La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, es una tecnología de vanguardia que se ha desarrollado durante las últimas tres décadas. Con ella se busca desarrollar técnicas de impresión que permitan construir objetos en múltiples tamaños con diversos materiales, de modo que se tenga un control total en la fabricación de objetos y piezas funcionales. Esto ha dado lugar a grandes avances en el desarrollo de tintas y técnicas de impresión que van desde material plástico, concreto, metales, entre otras, hasta compuestos orgánicos e incluso piel. En el campo de la electrónica, la impresión 3D está siendo utiliza para fabricar circuitos y componentes electrónicos, lo cual permite desarrollar circuitos electrónicos funcionales de forma rápida que aceleran el proceso de investigación en el desarrollo de nuevas tecnologías de sensores, circuitos y componentes integrados, y antenas.

El laboratorio que se implementará con esta financiación será el de fabricación aditiva avanzada. Estará compuesto por un sistema de impresión 3D que permitirá imprimir dispositivos electrónicos como resistencias, condensadores y transistores de película fina, y circuitos electrónicos monocapa y multicapa; adicionalmente, explorará el uso de grafeno, metamateriales, nanotecnología, sensores y microsensores, celdas solares, antenas, entre otras. De esta forma se permitirá diseñar y realizar estructuras 3D novedosas.

Es una herramienta capaz de producir rápidamente productos electrónicos directamente desde modelos CAD; además de admitir el procesamiento de una amplia variedad de materiales para producir componentes electrónicos robustos y personalizados en prácticamente cualquier sustrato. El proceso de impresión no entra en contacto y se va conformando, lo que permite crear patrones sobre estructuras existentes a través de superficies curvas y hasta en canales.

Las tintas pueden consistir en una combinación de agentes químicos líquidos, partículas sólidas y disolventes. El sistema es compatible con una amplia variedad de tintas, pastas u otros materiales que pueden depositarse; incluyendo metales, conductores, aislantes, ferritas y polímeros. A su vez, también puede usarse para realizar procesos biológicos de escritura directa, a través de los cuales se pueden depositar células, enzimas, proteínas, ácido nucleico y otros tipos de material biológico.

El departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Católica San Pablo de Arequipa, desde hace algunos años, viene desarrollando investigación científica y desarrollo tecnológico enfocado en la búsqueda de soluciones a problemas reales de la región por medio del uso de la electrónica y las telecomunicaciones. Este equipo permitirá desarrollar la investigación en el desarrollo de nuevos sensores aplicados a la agricultura, medio ambiente, materiales, medicina, entre otras. Con ello se podrá avanzar en el desarrollo tecnológico de Internet de las Cosas.

Objetivo general

Adquisición e implementación de un laboratorio de prototipado electrónico enfocado especialmente en la fabricación de Sensores y Placas de Circuito Impreso (PCB) monocapa o multicapa, planar o no planar, utilizando un sistema de impresión 3D de tecnología FDM (Fuse Desposition Modeling) innovador, el cual empleará manufactura aditiva de tecnología de Aerosol Jet. Ello con el objetivo de iniciar, desarrollar y ampliar la investigación y el desarrollo de prototipos de sistemas electrónicos tales como antenas, pantallas de diodos orgánicos emisores de luz (OLED), tarjetas chip electrónicas, celdas solares fijas o flexibles (OPV), etiquetas RFID, baterías impresas, sensores biomédicos, dispositivos ópticos entre otros.

Objetivo específico 1

Adquisición del equipo y puesta en marcha

Objetivo específico 2

Elaboración de muestras (soluciones) sintéticas para la validación de la respuesta de los sensores

Objetivo específico 3

Síntesis de agente macrocíclico absorbente de cadmio y diseño de prototipo de array de sensor electromagnético sensible al cadmio

Objetivo específico 4

Extracción de características, estimación y evaluación de la composición de cadmio en el agua dado por sensores electromagnéticos y medidas fluorescentes

Descripción

La Impresora 3D Aerosol Jet HD modernizará y fortalecerá la manufacturación avanzada de la región, a su vez que promoverá el desarrollo de la ciencia, tecnología e innovación.

