Diseño y fabricación de un dispositivo para adaptar un equipo para la excitación electromagnética de células en un cultivo celular al microscopio de fluorescencia

Trabajo Fin de Grado Julio 2016 Diseño y fabricación de un dispositivo para adaptar un equipo para la excitación electromagnética de células en un cultivo celular al microscopio de fluorescencia Alumno: Jesús Lorca Cabo Tutor: Ana Jesús Vidaurre Garayo Co-Tutor: Jaime Riera Guasp Grado en Diseño Industrial y Desarrollo de Productos Universidad politécnica de Valencia 2 Resumen Este proyecto nace de una necesidad técnica y concreta en una investigación y desarrollo de ingeniería tisular sobre el cultivo del cartílago articular. El trabajo trata sobre el diseño y fabricación de un dispositivo que se adapte al microscopio óptico para poder medir el resultado de la excitación electromagnética de células en un cultivo celular. Este dispositivo consta de dos partes: la primera unidad es el dispositivo de excitación y observación y la segunda unidad alberga la placa electrónica de control de los elementos electromagnéticos. El dispositivo se ubica en el pequeño espacio que permite el microscopio y tiene que instalarse y desinstalarse fácilmente. El dispositivo sustituye a la bancada original y permite el conexionado de sus componentes de manera accesible, también, posiciona de manera óptima los distintos elementos para la excitación electromagnética del cultivo y su posterior observación. El dispositivo se ha producido mediante fabricación aditiva lo cual ha simplificado el proceso de producción. En la segunda unidad se adecua a la actual placa PCB que controla los dispositivos de excitación electromagnética para su traslado y protección. Palabras clave: Ingeniería tisular, cartílago articular, excitación electromagnética, fabricación aditiva. Abstract This proyect treats a concrete and technic need in a development and research of tissue engineering related to articular cartilage’s growing. The project deals with manufacturing and designing a device which adapts to an optic microscope for being able to measure the result of the cell growing submitted to an electromagnetic excitation. This device has two parts; the first one is the excitation and observation device, the second unity harbours the electromagnetic elements control. The device is located in the small place of the microscope and it has to be installed or uninstalled easily. The device replaces the original bench and it allows the component’s connection in an accessible way, in addition, it ideally puts in place the different elements for cell growing electromagnetic excitation and its subsequent observation. The device has been made by additive manufacturing, which has simplified the 3 production process. In the second unity is where the current electronic board is adapted, it controls the electromagnetic excitation elements and it is adapted for moving and protecting the electronic board. Keywords: Tissue engineering, articular cartilage, electromagnetic excitation, additive manufacturing 4 ÍNDICE GENERAL Memoria_______________________________________________________4 Pliego de condiciones____________________________________________48 Presupuesto___________________________________________________56 Planos________________________________________________________64 5 MEMORIA 6 ÍNDICE Tabla de ilustraciones ___________________________________________________ 7 1 Motivación _______________________________________________________ 9 2 Objetivo _________________________________________________________ 11 3 Antecedentes ____________________________________________________ 13 3.1 Ingeniería Tisular ______________________________________________ 13 3.2 Cartílago articular _____________________________________________ 14 3.3 Excitación magnética ___________________________________________ 17 3.4 Fabricación aditiva _____________________________________________ 20 4 Normativa _______________________________________________________ 23 5 Contexto de desarrollo del proyecto __________________________________ 24 6 Diseño del dispositivo ______________________________________________ 27 7 Fabricación del dispositivo __________________________________________ 36 7.1 Solución alternativa ____________________________________________ 36 7.2 Solución definitiva _____________________________________________ 37 8 Acondicionamiento de la placa PCB ___________________________________ 40 9 Conclusión _______________________________________________________ 44 9.1 Trabajo futuro ________________________________________________ 45 10 Bibliografía _____________________________________________________ 46 11 Webs de interés _________________________________________________ 47 7 TABLA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1 localización del cartilago articular en la rodilla humana. .......................... 15 Ilustración 2 campo magnético en un solenoide ........................................................... 19 Ilustración 3 Disposición bobinas ................................................................................... 19 Ilustración 4 Esquema circuito electronico .................................................................... 20 Ilustración 5 Microscopio óptico .................................................................................... 