una masa específica que suministra un impacto en la zona
nasal. Se presenta una alternativa de emplear materiales
compuestos de fibra de yute y pulverizado de cáscara de
nuez pecana, en una matriz sintética de resina poliéster;
para estudiar aplicaciones en el ámbito de protectores
deportivos.
2. Marco Teórico
2.1 Material Compuesto
Un material compuesto es la combinación de uno o más
materiales ya existentes, los cuales al ser combinados
ofrecen una variedad de propiedades que usualmente no
serían encontrada en materiales convencionales. Estos
materiales están conformados por dos partes importantes,
la matriz y el refuerzo.
La matriz al ser la fase continua en la que el refuerzo
queda embebido, aporta la rigidez que se requiere para un
cierto material como los metales, cerámicos o resinas
orgánicas [5, 6]. Las resinas son plásticos termo-estables
comúnmente usados en la elaboración de materiales
compuestos. Existen tres tipos de resinas que se emplean
como matrices: poliéster, epóxica y viniléster. En
particular, la resina poliéster es la matriz más usada para la
fabricación de materiales compuestos, a pesar de no
proporcionar excelentes propiedades mecánicas es muy
comercializada y no implica mayor riesgo trabajarla dentro
de un laboratorio.
La fase discontinua o refuerzo puede ser del tipo:
relleno de partículas (sin una longitud preferente), fibras
discontinuas o “whiskers” (en caso de tener fibras u
hojuelas una o dos longitudes), o fibras largas (tejidas o no
tejidas). Las fibras más utilizadas son vidrio, carbono y
arámida, las cuales poseen una alta resistencia a la tensión
[4]. De acuerdo con el tipo de orientación que se les
induzca a las fibras aportarán nuevas propiedades
mecánicas al material compuesto, permitiendo que este se
comporte de manera isotrópica o anisotrópicamente.
La Fig. 2 muestra los tipos de matrices empleadas en los
materiales compuestos: relleno de partículas, las fibras
discontinuas o también llamadas whiskers y las fibras
continúas con mallados específicos [6]. Aparte de las fibras
sintéticas e inorgánicas comunes como la fibra de carbono
y la fibra de vidrio existen las fibras naturales. Este tipo de
fibras van ganando mayor importancia en la tecnología de
materiales compuestos debido a que son orgánicas, de fácil
obtención, peso ligero, bajo costo y alta resistencia
específica. El desarrollo de materiales ecológicos para la
elaboración de nuevos materiales compuestos reforzados
con fibras naturales, han venido avanzando día a día dando
una alternativa en cuanto a la tecnología de diseño de
nuevos productos [7].
(a) ((b)
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Figura 2 – Clasificación de los materiales compuestos reforzados por
fibras [5].
La fibra de yute al ser empleada en los materiales
compuestos como un refuerzo de tipo orgánico presenta
ventajas como baja densidad, es porosa, de bajo costo y de
fácil obtención. El yute se ha popularizado para la
fabricación y manufactura de piezas de automóviles, más
específicamente, de los interiores de los automóviles [8].
Las fibras naturales pueden complementarse con refuerzos
de pulverizados naturales los cuales les aportan una mayor
resistencia a los esfuerzos de compresión. La cáscara de
nuez al ser un material orgánico que se desecha o se tira a
la tierra para devolver sus nutrientes como abono, también
se emplea en forma de polvo como abrasivo en las
industrias. Dado su bajo costo, su naturaleza biodegradable
y su disponibilidad durante todo el año, la cáscara de nuez
es una potente materia prima con múltiples oportunidades
para el diseño de nuevos materiales compuestos, debido a
sus propiedades químicas y mecánicas [9, 10].
El estudio de una máscara deportiva que presente las
características de protección en la región delicada de la
nariz del jugador, muestra una novedosa alternativa de
emplear nuevos materiales compuestos empleando fibras y
pulverizados naturales.
2.1.1 Caracterización de material compuesto
Para el estudio de un nuevo material compuesto es
necesario realizar pruebas mecánicas para obtener las
curvas de esfuerzo-deformación. La elaboración de
probetas que cumplan con ciertas normas establecidas
apoyan con el estudio mecánico del material propuesto.
Los parámetros mecánicos del material como el módulo de
Young y el esfuerzo máximo de tensión nos proporcionan
datos importantes son necesarios para realizar los estudios
sobre el diseño de la máscara deportiva.