En investigación:

1. La posibilidad de realizar ensayos “no tradicionales” con diversos materiales, estudiando cómo lograr propiedades específicas con ciertas configuraciones y buscando crear materiales con diversos fines, sensores, captadores de energía, etc.
2. La posibilidad de explorar nuevas soluciones en el diseño de materiales. Por ejemplo, grafeno (suspendido) como conductor unido con polímeros para lograr sensores electrónicos novedosos y con un elevado potencial de comercialización.
3. La posibilidad de explorar diversas estructuras de polímeros y metales (compósitos) que pueden ser manipulados simultáneamente para lograr avances en materiales para usos diversos. Con el diseño de circuitos electrónicos innovadores, se explorarán múltiples dimensiones en estructuras de alta frecuencia, acoplamiento inductivo y sistemas de conexión de alta velocidad, antenas, sistemas de RFID, etc.
4. La implementación del proyecto propuesto no sería factible debido a que no existen alternativas en el mercado con las características requeridas. Si bien existen alternativas internacionales, el tiempo que demanda, la importación y el costo de los mismos es una barrera importante.

En disponibilidad:

Tanto en la región como en el país, no existen equipos que permitan trabajar simultáneamente con polímeros y metales, por lo que su adquisición posibilitará el diseño de estructuras materiales en 3D que puedan ser utilizadas con diversos propósitos, además que permitirá desarrollar dispositivos que trabajen en medios acuosos y no acuosos.

En complementariedad:

El equipo propuesto permitirá fortalecer la interacción entre las diversas instituciones participantes (solicitante, asociadas y colaboradoras). El equipo formulador cuenta con experiencia complementaria para desarrollar diversos proyectos. En particular, experiencia en el diseño de circuitos electrónicos como sensores y estructuras de alta frecuencia (institución solicitante), las que pueden ser utilizadas en aplicaciones químicas (experiencia de la institución asociada), aplicaciones biomédicas (institución colaboradora), entre otras. Por tanto, el desarrollo de investigaciones que fortalezcan la colaboración entre estas áreas en el desarrollo del proyecto de investigación planteado fortalecerá la investigación multidisciplinaria y colaboración entre las instituciones participantes. Dado que el equipo podría ser utilizado en investigación básica en materiales, estructuras, sensores, y otras aplicaciones, su adquisición abre nuevas posibilidades para formar redes de investigación con otras instituciones tanto a nivel regional, nacional e internacional.

En impacto regional y nacional:

En el corto plazo, laboratorios con equipamiento tecnológico de vanguardia en el área y capacitación en el uso del equipamiento adquirido. A partir de la adquisición y puesta en marcha del equipamiento, se fortalecerán los procesos requeridos y mejorarán las capacidades de fabricación de los laboratorios; a su vez que se iniciará su uso para otras dependencias (tanto internas como externas a la entidad solicitante). En el mediano plazo, se buscará la formación y capacitación de investigadores en diferentes niveles (junior, asociados y senior), lo que permitirá elevar el número de investigadores en el país. Asimismo, se desarrollarán sensores innovadores para la estimación de los niveles de cadmio en agua; se harán presentaciones orales y de poster en eventos académicos y científicos relevantes; y se publicará en revistas científicas que elevarán el nivel académico de las universidades. Finalmente, en el largo plazo, existe la posibilidad de desarrollo de soluciones específicas para la industria local y nacional, tanto como el de sensores de contaminantes diverso; y el fortalecimiento de redes de investigación regional y nacional, así como el de los vínculos de grupos de investigación y empresas, lo que promoverá la investigación, desarrollo e innovación.

Institución responsable del equipamiento

Universidad Católica San Pablo

RUC: 20327998413

Tipo de entidad: Universidad

Régimen: Privado

Tipo de organización: Sin fines de lucro

Departamento: Arequipa

Provincia: Arequipa

Distrito: Arequipa

Dependencias: Centro de Investigación en Ing. Electrónica y de Telecomunicaciones (CIET) y Grupo de Investigación y Tecnología de Materiales.