24 Ilustración 6 bancada microscopio nikon e600 .............................................................. 24 Ilustración 7 bandeja vista superior ............................................................................... 25 Ilustración 8 bandeja vista inferior ................................................................................. 25 Ilustración 9 dispositivo electrónico ............................................................................... 25 Ilustración 10 detalle ópticas.......................................................................................... 26 Ilustración 11 Vista sup. bancada ................................................................................... 29 Ilustración 12 Vista inf. bancada .................................................................................... 29 Ilustración 13 Detalle sup. bancada ............................................................................... 29 Ilustración 14 Alzador Petri 01 ....................................................................................... 30 Ilustración 15 Alazador Petri 02 ..................................................................................... 30 Ilustración 16 Cartelas .................................................................................................... 31 Ilustración 17 Sección Cartela/Bobina............................................................................ 31 Ilustración 18 Bobina ...................................................................................................... 32 Ilustración 19 Detalle inf. Bancada ................................................................................. 32 Ilustración 20 Aro centrador .......................................................................................... 33 Ilustración 21 Aro centrador/tornillos ............................................................................ 33 Ilustración 22 Vista inf. montado ................................................................................... 34 Ilustración 23 Detalle sup. bancada ............................................................................... 34 Ilustración 24 Detalle inf. bancada ................................................................................. 34 Ilustración 25 Detalle despiece terminado .................................................................... 35 Ilustración 26Detalle montaje final ................................................................................ 35 Ilustración 27 Captura pantalla cura 01 ......................................................................... 37 Ilustración 28 Captura pantalla cura 02 ......................................................................... 38 Ilustración 29 Bancada impresa ..................................................................................... 38 Ilustración 30 Piezas 3D .................................................................................................. 39 8 Ilustración 31 Vista superior placa PCB .......................................................................... 40 Ilustración 32 Vista inferior placa PCB ............................................................................ 40 Ilustración 33 Detalle caja PCB durante su acondicionamiento .................................... 41 Ilustración 34 Taladrado caja pcb ................................................................................... 41 Ilustración 35 Limado rebabas taladrado caja pcb ......................................................... 41 Ilustración 36 Separador comercial ................................................................................ 41 Ilustración 37 Montaje placa PCB ................................................................................... 42 Ilustración 38 Cierre caja PCB ......................................................................................... 42 Ilustración 39 Caja PCB ................................................................................................... 42 Ilustración 40 Caja PCB ................................................................................................... 43 Ilustración 41 Caja PCB ................................................................................................... 43 9 1 MOTIVACIÓN Dentro de las propuestas para realizar el Trabajo Fin de Grado (en adelante TFG) de la especialidad de Diseño industrial y desarrollo de productos, existe la propuesta de diseñar y fabricar un dispositivo para adaptar un equipo para la excitación electromagnética de células en un cultivo celular en el microscopio de fluorescencia, la cual me ha parecido interesante entre otras cosas por su relación con la investigación. A raíz de esta propuesta, he diseñado y fabricado dicho dispositivo, con la finalidad de solucionar y mejorar técnicamente la utilización de un equipo de excitación electromagnética de células y hacer posible observaciones del desarrollo del cultivo celular en vivo. Este TFG contribuye a un proyecto más amplio desarrollado por el Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular de la Universidad Politécnica de Valencia (en adelante CBIT) dando una solución técnica para facilitar la observación del desarrollo de cultivos celulares sometidos a excitación magnética. Por el mismo motivo relacionado en el párrafo anterior, este trabajo