2.1.2 Probetas
Las probetas elaboradas con el material compuesto de
fibras de yute y pulverizado de nuez pecana para emplear
en las pruebas de tensión, fueron elaboradas bajo la norma
ASTM D638 tipo I. La norma garantiza una geometría
correcta de acuerdo a las mordazas de la máquina universal
modelo AGX-300KN de la marca Shimadzu. Las medidas
de la probeta en unidades de milímetros se muestran en la
Fig. 3.
Figura 3 – Dimensiones de probeta, acotaciones en (mm).
La cantidad de capas de fibras naturales y la rotación de
las mismas dependen en gran parte del diseño y de los
resultados que se desean obtener. Una fracción mayor de
volumen de fibras incrementa la resistencia y la rigidez del
compuesto, sin embargo, existe un límite. Se considera una
proporción de 80 por ciento de fibras ya que si se
sobrepasa esa cantidad no quedarían todas rodeadas por la
matriz [6]. En cuanto a la orientación de las fibras, si se
hace un arreglo unidireccional con fibras continuas, el
compuesto tendrá una buena resistencia y rigidez paralela a
las fibras, por lo tanto presentarán propiedades
anisotrópicas.
Una de las características únicas de los compuestos
reforzados con fibra es que sus propiedades se pueden
diseñar para soportar condiciones de carga diferente. En la
matriz se pueden introducir fibras largas y continuas en
varias direcciones. El caso particular de capas con fibras
ortogonales (capas constituidas con fibras en direcciones
de 0º y 90º) proporciona una excelente resistencia en la
dirección longitudinal y transversal. Por otro lado,
disposiciones más complejas (como capas de 0º/±45º/90º)
proporcionan refuerzo en varias direcciones transversal y
longitudinal [5].
2.2 Fotogrametría
La fotogrametría es un método que a partir de una
cámara se toman imágenes digitales de la persona o región
de interés que se desea modelar. Se puede obtener medidas
precisas en forma digital sin necesidad del contacto directo
con el objeto o persona [11]. La fotogrametría necesita de
un software que digitalice y haga reconocimiento de los
puntos clave del objeto para obtener un adecuado mapeo
3D. Blender es un software que integra una serie de
herramientas para la creación de un amplio rango de
contenidos 3D. Puede ser usado para crear visualizaciones
3D e imágenes estáticas [12, 13]. La digitalización de la
cara de un jugador es de vital importancia para obtener un
molde exacto de las regiones de interés a proteger, así
como anexar los puntos de sujeción de la máscara facial
personalizada. Si bien, la fotogrametría es una técnica
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amigable y sencilla para obtener el reconocimiento facial
del jugador. Actualmente es más efectiva al no requerir
contacto físico con la cara del jugador, esto debido a que la
técnica tradicional para la elaboración de una careta para
básquetbol necesita procesos artesanales y de colocación
de vendajes de escayola. Son incómodos y requieren de
mayor tiempo de contacto con el jugador, además que el
depósito de estos vendajes puede lastimar la lesión del
jugador [4]. Este tipo de técnica artesanal es común
encontrarla en comercios locales que no cuentan con
equipos necesarios para realizar un análisis computacional.
La detección y procesamiento de una imagen digital,
obtenida de la cara de un jugador mediante fotogrametría
lleva unos cuantos segundos. Es adecuada para diseñar una
careta deportiva personalizada, y realizar posteriormente el
estudio del comportamiento mecánico que sufre la careta al
momento de producirse un impacto en la región de
protección del área nasal.
2.3 Identificación de regiones de protección
El diseño de una careta deportiva se basa en buscar
proteger adecuadamente las áreas y huesos faciales ante el
impacto de una masa con una fuerza determinada. La
mayoría de las fracturas en los deportes ocurren por
contactos accidentales, los cuales son producidos por los
codos, brazos, manos, cabeza, y hasta por el mismo balón
en juego.
Figura 4 – Cráneos con zonas identificadas para proteger con la
máscara facial (a)Área nasal; (b)Huesos Occipitales o malares; (c)
Área maxilar.
La resistencia mínima que se presenta en la región de la
nariz es de 30G y en los huesos occipitales es de 50G a
80G. Por el contrario, el área maxilar con una resistencia
máxima de 150G. El diseño propuesto de la careta cubre el
análisis de un golpe de magnitud suficiente para causar un
daño considerable en la cara del jugador, el objetivo del
análisis es comprobar y verificar que la careta de material
propuesto soportará y protegerá la cara del jugador.