Entidad: Colaboradora asociada

Universidad Católica de Santa María

RUC: 20141637941

Tipo de entidad: Universidad

Régimen: Privado

Departamento: Arequipa

Provincia: Arequipa

Distrito: Arequipa

Dependencia: Laboratorio de Ensayo y Control de la Calidad

Entidad: Colaboradora de interés de uso

Instituto de Investigaciones de la Amazonía Peruana

RUC: 20163646499

Tipo de entidad: Universidad

Régimen: Público

Departamento: Arequipa

Provincia: Arequipa

Distrito: Arequipa

Universidad de Ingeniería y Tecnología

RUC: 20545990998

Tipo de entidad: Universidad

Régimen: Privado

Departamento: Lima

Provincia: Lima

Distrito: Barranco

Investigador principal

Nombres: Efraín Tito

Apellido paterno: Mayhua

Apellido materno: López

Entidad: Universidad Católica San Pablo

Dependencia: Centro de Investigación en Ing. Electrónica y de Telecomunicaciones (CIET)

Coinvestigadores

Nombres: Efraín José

Apellido paterno: Zenteno

Apellido materno: Bolaños

Grado académico: Doctorado

Entidad: Universidad Católica San Pablo

Dependencia: Centro de Investigación en Ing. Electrónica y de Telecomunicaciones (CIET)

Nombres: Ebert Gabriel

Apellido paterno: San Román

Apellido materno: Castillo

Grado académico: Magister

Entidad: Universidad Católica San Pablo

Dependencia: Centro de Investigación en Ing. Electrónica y de Telecomunicaciones (CIET)

Nombres: Patricia Raquel

Apellido paterno: Castillo

Apellido materno: Araníbar

Grado académico: Magister

Entidad: Universidad Católica San Pablo

Dependencia: Centro de Investigación en Ing. Electrónica y de Telecomunicaciones (CIET)

Nombres: Jimmy Diestin

Apellido paterno: Ludeña

Apellido materno: Choez

Grado académico: Doctorado

Entidad: Universidad Católica San Pablo

Dependencia: Centro de Investigación en Ing. Electrónica y de Telecomunicaciones (CIET)

Nombres: Holger Saúl

Apellido paterno: Pérez

Apellido materno: Montaño

Grado académico: Magister

Entidad: Universidad Católica San Pablo

Dependencia: Grupo de Investigación y Tecnología de Materiales

Nombres: Jaime Dante

Apellido paterno: Cárdenas

Apellido materno: García

Grado académico: Doctorado

Entidad: Universidad Católica de Santa María

Dependencia: Laboratorio de Ensayo y Control de la Calidad

Técnicos

Nombres: Ana Carolina

Apellido paterno: Perochena

Apellido materno: Escalante

Entidad: Universidad Católica San Pablo

Nombres: Lucia Carolina Eliana

Apellido paterno: Cuellar

Apellido materno: Diaz

Entidad: Universidad Católica San Pablo

Nombres: Elizabeth Gladys

Apellido paterno: Fernández

Apellido materno: Aranzamendi

Entidad: Universidad Católica San Pablo

Coordinador Administrativo

Nombres: Jesús Martin

Apellidos: Del Carpio Pacheco

Entidad: Universidad Científica del Perú

Equipamiento Mayor

Un equipo mayor es un equipo altamente sofisticado de un valor superior a S/. 600,000.00 que, por la relevancia de su uso en la investigación científica, tiene la capacidad de generar impacto regional y/o nacional en relación con la disponibilidad de tecnología. Así, la adquisición de este equipo permitirá cubrir necesidades de acceso a tecnologías de investigación de alto costo que, por una parte, no se encuentran suficientemente desarrollados y/o por debajo de estándares nacionales y que, por otra parte, aún no se encuentran disponibles en la región o en el país.

Nombre del equipo mayor

Aerosol Jettm High Density Printed Electronics

Descripción condiciones técnicas

Las impresoras 3D permiten imprimir dispositivos electrónicos como resistencias, condensadores y transistores de película fina, circuitos electrónicos monocapa y multicapa, además de explorar el uso de grafeno, metamateriales, nanotecnología, sensores y microsensores, celdas solares, antenas, entre otros. De esta forma, permite diseñar y realizar estructuras 3D novedosas.

Asimismo, el sistema de impresión es una plataforma de producción compacta y configurable que puede imprimir una amplia gama de materiales electrónicos y biológicos con características tan pequeñas como 20 micras. Es una herramienta capaz de producir rápidamente productos electrónicos directamente desde modelos CAD; además de que admite el procesamiento de una amplia variedad de materiales para producir componentes electrónicos robustos y personalizados en prácticamente cualquier sustrato. El proceso de impresión no entra en contacto y se va conformando, lo que permite crear patrones sobre estructuras existentes a través de superficies curvas y hasta en canales.