parte de un TFG anterior realizado por el alumno Alfonso Valera Martínez en el cual se diseñaba e implementaba el dispositivo de excitación armónica de nanopartículas magnéticas. A partir de los elementos electrónicos diseñados e implementados por dicho TFG, he diseñado y fabricado un dispositivo que sirve de soporte para los elementos electromagnéticos y los cultivos y así, utilizarlos de manera óptima sobre el microscopio de fluorescencia, de esta manera facilitamos la observación. El equipo de excitación magnética consta de dos unidades: una placa Petri que contiene los elementos a observar en el microscopio junto con dos bobinas y sus respectivos núcleos ferromagnéticos, alimentadas por una corriente eléctrica. Dicha corriente es suministrada desde una placa electrónica, conectada a las fuentes de alimentación, que constituye la segunda unidad y que no necesita colocarse sobre la bancada del microscopio. El dispositivo objeto de este TFG consta por tanto de dos elementos, uno de ellos se adapta al microscopio y sirve de soporte a la primera unidad, el segundo alberga la placa electrónica favoreciendo su uso y transporte. 16 Las principales técnicas de reparación o regeneración del cartílago articular son:  Aloinjertos osteocondrales: extracción de un fragmento osteocondral de cadáver e implantación en el lecho sangrante del receptor.  Autoinjertos osteocondrales: extracción de un fragmento osteocondral del mismo individuo de una zona de menor movilidad e implantación en la zona lesionada/degenerada.  Injertos de periostio: el periostio es el tejido conjuntivo que recubre y nutre a los huesos. Reúne tres características esenciales de la ingeniería tisular: es una fuente de células, actúa como scaffold y origina numerosos factores de crecimiento local.  Injertos de pericondrio: el pericondrio es el tejido que rodea el cartílago y lo nutre.  Injerto de condrocitos: los condrocitos son las células que se encuentran en el cartílago articular. Se trata de cultivar condrocitos autólogos, inyectarlos y suturar la zona afectada a modo de contenedor.  Terapia génica: técnica basada en la alteración de la información de los genes celulares para que sintetice la sustancia deseada. Se trata de utilizar moléculas reguladoras de las células para que realicen tareas reparativas o disminuyan sus actividades de degradación o ambas a la vez. Sin embargo, la terapia génica no está exenta de riesgos. Ninguna de las técnicas utilizadas ha conseguido muy buenos resultados, por lo que es preciso recurrir a otras técnicas como puede ser la ingeniería tisular. Su propuesta consiste en desarrollar scaffolds adecuados que alberguen las células en un entorno adecuado, suministrando factores de señalización adecuados y permitiendo la estimulación mecánica antes del implante con el fin de generar un entorno que simule las condiciones naturales.  Scaffolds: se han propuesto hidrogeles porosos biodegradables porque tienen la capacidad de albergar gran cantidad de agua sin disolverse. El éxito clínico de insertos osteocondrales ha hecho incluso que se plantee la idea de generar compuestos bifásicos (hueso-cartílago). 17  Células: se han utilizado condrocitos que son las células del cartílago y células madre, preferentemente de médula ósea o de tejido adiposo. Para que las células mantengan o desarrollen el fenotipo adecuado es preciso que se reproduzcan las condiciones del entorno natural (las células están aisladas y sometidas a solicitaciones mecánicas).  Proteína morfogenética-ósea y factores de crecimiento: son moléculas de crecimiento e inducen al genoma de las células a iniciar la formación un área morfogénetica y diferenciada, por lo tanto activan la osificación y la proliferación de condrocitos. Las propiedades de estas proteínas se han utilizado en la ingeniería tisular del cartílago y se ha demostrado que tienen potencial codrogénico. Nuestro proyecto entra dentro de las técnicas de regeneración de scaffolds, donde se extraen células autólogas de la zona afectada y se estimula su regeneración en un cultivo para su posterior implantación. 3.3 Excitación magnética Con el fin de producir la estimulación mecánica de las células durante el cultivo in vitro se ha diseñado un dispositivo de excitación magnética que produce un movimiento oscilatorio en las nanopartículas magnéticas de ferrita contenidas en micropartículas de ácido poliláctico que constituyen el scaffold. Dichas micropartículas transmitirán los esfuerzos mecánicos a las células que se encuentran en el medio de cultivo dentro del scaffold. Para poder verificar cada una de las fases del proyecto es preciso realizar observaciones del medio de cultivo en la pletina del microscopio. En primer lugar se comprueba la acción del campo magnético sobre las nanopartículas. Posteriormente sobre las micropartículas que contienen nanopartículas magnéticas. En una tercera fase se combinan las micropartículas con un fluido viscoso, que simula la generación del cartílago recién formado. En una última fase se comprueba el efecto sobre las células; aunque esto no se puede medir directamente sobre el microscopio por las restrictivas condiciones de esterilización y control de temperatura que exige el cultivo celular. 