La fuerza mínima para sufrir una fractura nasal, se
obtuvo en base a un estudio previo basado en hechos
acerca de accidentes automovilísticos. Se midieron las
fuerzas ejercidas sobre el cráneo humano, la cantidad de
fuerza requerida para provocar fracturas y laceraciones en
los huesos faciales del cráneo muestra que la nariz es la
zona más sensible donde una fuerza de 30G provoca
fractura [14]. Teniendo en cuenta esta fuerza podemos
plantear un análisis con un objeto que golpee a la careta
deportiva con la magnitud de 30G. En este trabajo se
considera para fines prácticos un objeto esférico cuyas
propiedades complementen el estudio del impacto en la
careta deportiva y evitar una posible fractura en la región
nasal del jugador. El estudio dinámico para el diseño de la
careta requiere condiciones iniciales como la aceleración
del objeto antes del impacto, la cual se puede obtener con
la segunda ley de Newton ec. (1). Los parámetros de
aceleración requieren del tiempo de recorrido del objeto, se
emplea la ec. (2), donde 𝐹 es la fuerza de impacto del
objeto en Newton, m la masa en Kg, a la aceleración en
m/s2, d la distancia que recorre en metros y t el tiempo en
segundos.
Finalmente, al obtener el tiempo se calcula la
aceleración del objeto, completando con la segunda ley de
Newton y la fuerza necesaria con la que impacta el objeto a
la careta (30G fuerza que causa fractura nasal), se obtiene
el material y volumen de la masa del objeto.
𝐹 = 𝑚𝑎 (1)
𝑡 = (𝑑∗𝑚
𝐹)
1
2 (2)
3. Estudio Experimental
Para la selección del material compuesto se hizo un estudio
experimental con la elaboración de probetas, las cuales
tuvieron un control en el número de capas y los materiales
empleados (fibras de yute, pulverizado de cáscaras de nuez
pecana y resina poliéster). Se consideró rotaciones en las
capas de la fibra de yute (90º y 30º) para proporcionarle al
material mejores propiedades isotrópicas, y una buena
resistencia a tensión. En complemento con el pulverizado
que presenta una buena resistencia a esfuerzos a
compresión. Las fabricaciones de las probetas tuvieron una
proporción de 20 g de pulverizado de cáscara de nuez por
cada 100 g de resina poliéster en conjunto con la fibra de
yute.
Las probetas fueron sometidas a pruebas de tensión para
obtener los valores adecuados para seleccionar el material
compuesto de la máscara deportiva. La Tabla 1 presenta los
resultados de 4 probetas sometidas a pruebas de tensión.
Las dimensiones de las probetas están bajo la norma
ASTM D638 tipo I de 144.07 x 13.84 mm y un espesor de
5.88 mm. En particular, la probeta de 7 capas con
rotaciones de 90-30-90-30-90-30-90 mostró una mayor
resistencia a la fuerza de tensión máxima siendo de
1151.37 N y arrojando un esfuerzo máximo de tensión
mayor a las otras probetas (14.14 MPa).
Tabla 1 – Resultados de probetas a prueba de tensión. Rotación a=90°
y b=30°.
No.
Capas
Material de
refuerzo
Fuerza
Máxima
(N)
Módulo
Young
(N/mm2)
Rotación (°)
5 Yute 820.351 3874.34 a-b-a-b-a
5 Yute/ Nuez 698.566 13294.1 a-b-a-b-a
7 Yute/ Nuez 1151.37 2988.7 a-b-a-b-a-b-a
7 Yute 793.886 1546.56 a-b-b-a-b-b-a
(a) (b) (c)
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Figura 7 – Mapeo 3D de la cara del maniquí con
vista frontal y de perfil.
En la Fig. 5 (a) se muestra la probeta seleccionada para
el estudio de la careta deportiva (7 capas de fibra de yute y
20g de pulverizado de cáscara de nuez por cada 100 g de
resina). La Fig. 5(b) muestra la probeta en la prueba de
tensión de la máquina universal modelo AGX-300KN de la
marca Shimadzu.
Figura 5 – (a) Probeta de fibra de yute y pulverizado de cáscara de
nuez. (b) Prueba de tensión de la probeta en la máquina universal.
