Tesis y Trabajos de Investigación PUCP

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    Desarrollo de un concreto para impresión 3D con agregado reciclado proveniente de conchas de abanico (RCA), residuos de construcción y demolición (RCD) y residuos de polietileno tereftalato (RPET)
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-30) Tudela Laura, Marcell Hasser; Silva Mondragón, Guido Leonardo
    La impresión 3D de concreto se enfrenta a desafíos significativos debido a la escasez global de arena natural, un recurso crítico en su fabricación. Sin embargo, la disponibilidad de Residuos de Construcción y Demolición (RCD), Residuos de Conchas de Abanico (RCA) y Polietileno Tereftalato reciclado (RPET) brinda una oportunidad para abordar esta escasez. Esta tesis se centra en el desarrollo y validación de una metodología de diseño de mezclas de concreto que integra estos agregados reciclados, basándose en el modelo de Funk & Dinger para obtener una granulometría continua ideal, con el objetivo de crear una alternativa viable en la impresión 3D de concreto. La metodología propuesta ha sido meticulosamente diseñada, considerando aspectos clave como la reología rotacional, para asegurar que las mezclas resultantes sean no solo imprimibles, sino que también presenten propiedades reológicas adecuadas. Para lograrlo, se realizaron ensayos experimentales en laboratorio, como ensayos de extrusión, bombeabilidad, ensayos reológicos y pruebas de impresión en 3D a mediana escala, para validar los diseños estudiados. Los resultados obtenidos demostraron que la integración de RCD, RCA y RPET puede satisfacer los requisitos reológicos sin comprometer la calidad constructiva del concreto. Este hallazgo no solo tiene implicaciones prácticas inmediatas para la impresión 3D de concreto, sino que también contribuye significativamente a la economía circular en la industria de la construcción. El impacto científico de esta investigación es considerable, ya que proporciona una metodología replicable y sustentable. Además, establece un precedente para futuras investigaciones, abriendo el camino hacia la optimización de mezclas de concreto con otros tipos de agregados reciclados y la exploración de nuevas aplicaciones en el campo de la impresión 3D de concreto.
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    Aplicación de la enzima ureasa en la estabilización de suelos y la auto-reparación de matrices empleadas en impresión 3D
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-02-07) Rojas Morales, Omar Antonio Giovanni; Kim De Aguilar, Suyeon
    Aún con los constantes avances en la industria de la construcción, existen puntos clave que continúan siendo relevantes en la toma de decisiones para el diseño y ejecución de un proyecto. Puntos como la selección de un suelo apropiado para cada tipo de proyecto. Ahora bien, uno de los principales impedimentos está relacionado a no poder obtenerse un suelo adecuado que permita garantizar la estabilidad y durabilidad que se requiere. Si a esta problemática le añadimos que, la constante demanda en infraestructura a nivel mundial exige a su vez un incremento en la demanda del hormigón, cuya producción contribuye en la emisión de gases de efecto invernadero y alternativas como la implementación de impresión 3D aplicada a la industria de la construcción introduce varios retos de ingeniería desde el punto de vista de los materiales. La búsqueda de una manera apropiada de estabilizar el suelo, así como poder generar la capacidad de auto-reparación en los elementos impresos, se traduce en una necesidad que requiere pronta atención. Esta tesis propone el desarrollo de una metodología para estabilizar el suelo y para auto-reparar matrices empleadas en impresión 3D catalizadas por la enzima ureasa. De los resultados adquiridos para la estabilización de suelos, la evaluación de durabilidad frente a la erosión por agua nos indicó que la mezcla de suelo modificado con CaCl2-urea con concentración equimolar de 1 M y solución enzimática de 5 U, presenta una pérdida de masa de sólo el 18.35 %, en comparación con la erosión completa de la muestra en el agua en el caso de la mezcla de suelo con agua. Por su parte, el ensayo de compresión indicó que el uso de una solución enzimática afectó negativamente a las propiedades mecánicas del material con un nivel de resistencia a la compresión inferior de 35.5 % con respecto al de las muestras no estabilizadas. Por otro lado, los resultados adquiridos luego del proceso de reparación para el caso de matrices de suelo muestran que los defectos intervenidos se pudieron rellenar casi por completo, aunque se evidencia la presencia de erosión debido a la inestabilidad de la propia matriz de suelo frente al contenido líquido propio de la solución enzimática. Lo cual no se evidencia en matrices cementicias, donde los defectos se repararon sin evidencia de erosión. Finalmente, el ensayo de compresión en las muestras auto-reparadas indicó que, el uso de una solución enzimática afectó negativamente a las propiedades mecánicas de matrices de suelo. Esto debido a la erosión mencionada con anterioridad al aplicarse la solución enzimática directamente. Por su parte, el uso de una solución enzimática logra mantener las propiedades mecánicas de matrices cementicias, donde se alcanza un valor idéntico en resistencia a la compresión con respecto al de las muestras intervenidas.