18 El dispositivo que diseñamos en este TFG, sostiene sobre la bancada del microscopio las bobinas que crean el campo magnético en la región de observación. Para conseguir la estimulación necesaria, se ha de aplicar suficiente fuerza sobre la célula. En nuestro caso, la fuerza provienen de la acción de un campo magnético variable sobre una partícula ferromagnética de acuerdo con la siguiente fórmula (Gerber, 1994):  ( 󰇍 󰇍  ) 󰇍  Donde 󰇍 󰇍  es el momento magnético de la micropartícula que contiene las nanopartículas y 󰇍  es la densidad del flujo del campo magnético en Teslas (T). El campo magnético generado por un electroimán viene determinado por la siguiente fórmula (Paul Allen Tiper, Gene Mosca,, 2010): Donde, N es el número de vueltas del solenoide, I la intensidad de corriente que circula por él, L la longitud del solenoide, µ’ la permeabilidad relativa del medio y µ0 la permeabilidad del vacío. El solenoide produce un campo magnético uniforme en su interior, mientras que en el exterior el valor del campo magnético disminuye hasta casi ser nulo por la dispersión del campo (Ilustración 2). La dirección del campo magnético viene determinada por la regla de la mano derecha (Olson, 2008). La intensidad del campo magnético puede ser aumentada al introducir un núcleo de un material ferromagnético (Nave, 2014). Un material de alta permeabilidad magnética concentra las líneas del campo y consigue intensificarlo cientos de veces y generar un campo magnético uniforme fuera del solenoide. 19 Para las nanopartículas de material ferromagnético interesaba que tuviese el ciclo de histéresis lo más estrecho posible para que respondieran al campo magnético más rápidamente, de esta manera se garantiza que no se magnetizarán. ILUSTRACIÓN 3 DISPOSICIÓN BOBINAS ILUSTRACIÓN 2 CAMPO MAGNÉTICO EN UN SOLENOIDE 20 Como la densidad del flujo magnético es proporcional a la intensidad de corriente, interesa que ésta sea lo más alta posible para conseguir valores de la fuerza que sean apreciables. Se aplicará una señal sinusoidal para conseguir un movimiento oscilatorio, tal como se ha comentado con anterioridad. Para ello se utiliza un circuito electrónico que ha sido objeto del proyecto de Alfonso Valera y que se muestra en la Ilustración 4. ILUSTRACIÓN 4 ESQUEMA CIRCUITO ELECTRONICO 3.4 Fabricación aditiva El dispositivo que desarrollamos en este TFG ha sido fabricado mediante la tecnología de fabricación aditiva, la cual nos ha facilitado de manera muy notable la realización del mismo. Inicialmente, barajamos la posibilidad de hacerlo por métodos más convencionales, como por ejemplo partir de un material normalizado comercial, en este caso plancha de PMMA (polimetacrilato) y mediante técnicas de fabricación sustractivas (corte, taladrado y fresado) llegar a la geometría deseada. El poder fabricarlo por este procedimiento aditivo(AM) nos ha facilitado la tarea. La tecnología conocida como fabricación aditiva o additive manufacturing (AM), consiste en manipular material a escala micrométrica y depositarlo de forma muy precisa para construir un sólido (Zahera, 2012). Son diversas las tecnologías que permiten fabricar piezas por este principio y suponen una nueva revolución industrial. Esta tecnología presenta ventajas frente a los métodos convencionales de producción pero también tiene ciertos retos a superar para conseguir una aplicación exitosa en múltiples sectores. Hasta ahora, los métodos de producción tradicionales trataban de 21 arrancar material (mecanizado) o conformar (inyectar, fundir, plegar) hasta llegar a la geometría final, mientras que la fabricación aditiva persigue todo lo contrario, depositar o aportar material de manera controlada en las zonas deseadas hasta conseguir la geometría final. La fabricación aditiva es fruto de los avances tecnológicos de los últimos treinta años. Sistemas CNC, CAD, CAM, CAE son ejemplos de tecnología que permiten procesar a gran velocidad cantidades de datos y manejar sistemas mecánicos con fiabilidad y precisión. Estos sistemas han posibilitado el alto nivel de desarrollo de la fabricación aditiva actual. Las principales ventajas competitivas de la fabricación aditiva frente a otros procesos de fabricación industrial son: complejidad geométrica y personalización del proceso de diseño y desarrollo del producto. La complejidad geométrica ya no es un factor determinante en el proceso porque con la fabricación aditiva ya no existen tantas limitaciones técnicas como en las técnicas conformativas y sustractivas. Características como vaciados interiores, espesores variables, canales internos son formas de difícil reproducción con los métodos convencionales de producción, en los que se resuelven mediante ensamblajes o por procesos de muy alto coste y que para la fabricación aditiva son propiedades formales muy poco relevantes a la hora de la fabricación de la pieza. Por otra parte, el hecho de fabricar una serie de piezas y que, cierta cantidad de esta serie, tenga alguna característica diferente (algún grado de personalización), no supone un coste adicional significativo, mientras que por procesos de producción tradicionales puede requerir una modificación en el útil de moldeado (en el caso por ejemplo de un molde de inyección), lo cual puede ocasionar un coste significativo. Esto nos lleva a que en el desarrollo de productos de alto valor añadido y con diseños complejos, la fabricación aditiva presenta ventajas frente a la fabricación convencional. La AM es un método de fabricación que permite materializar el producto durante