Las propiedades mecánicas obtenidas de la curva
esfuerzo-deformación para la probeta seleccionada se
muestran en la Tabla 3. A partir de los valores obtenidos
por la prueba de tensión, el módulo de Young de 2988.7
N/mm2, se obtuvo el esfuerzo máximo de tensión de 14.14
MPa. Los parámetros obtenidos son necesarios para
realizar el análisis por elemento finito de la careta.
Tabla 3 – Propiedades mecánicas de probeta de material compuesto.
Rotación a=90° y b=30°.
Propiedad Valor
Fuerza Máxima de Tensión (N) 1151.37
Módulo de Young (N/mm2) 2988.7
Rotación(°) a-b-a-b-a-b-a
4. Modelado
El análisis mecánico de una careta deportiva lleva consigo
estudios en un software de análisis de modelado 3D. Para
la obtención de este modelado se necesitan dos aspectos
fundamentales, primero la obtención de un mapeo 3D en
las zonas faciales, tales como el área nasal y área maxilar, y
segundo disponer de un software que permita la
construcción de una superficie mediante el mapeo 3D de
las zonas faciales.
4.1 Creación del mapeo 3D y modelado
Para realizar un mapeo 3D en el software de diseño digital
de la máscara deportiva son necesarias dos fotografías del
rostro, una fotografía frontal y una de perfil del jugador. En
este caso se empleó como modelo inicial un maniquí que
asemeje la cara del jugador, por tal motivo se presentan
limitantes del software de diseño al carecer de los rasgos
faciales que logran dar un personalizado en la careta
deportiva.
La técnica de la fotogrametría se emplea para crear el
mapeo 3D del modelado de la cara del maniquí. En el
mapeo 3D se busca capturar los rasgos faciales lo más
cercano a la realidad que abarcan curvaturas, tamaño y
forma de la cara.
En la Fig. 6 se muestran las fotos de la vista frontal y de
perfil del modelo inicial de la cara de un maniquí. Es
necesario realizar una sesión fotográfica, en este caso del
maniquí debido a que en el proceso de fotogrametría se
requiere seleccionar imágenes con alta calidad en
resolución e iluminación para verificar que se puede
trabajar con los detalles faciales lo mejor posible.
Una vez seleccionadas las fotografías, se procede a
añadirlas al software para hacer el mapeo 3D y
posteriormente su modelado (requerido en el análisis de
elemento finito). En la Fig. 7 se muestra el mapeo 3D de la
cara del maniquí, el cual posteriormente se exporta a un
software de diseño mecánico donde se detalla con una
mejor calidad las superficies del modelado.
El modelado preliminar por defecto se muestra en la
Fig. 8(a). A continuación, al eliminan las superficies por
defecto de este modelado, se trabaja con el croquis 3D del
mapeo y se une el croquis mediante las herramientas de un
paquete de simulación reduciendo a 10 las superficies
totales del modelado, ver Fig. 8(b).
(a) (b)
Figura 6 – Maniquí (a) Vista frontal. (b) Vista de perfil.
a) b)
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Figura 10– Mallado de los elementos de estudio en la
máscara deportiva.
Figura 11 – Desplazamientos de la máscara
deportiva ante el impacto.
5. Análisis estructurales
El modelado 3D de la máscara deportiva fue exportado a
un software de análisis dinámico por elemento finito. En el
análisis estructural, se busca obtener los esfuerzos
producidos en la máscara deportiva y las deformaciones
que ocurren al ejercer una fuerza externa. Para fines
prácticos del análisis, se consideró un objeto esférico el
cual produciría un golpe hacia la cara del jugador,
recibiendo el impacto en la máscara deportiva de material
compuesto. Se realizó un estudio dinámico detallado para
identificar los efectos del impacto causados cuando el
objeto golpea la región central de la careta, al considerar
una fuerza mínima de 30G. Cabe mencionar que este
análisis se presenta como el estudio de la simulación de un
golpe sobre la superficie protectora de la nariz. La forma
geométrica del objeto se desprecia debido a que el punto de
interés radica en la fuerza de impacto sobre la careta.