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    3D printing for construction: development of earth-based matrices stabilized with chitosan biopolymer and reinforced with natural sisal fibers
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-02-05) Zavaleta de la Cruz, Diana Carolina; Kim De Aguilar, Suyeon
    In the last few years, 3D printing with robots or automated equipment has emerged as a technology with significant potential in the construction sector. This approach offers several advantages, including reduced construction time and costs, design flexibility, and the ability to use various materials. Earth, as a building material, has gained attention in 3D printing due to its eco-friendliness compared to cement. However, it remains relatively underexplored in this industry. Unfortunately, earth is known for its poor mechanical strength, water durability, and susceptibility to swelling, especially due to its clayey composition. These factors can lead to cracking during the drying process. To address these challenges, researchers have been investigating different materials for 3D printing, aiming to minimize the ecological footprint by using biodegradable materials or repurposing waste for stabilization. Recent studies have explored the use of biopolymers such as chitosan, alginate, and potato starch to enhance the mechanical and durability properties of earth-based mixtures. Additionally, the incorporation of natural fibers like sisal or jute has proven effective in reducing cracking in earthen structures. Considering the above, it would be advantageous for the construction industry to employ 3D printing to produce earth-based matrices stabilized with biopolymers and reinforced with natural fibers. Designing such matrices requires an approach that accounts for the yield stress suitable for 3D printing, ensuring the mixture possesses key printability characteristics such as extrudability, workability, and buildability. The evaluation of these properties in the fresh state, during hardening, and in the hardened state necessitates conducting various tests recommended by international standards and researchers. In order to outline a procedure for obtaining a printable matrix that meets the desired mechanical strength and water durability, a methodology is proposed for developing earth-based matrices stabilized with chitosan and reinforced with sisal fibers. This methodology consists of three stages. The first stage involves conducting physical, mechanical, chemical, and mineralogical analyses of the raw materials: soil, chitosan, and sisal fibers. The second stage encompasses an optimized procedure to obtain potentially printable earth-based matrices through laboratory testing using a pastry bag. Finally, the validated earth matrix from the previous stage undergoes 3D printing to create different specimens, allowing for the evaluation of extrudability, pumpability, buildability, and mechanical strength of the mixture. The printing process utilizes a motion-controlled gantry robot with three degrees of freedom in a printing area with a volume of 1.0 m³ and employs a progressive delivery system.
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    Caracterización multidimensional de tintas de biomaterial para manufactura aditiva por extrusión de estructuras tridimensionales de interés biomédico
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-10-20) Cáceres Albán, José Luis Martín; Casado Peña, Fanny Lys
    El presente trabajo muestra la caracterización de tintas de biomaterial empleadas en un sistema de impresión 3D por extrusión y la determinación de su viabilidad de uso para la manufactura de estructuras tridimensionales de interés biomédico. El documento aborda la necesidad de contar con metodologías para analizar de manera objetiva la fidelidad de impresión en sistemas basados en extrusión debido a que existen definiciones no consensuadas en la comunidad científica y estándares no publicados en un campo de estudio en constante evolución. Se sigue una metodología propia para el desarrollo de constructos fabricados bajo el marco de tecnologías de bioimpresión, con énfasis en el preprocesamiento y procesamiento de tres tipos de constructos: vascular, orgánico y para ensayos in vitro. Se sintetizaron ocho tintas de biomaterial a partir de reactivos disponibles en un contexto académico, tales como: la sal sódica de carboximetilcelulosa, el alginato y el cloruro de calcio. Se realizaron ensayos de caracterización para evaluar propiedades de la materia prima como hinchamiento y viscosidad, así como propiedades directamente involucradas al proceso de impresión 3D como formación y homogeneidad de filamento, precisión de impresión e integridad de forma. Los resultados indican que la formulación compuesta por sal sódica de carboximetilcelulosa (20%), alginato (10%) y cloruro de calcio (2%) demuestra el mejor desempeño general en los ensayos de caracterización multidimensional, siendo viable para la impresión por extrusión de las estructuras de interés biomédico propuestas en el presente trabajo.