la fase de diseño, lo cual te reduce drásticamente dichas fases, como por ejemplo la validación, así como flexibilizar su adaptación a las demandas cambiantes del mercado 22 (reducción del time to market). Además, la fabricación aditiva, por su bajo coste respecto a la fabricación convencional, permite a los diseñadores crear prototipos en la fase de diseño para poder hacer pruebas funcionales y comprobaciones antes de llegar a la industrialización en masa del producto, cosa que permite ahorrar tiempo y dinero en el desarrollo de un producto. Por ejemplo, para sectores médico-sanitarios u ortoprotésicos, en los que el grado de personalización es muy alto, la absoluta libertad geométrica que tiene la fabricación aditiva consigue que los diseños fabricados con este tipo de fabricación tengan un mejor nivel de integración e interacción con el usuario final sin afectar sustancialmente a los costes de producción del producto médico-sanitario. Otra característica destacable es que se puede jugar con la porosidad de un mismo material o se puede también fabricar aportando simultáneamente varios materiales en un mismo sólido, superando limitaciones actuales, aportando nuevas funcionalidades o abaratando costes (Wohlers Report 2012, 2012). El avance de las técnicas de fabricación aditiva está permitiendo descubrir nuevas soluciones a productos actuales, pero no solamente eso, se abre un mundo de nuevas aplicaciones con su respectivo nuevo modelo económico basado en esta tecnología. Pero esta tecnología (AM) también tiene limitaciones y retos de futuro. Las limitaciones actuales son debidas al proceso de fabricación aditiva, que todavía puede ser mejorado y, también las limitaciones pueden venir dadas por procesos auxiliares de las propias piezas (post-procesos, control de calidad, manipulación del material). Pero por otra parte, todavía hay desconocimiento de cómo diseñar los productos o como orientar los negocios de forma exitosa. La gama de materiales de fabricación de momento es limitada, además el coste de material es superior e incluso pueden aparecer problemas de disponibilidad de material. Aspectos como el acabado superficial de las piezas y la velocidad de fabricación, el tamaño de las piezas, el coste de la maquinaria son aspectos todavía mejorables para esta tecnología de fabricación. 23 4 NORMATIVA El desarrollo de la actividad descrita en el proyecto fin de grado, supone conocer y cumplir con los textos legislativos vigentes a fecha de entrega del mismo por parte del alumno, de los directores del proyecto, de los técnicos u operarios y del personal investigador. El proyecto debe estar sujeto a diferentes normativas:  RD 842/2002 de Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión e Instrucciones Técnicas Complementarias, en donde queda registrado la normativa referente a las instalaciones e instrumentos con una tensión igual o inferior a 1500V de corriente continua o 1000V de corriente alterna.  Ley 31/1995 de Prevención de riesgos laborales, donde se indican las pautas y medidas que se deben implantar para evitar accidentes de trabajo. 24 5 CONTEXTO DE DESARROLLO DEL PROYECTO El dispositivo que se ha fabricado en este TFG, va a ir montado en un microscopio del Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular (CBIT), concretamente en el equipo 66, MÓPTICO 01. Se trata de un microscopio óptico Nikon modelo E600 (Ilustraciones 5 y 6). ILUSTRACIÓN 5 MICROSCOPIO ÓPTICO ILUSTRACIÓN 6 BANCADA MICROSCOPIO NIKON E600 25 El microscopio constructivamente tiene una bancada (ilustración 4), sobre la que se apoya una bandeja móvil (Ilustraciones 7 y 8) en la que se depositan las muestras, y gracias a unas ruedas se pueden desplazar en dos ejes (X e Y) para ajustar la zona a observar. Las muestras originalmente se transportan en placas de cultivo o en placas Petri. ILUSTRACIÓN 7 BANDEJA VISTA SUPERIOR ILUSTRACIÓN 8 BANDEJA VISTA INFERIOR Este microscopio aparte de tener un visor ocular, tiene un dispositivo electrónico para tomar imágenes y almacenarlas en un ordenador (Ilustración 9). ILUSTRACIÓN 9 DISPOSITIVO ELECTRÓNICO 32 ILUSTRACIÓN 18 BOBINA Por la parte inferior, la bancada tiene un alojamiento para el aro centrador y unos desahogos para los tornillos de fijación del conjunto a la bancada del microscopio (Ilustración 19). Los desahogos de los tornillos permiten que podamos acceder a los tornillos que fijarán el aro centrador con la bancada del microscopio. ILUSTRACIÓN 19 DETALLE INF. BANCADA El aro centrador (Ilustración 20) fija todo el conjunto sobre la bancada del microscopio. La unión entre la bancada del dispositivo y el aro centrador, es con ajuste fuerte en el momento de la fabricación y posteriormente pegada con adhesivo de cianocrilato. 33 ILUSTRACIÓN 20 ARO CENTRADOR El aro centrador tiene tres taladros de M5x0.8 perpendiculares al eje y a 120° equidistantes. En estos taladros van los tornillos de amarre del dispositivo a la bancada según la ilustración siguiente (Ilustración 21). ILUSTRACIÓN 21 ARO CENTRADOR/TORNILLOS La ilustración 22 nos ofrece una vista del dispositivo por la parte inferior. 34 ILUSTRACIÓN 22 VISTA INF. MONTADO Las ilustraciones 23 y 24 nos permiten apreciar la visión superior e inferior del conjunto. ILUSTRACIÓN 23 DETALLE SUP. BANCADA ILUSTRACIÓN 24 DETALLE INF. BANCADA Por su parte, en la ilustración 25 podemos ver el conjunto de piezas terminadas. 