5.1. Condiciones del análisis estructural
Se realizó el análisis estructural en un software de
elemento finito del material compuesto, añadiendo las
propiedades mecánicas obtenidas en la sección 3. Se
consideraron los parámetros de la probeta de 7 capas de
fibra de yute con pulverizado de cáscara de nuez. Las
condiciones iniciales requeridas para el estudio se obtienen
con la ec. (1) y considerando la fuerza de 30G. El objeto
esférico asignado para considerar un punto de impacto
presenta una masa de 0.89603 kg que viajará una distancia
de 1.44 mm a una velocidad de 0.69 m/s. Se propone
además de 4 puntos de sujeción correspondientes a las
zonas donde se apoya la careta en las áreas faciales maxilar
y frontal. En la Fig. 9 se muestra la posición del objeto
esférico que causará el impacto. Las cuatro zonas de
sujeción soportarán la fuerza del impacto y se dispersará el
impacto a las zonas de mayor soporte (Fig. 9).
5.2. Discretización
Una vez que el modelado de la careta se encuentra en el
software de elemento finito, se realiza un mallado con
forma triangular y rectangular constituida de 5408 nodos y
20252 elementos. El tamaño de los elementos no influye
debido a que es un análisis explícito dinámico y no es
necesario un mallado refinado, además se añade un espesor
al modelado con valores de 3 a 4 mm como se muestra en
la Fig. 10, los valores del espesor se basaron en mediciones
de un modelo comercial de careta deportiva y en el espesor
de la probeta seleccionada de fibra de yute y pulverizado
de cáscara de nuez.
5.3. Resultados
Se realizaron dos estudios sobre la careta deportiva, con la
finalidad de observar el comportamiento ante el impacto
del objeto esférico propuesto. El primer estudio es
relacionado con los desplazamientos, en la Fig. 11 se puede
observar que los desplazamientos de la careta son de 2 mm,
Figura 9 – Sujeciones en el modelo de la máscara
deportiva y posición del objeto.
Zonas de sujeción
a)
Figura 8 – (a) Modelo de exportación 3D de la
careta; (b) Modelado final de la careta.
b)
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los cuales muestran que no se tendría contacto de la
máscara hacia la nariz del jugador. Las regiones centrales
del modelo de elemento finito que presentan un tono de
color verde y amarillo fueron las zonas de desplazamiento.
El segundo análisis (Fig. 12) nos presenta los esfuerzos
equivalentes en la careta, mostrando un esfuerzo máximo de 75329 Pa para una fuerza de 30G. Los resultados
obtenidos de la curva esfuerzo deformación mostraron que
el esfuerzo máximo de tensión en la probeta de fibra yute con pulverizado de cáscara de nuez pecana es de 14 MPa.
Lo cual muestra que la careta protegerá el rostro del
jugador debido a que no se deforma lo suficiente como
para tocar la nariz o romperse y así causar una fractura nasal.
6. Conclusión
El análisis y modelado 3D de la careta deportiva propuesta
en este trabajo, proporciona una alternativa para diseñar y
elaborar máscaras de protección para jugadores de
basquetbol. La fácil obtención de los materiales naturales
que constituyen el material compuesto junto con la resina
poliéster, amplían el interés de generar estudios del
comportamiento mecánico que presenta ante los diversos
impactos a los cuales están expuestos los jugadores.
Además de ampliar resultados de interés para aplicaciones
en medicina deportiva o traumatología. Si bien, no se busca
sustituir los materiales compuestos con los que están
hechas en el mercado las caretas deportivas como fibra de
carbono, fibra de vidrio o actualmente el UTEM9085; los
resultados del diseño muestran que el material compuesto
propuesto es adecuado para continuar con estudios en
relación a la máscara deportiva.
Los parámetros del material compuesto de 7 capas de fibra
yute con rotaciones de 90°-30°, en conjunto con el
pulverizado de la cáscara de nuez pecana y la resina
poliéster, muestra que la máscara facial de basquetbol es lo
suficientemente resistente para soportar un golpe de 30G
sin dañar los huesos faciales que se encuentran en la nariz.
Los resultados presentados en este trabajo, dan inicio a
continuar con estudios mecánicos detallados y considerar
objetos de impactos determinados como codos, brazos,
cabeza, el balón, etc.
Agradecimientos
Al Dr. Enrique Saavedra del Depto. de Ingeniería en
Materiales del ITESI por su entera disposición y apoyo en
equipos de caracterización de materiales.
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Figura 12 – Esfuerzos equivalentes presentes en la
máscara deportiva.
ISSN 2448-5551 DM 175 Derechos Reservados © 2018, SOMIM