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    Diseño mecatrónico de un sistema de calefacción cerrado y deshumedecedor de materiales de ingeniería para impresoras 3D de escritorio de código libre
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-05-03) Toyama Higa, Pedro Mitsuo; Sanchez Sifuentes, Ana Cristina Midori
    El presente trabajo, de final de carrera, tiene como objetivo principal el diseño de un sistema mecatrónico capaz de brindar a las impresoras 3D de escritorio de código libre la capacidad de poder imprimir materiales como el nylon, ABS, ASA, entre otros clasificados como materiales de ingeniería. Actualmente, solo las impresoras industriales son capaces de imprimir estos materiales, debido a que controlan el medio circundante en el área de impresión y la humedad relativa del filamento 3D. Estas máquinas tienen un costo elevado en comparación con las de código libre. Se llegó a un diseño que complementa a una impresora 3D de código libre, el cual incluye un control de temperatura y de humedad en la cabina principal y del filamento 3D, con el cual una impresora 3D de escritorio y código libre puede imprimir materiales de ingeniería. Este diseño mecatrónico se validó por medio de simulaciones estructurales y un prototipo funcional a escala. Además, se demostró que es viable su implementación como un producto comercial.
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    Evaluación de las propiedades de amortiguamiento de materiales fabricados por impresión 3D y reforzados con nanotubos y fibras de carbono
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-01-23) Tapia Cabrera, Jorge Eduardo; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
    La versatilidad que la tecnología de modelamiento por deposición fundida (FDM por sus siglas en inglés) presenta para la fabricación de componentes y piezas, no solo para fines decorativos sino para fines industriales, representa una nueva plataforma tecnológica para el desarrollo de nuevos materiales. En pos de tal avance, esta tesis busca describir empíricamente las relaciones entre los parámetros de fabricación por FDM y las propiedades de amortiguamiento de materiales nóveles para fines industriales en reducción de vibraciones, movimiento o sonido. En esta investigación se utilizarán dos materiales reforzados en una matriz de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), el primero con refuerzos de nanotubos de carbono y segundo reforzado con fibras de carbono, de ahora en adelante “ABS + CNT” y “ABS + CF” respectivamente. La redacción de este estudio comienza con una revisión de la literatura acerca la impresión 3D. Asimismo, se realiza una introducción a la teoría del amortiguamiento utilizada en este estudio. Se introducen los conceptos de stick slip, fuerzas de excitación, análisis de datos mediante transformadas de Fourier, método 3dB ancho de banda para el cálculo del ratio de amortiguamiento, y una recopilación de diversas investigaciones realizadas a materiales reforzados con nanotubos y fibras de carbono. Finalmente, se exponen las hipótesis centrales de este estudio. El procedimiento experimental seguido en esta tesis contempló la impresión de las probetas en dos tipos de orientación: cruzada 45°-/45° y unidireccional, en tres niveles de porcentaje de relleno, 100 %, 80 % y 60 %, para cada material. La selección de estos parámetros de impresión se realizó de acuerdo a las mejores propiedades mecánicas obtenidas en investigaciones anteriores [1]. Luego, en el Laboratorio de Acústica de la sección de Física, se implementó un banco de ensayos de caracterización de amortiguamiento de material mediante método impacto. Finalmente, las probetas se caracterizaron mediante ensayos de tracción en el CITE Materiales PUCP. De acuerdo a los ensayos realizado se concluye que los refuerzos de nanotubos de carbono en la matriz de ABS aumentan las capacidades de amortiguamiento del material. Sin embargo, las propiedades de amortiguamiento son inferiores a las de otros materiales utilizados en la industria de impresión 3D. Con respecto a los parámetros de impresión, se muestra la predominancia de la orientación cruzada por sobre la orientación unidireccional en propiedades de amortiguamiento y se sugiere una correlación entre la reducción de la densidad y el aumento de las propiedades de amortiguamiento en los materiales ensayados. Finalmente, se dan detalles acerca del proceso de fabricación de las probetas además de un análisis de las propiedades mecánicas en función de la densidad y de la orientación.
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    Diseño de una máquina recicladora orientada a la producción de filamentos de plástico ABS para la impresión 3D en la PUCP
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-11-14) Porras Solorzano, Jean Peare; Elías Giordano, Dante Ángel
    La presente tesis es planteada con el objetivo de diseñar una máquina automática compacta que permita reciclar plástico ABS, proveniente de las piezas funcionales en desuso de los laboratorios de la PUCP, y convertirlo en filamentos para impresión 3D. Se determinó que el diseño del sistema mecatrónico contará con tres estaciones interconectadas que realizan un proceso específico: triturar, extruir y enrollar el filamento de ABS. Este diseño permite que la maquina pueda realizar cada proceso independiente, con lo cual se obtiene mínimamente 0.5 kg de filamento ABS para impresión 3D de distintos diámetros comerciales de forma continua. Además, el diseño contempla la posibilidad del reciclaje de otros tipos de plástico con propiedades mecánicas y físicas similares al ABS. Así, se abordan los cálculos de diseño mecánico, los análisis de resistencia de distintos materiales mediante simulaciones computacionales, la selección de componentes, la propuesta del control del sistema, y los planos de ensamble y despiece para su fabricación. De esta manera, se obtiene un estimado del costo de diseño y fabricación para un ejemplar de aproximadamente S/33,000.00.