35 ILUSTRACIÓN 25 DETALLE DESPIECE TERMINADO Por último, la ilustración 26 nos muestra el dispositivo montado sobre la bancada del microscopio, junto con las bobinas de excitación magnética. ILUSTRACIÓN 26 DETALLE MONTAJE FINAL 36 7 FABRICACIÓN DEL DISPOSITIVO Para la fabricación del dispositivo se consideraron diferentes alternativas, ya que existe variedad de materiales comerciales y técnicas de fabricación que pueden llegar a satisfacer los requerimientos o necesidades iniciales. A continuación se describe una de las posibles alternativas y la solución de fabricación final. 7.1 Solución alternativa Después del planteamiento del problema y una vez definido el diseño del dispositivo, se valoró hacer el dispositivo en plancha de PMMA (polimetilmetacrilato) de 10 mm de espesor. Mediante operaciones de mecanizado, se podría llegar a las formas deseadas. La bancada se puede fabricar mediante contorneado, ranurado y taladrado. Se tiene que tener en cuenta que en la operación de ranurado el material se puede curvar si no está estabilizado. En la cartela al igual que la bancada, se puede partir de material de plancha de PMMA de 10 mm y mediante contorneado y taladrado obtendríamos la pieza terminada. El aro centrador (pieza de la parte inferior) podemos fabricarlo de diferentes formas. Si partimos de plancha de PMMA tiene mayor dificultad ya que al tratarse de una pieza de revolución y además la altura del aro coincide con el espesor de la plancha, no nos permite hacer un contorneado pasante del aro y posteriormente quitarle el material sobrante. Además, tiene una operación posterior de taladrado y roscado a M5 para los tornillos de fijación. Con los medios disponibles, posiblemente sea más fácil tornear la pieza partiendo desde una barra de Ø120x60 mm y posteriormente taladrar y roscar a M5. El alzador Petri 01, es una pieza propia de torno, se puede partir de una barra de PMMA de Ø40x60 mm y taladrarla y tornearla. Por otra parte, el alzador Petri 02 está compuesto por dos zonas diferenciadas, una cilíndrica con un diámetro de Ø37.8 mm y otra cuadrada que describe una pequeña bancada. Una posibilidad para fabricar la pieza es cuadrear un taco de material de 50x50x20 mm, y mecanizarlo haciendo la zona cilíndrica y el taladro. 37 7.2 Solución definitiva Después de analizar las dificultades y desventajas que presenta la solución alternativa expuesta, se opta por la fabricación aditiva. Se tuvo en cuenta que existen diversos departamentos en la UPV que disponen de impresoras 3D, por lo que una vez terminado el diseño 3D del dispositivo, se procedió a su fabricación mediante este tipo de técnicas aditivas. La técnica de fabricación aditiva utilizada es Fused Deposition Modelling (FDM), por la que un hilo de un material termoplástico (en este caso ABS) es fundido por el cabezal de impresión y depositado sobre la pieza. La impresora que utilizamos es una impresora 3D modelo Reprap Prusa IT3, este modelo de impresora 3D lo comercializa la firma española BQ y su desarrollador es Reprap. De manera colaborativa (licencia GPL) los usuarios en foros van haciendo mejoras de diferentes piezas para obtener mejores prestaciones de sus máquinas, estas piezas se las fabrican ellos mismos por lo que este tipo de máquinas en cierta medida se auto-replican. El software que se utiliza es el Cura 15.04.6 de la firma ultimaker. Se trata de un software comercial de descarga gratuita que se puede descargar y probar desde la página web de su desarrollador. El software Cura necesita una geometría en formato *.STL (estereolitografia) para imprimir el modelo en la impresora 3D. Por este motivo, es necesario que el diseño, se convierta a este formato, el cual utiliza un mallado de triángulos cerrados para definir la forma del objeto. El primer factor que se tiene que tener en cuenta a la hora de plantear la fabricación es el tamaño de las piezas y la capacidad de la bancada de la impresora 3D que es de 200x200x100 mm. Esto hace que se tenga que fabricar en fases, primero las piezas más pequeñas cartela, alzador y aro centrador y posteriormente, la bancada (Ilustraciones 27 y 28). ILUSTRACIÓN 27 CAPTURA PANTALLA CURA 01 38 ILUSTRACIÓN 28 CAPTURA PANTALLA CURA 02 Posteriormente se procede a su fabricación, y se obtienen los siguientes datos:  Fabricación cartela, alzador y aro centrador: 5 horas, 6.88 m de hilo consumido y 54 gramos.  Fabricación bancada: 8 horas, 12 m de hilo consumido y 100 gramos. Las piezas que obtenemos directamente de la impresora 3D no están completamente acabadas, ya que falta retirar y sanear las zonas de los orificios y la ranura (Ilustración 29). ILUSTRACIÓN 29 BANCADA IMPRESA Mediante operaciones de limado y taladrado, se acaban las zonas con requerimientos dimensionales o formales (Ilustración 30). 39 ILUSTRACIÓN 30 PIEZAS 3D Se tiene que tener en cuenta que en el momento de añadir agujeros o mecanizados posteriores en las piezas fabricadas mediante la técnica FDM, que como el interior esta hueco o tiene un mallado de menor densidad, se pueden encontrar zonas que presenten dificultad para fijar tornillos u otros elementos. 40 8 ACONDICIONAMIENTO DE LA PLACA PCB A continuación se describe el proceso de la segunda unidad, el acondicionamiento de la placa PCB que controla las bobinas de excitación magnética. Esta placa PCB proviene del TFG titulado: Diseño e implementación de un dispositivo de excitación armónica de nanopartículas magnéticas, del alumno Alfonso Valera Martínez (Ilustración 31 y 32). ILUSTRACIÓN 31 VISTA SUPERIOR PLACA PCB ILUSTRACIÓN 32 VISTA INFERIOR PLACA PCB Para ello se ha buscado una caja comercial para componentes electrónicos. Esta caja comercial es de aluminio y está fabricada en dos mitades. Estas dos mitades se encajan entre si y se aseguran mediante ocho tornillos rosca chapa cabeza avellanada plana de acero inoxidable DIN-7982 2,2x6,5 mm. La caja se vende protegida en un film que ayuda y protege al aluminio durante su conformado. Este film se retirará una vez acondicionada para ser insertada la placa PCB. El hecho de acondicionar la placa PCB facilita la manipulación, el traslado y el conexionado de la placa PCB. La caja protege a la placa PCB de daños accidentales, permite coger esta unidad para trasladarla y tiene unas etiquetas que indican la función de cada cable, facilita y hace más accesible el conexionado de la placa PCB. El conexionado de los diferentes elementos a los cables de la placa PCB se hace mediante pinzas metálicas de conexionado. La caja se puede abrir mientras se está empleando la placa PCB, esta opción favorecería la evacuación de calor en caso de ser necesario. 41 ILUSTRACIÓN 33 DETALLE CAJA PCB DURANTE SU ACONDICIONAMIENTO ILUSTRACIÓN 34 TALADRADO CAJA PCB La placa PCB tiene diversos cables tanto de alimentación como para el conexionado de las bobinas, por lo tanto, es necesario que todos estos cables atraviesen la caja. Por este motivo se procede a taladrar y ranurar misma (Ilustración 34). Una vez taladrada y ranurada, se procede al limado de rebabas (Ilustración 35). Se trata de una operación manual y para ello se utilizan un juego de limas. ILUSTRACIÓN 35 LIMADO REBABAS TALADRADO CAJA PCB ILUSTRACIÓN 36 SEPARADOR COMERCIAL La fijación de la placa PCB sobre la caja se hace mediante unos separadores comerciales (Ilustración 36), que tienen un arpón en la parte superior y una zona plana con adhesivo en su parte inferior. Para ello es necesario hacer unos taladros a la placa PCB en zonas donde no hallan pistas para no dañarla. A continuación se procede al montaje de la placa PCB sobre la caja. PLIEGO DE CONDICIONES 49 ÍNDICE 1 Definición y alcance del pliego de condiciones __________________________ 50 1.1 Objeto del pliego ______________________________________________ 50 1.2 Descripción general del montaje __________________________________ 50 2 Condiciones y normas de carácter general _____________________________ 52 2.1 Condiciones generales facultativas ________________________________ 52 2.1.1 Facultades del promotor ____________________________________ 52 2.1.2 Obligaciones y derechos del proyectista ________________________ 52 2.1.3 Plazos de ejecución del proyecto ______________________________ 53 2.1.4 Causa de rescisión del proyecto _______________________________ 53 2.2 Condiciones generales económicas ________________________________ 53 2.2.1 Honorarios _______________________________________________ 53 2.2.2 Presupuesto del proyecto ___________________________________ 54 3 Condiciones particulares ___________________________________________ 55 3.1 Condiciones técnicas de los materiales _____________________________ 55 3.2 Condiciones dimensionales de los materiales ________________________ 55 3.3 Condiciones de fabricación ______________________________________ 55 3.4 Condiciones de acondicionado de la placa PCB _______________________ 55 50 1 DEFINICIÓN Y ALCANCE DEL PLIEGO DE CONDICIONES 1.1 Objeto del pliego El presente pliego de condiciones tiene por objeto reunir las distintas condiciones técnicas que se debe seguir para una correcta ejecución del proyecto aquí expuesto. El objetivo del trabajo final de grado recogido en este documento es el diseño y fabricación de un dispositivo para adaptar un equipo para la excitación electromagnética de células en un cultivo celular al microscopio de fluorescencia y, el acondicionamiento de la placa electrónica PCB para su traslado y manipulación. En determinados supuestos se podrá adoptar, por la propia naturaleza del mismo o del desarrollo tecnológico, soluciones diferentes a las exigidas en este documento, siempre que queden justificadas y no impliquen una disminución de las exigencias mínimas del proyecto. 1.2 Descripción general del montaje El orden de ejecución para montar el dispositivo queda definido según los siguientes pasos: 1. Quitar la bancada original del microscopio óptico Nikon modelo E600. 2. Montar la bancada del dispositivo y asegurar con los tornillos inferiores esta al microscopio. 3. Insertar la cartela en la ranura de la bancada. 4. Montar el alzador para la Petri. 5. Montar las bobinas sobre la cartela. 6. Introducir en las bobinas el material ferro-magnético. 7. Conectar las bobinas al dispositivo de excitación. 8. Poner el cultivo sobre el alzador. 9. Iniciar la excitación electromagnética. 51 La persona encargada de llevar a cabo el montaje del dispositivo debe ser personal cualificado que pueda resolver cualquier imprevisto durante el montaje, pruebas pertinentes y desmontaje del dispositivo. 52 2 CONDICIONES Y NORMAS DE CARÁCTER GENERAL Si durante el montaje del proyecto el encargado de su realización tuviera que sustituir cualquier componente por cualquier motivo ajeno, siempre utilizará elementos de características similares y teniendo en cuenta el criterio del director del proyecto. Si al cambiar cualquier elemento del proyecto se diese un mal funcionamiento, la responsabilidad recaería sobre la persona que lo haya realizado sin la adecuada autorización. Es recomendable la verificación de cada elemento empleado según las especificaciones, aunque se den por correctas las especificaciones y características de los elementos del dispositivo. El proyecto deberá cumplimentar la normativa expuesta en la memoria. 2.1 Condiciones generales facultativas 2.1.1 FACULTADES DEL PROMOTOR Los promotores del presente proyecto son la Dr. Dña. Ana Jesús Vidaurre Garayo y el Dr. D. Jaime Riera Guasp, que actúan en representación del Departamento de Física Aplicada de la Universidad Politécnica de Valencia. Los promotores o tutores del proyecto están sujetos a la reglamentación de la Universidad politécnica de Valencia y la de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros del Diseño. Tienen la facultad de supervisar y modificar el trabajo realizado en el proyecto, así como de autorizar su entrega al equipo de evaluación de la escuela. Además, pueden cambiar las especificaciones del proyecto. 2.1.2 OBLIGACIONES Y DERECHOS DEL PROYECTISTA 2.1.2.1 LAS OBLIGACIONES DEL PROYECTISTA Las obligaciones del proyectista son las siguientes: 53  Estar bajo la supervisión de los promotores o tutores y actuar según sus indicaciones.  Acogerse a la reglamentación vigente en la realización del proyecto.  Seguir las normas de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros del Diseño de la Universidad Politécnica de Valencia.  Respetar los derechos de autor.  Informar periódicamente a los promotores del estado en que se encuentra el proyecto. 2.1.2.2 DERECHOS DEL PROYECTISTA SON LOS SIGUIENTES: Disponer de equipos y materiales necesarios para la elaboración del proyecto y de sus especificaciones. 2.1.3 PLAZOS DE EJECUCIÓN DEL PROYECTO Los plazos para el inicio y la finalización del proyecto serán los establecidos entre promotor y proyectista. La finalización del proyecto deberá de ser cuando se terminen las labores académicas del TFG y así lo den por terminado el promotor y proyectista. 2.1.4 CAUSA DE RESCISIÓN DEL PROYECTO El promotor del proyecto puede rescindir del contrato con el proyectista cuando se den las siguientes condiciones:  Retraso excesivo en la ejecución del proyecto.  Por abandono del proyecto.  Por mutuo acuerdo entre las partes implicadas, siempre y cuando ninguna de ellas se vea perjudicada. 2.2 Condiciones generales económicas 2.2.1 HONORARIOS Por tratarse de un Trabajo Final de Grado, no se recibirán honorario alguno. 54 2.2.2 PRESUPUESTO DEL PROYECTO El presupuesto del proyecto se realizará acorde a los precios actuales de los materiales y salarios estipulados en el Boletín Oficial del Estado. 55 3 CONDICIONES PARTICULARES En este apartado se incluyen las características a tener en cuenta a la hora de realizar el proyecto. 3.1 Condiciones técnicas de los materiales Los materiales utilizados cumplen las especificaciones técnicas necesarias del fabricante de la impresora 3D. 3.2 Condiciones dimensionales de los materiales Las condiciones dimensionales de los materiales quedan descritas en los planos así como, tolerancias dimensionales y geométricas dando a los planos carácter contractual. 3.3 Condiciones de fabricación Debido a que los elementos del conjunto están realizados por fabricación aditiva, es necesario verificar que el proceso de fabricación ha sido satisfactorio y no existen grietas ni defectos de fabricación relevantes que puedan comprometer la correcta funcionalidad del elemento. 3.4 Condiciones de acondicionado de la placa PCB Las condiciones de acondicionado de la placa PCB quedan descritas a continuación:  Se utilizará mano de obra cualificada para la realización de las diferentes operaciones de mecanizado. Esta mano de obra estará sujeta a las leyes de prevención de riesgos laborales y de seguridad e higiene en el trabajo, así como, al régimen laboral y salario estipulado en el BOE y pertinente a su cualificación profesional.  Se utilizará la herramienta y/o máquina-herramienta adecuada para la realización de las operaciones de mecanizado. PRESUPUESTO 57 ÍNDICE 1 Introducción _____________________________________________________ 58 2 Materiales _______________________________________________________ 59 3 Mano de obra ____________________________________________________ 60 4 Maquinaria ______________________________________________________ 62 5 Coste total ______________________________________________________ 63 PLANOS 65 ÍNDICE 1 Conjunto ________________________________________________________ 66 2 Conjunto explosionado _____________________________________________ 67 3 Subconjunto dispositivo excitación ___________________________________ 68 4 Subconjunto bancada microscopio ___________________________________ 69 5 Bancada dispositivo _______________________________________________ 70 6 Aro centrador ____________________________________________________ 71 7 Cartela __________________________________________________________ 72 8 Alzador petri _____________________________________________________ 73 9 Bobina __________________________________________________________ 74 10 Imán ___________________________________________________________ 75 11 Petri ____________________________________________________________ 76