Durante el proceso de impresión, la tinta líquida se atomiza en gotitas, las que se arrastran en una corriente de gas y se dirigen al cabezal de impresión donde un flujo anular de gas comprime la corriente de aerosol a un diámetro muy pequeño. El chorro de gotas de aerosol sale del cabezal de impresión a gran velocidad y se deposita sobre la superficie objetivo (sustrato). Las tintas pueden consistir en una combinación de agentes químicos líquidos, partículas sólidas y disolventes, pues el sistema es compatible con una amplia variedad de tintas, pastas u otros materiales que pueden depositarse, incluyendo metales, conductores, aislantes, ferritas y polímeros. Finalmente, el sistema también puede usarse para realizar procesos biológicos de escritura directa, a través de los cuales se pueden depositar células, enzimas, proteínas, ácido nucleico y otros tipos de material biológico

Lugar donde se instalará el equipo

El equipo estará ubicado en el Laboratorio de Control, Automatización y Robótica del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, el cual actualmente cuenta con equipos especializados de línea de investigación de control, automatización y robótica, 13 computadores. Se encuentra en un área de 85.84 m2, distribuidos en 10.83m X 7.90 X 3m. Dicho laboratorio se encuentra en planta baja del Edificio Beato John H. Newman, en la dirección Campus San Lázaro – Quinta Vivanco s/n, Urb. Campiña Paisajista, Arequipa, región Arequipa.

El laboratorio estará a disposición de docentes e investigadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Computación, así como del Departamento de Ciencias Naturales y de aquellos que deseen hacer uso del equipo para investigación y desarrollo de prototipos, bajo previa capacitación y con la debida supervisión del encargado del laboratorio.

Equipamiento secundario

Un equipo secundario es un equipo que asegura el correcto funcionamiento y operatividad del equipo mayor. Estos equipos pueden ser necesarios para la preparación de muestras, para que el ambiente esté controlado, entre otras condiciones. Ej.: termocicladores, cámaras de flujo laminar, aire acondicionado, estabilizadores de energía, computadoras, etc.

Nombre del equipo secundario

Limpiador Ultrasónico

Descripción:

El sistema de baño ultrasónico con calefacción, Bransonic CPXH, es uno de los baños ultrasónicos más avanzados tecnológicamente disponibles. Posee características programables, operación digital con capacidad de seguimiento de potencia para ajustar cargas ligeras o pesadas, y control de potencia alto/bajo y desgasificación, lo que hacen del CPXH el sistema más versátil disponible.

Proyección de uso

El programa de uso compartido tiene el objetivo de facilitar el uso del equipamiento avanzado (Impresora 3D Aerosol Jet HD) con fines de investigación tanto a instituciones asociadas y colaboradoras, como a personal investigador de la universidad y personal externo.

La proyección de uso para los siguientes 5 años será:

• 2 impresiones de dispositivos mensuales, lo que da una proyección total de 120 dispositivos diseñados en 5 años.
• El laboratorio de manufacturación avanzando tendrá doble horario de atención de lunes a viernes, por la mañana de 11:00 a 13:00 hrs. y por la tarde 16:00 a 18:00 hrs. Lo cual suma una disponibilidad del equipamiento de 4 horas diarias, 20 horas semanales, 80 horas mensuales y 960 horas anuales.

El costo de uso del equipamiento se dividirá en 2 diferentes categorías:

1. Entidad solicitante, asociada y colaboradora:

En este caso solo se cobrará el valor de los insumos y consumibles que se utilizarán en el proceso de impresión. Si la UCSP importara las tintas, las entidades solicitantes deberán avisar a la universidad por lo menos con un mes de antelación. Si es necesario un plan de capacitación en el uso del equipamiento, esto se valorará según las horas de capacitación y el precio fijado por la UCSP.

2. Entidades externas:

En este caso, aparte de los costos descritos anteriormente, se agregará un monto referencial, el cual se utilizará para la adquisición del servicio de mantenimiento. Si se requiere algún tipo de servicio especial, los investigadores de la universidad podrán desarrollar soluciones adecuadas por un costo acorde al del mercado.

Obligaciones y restricciones

Se tendrá una página web con un sistema de cita informático, donde se podrá hacer las reservar para el uso del equipamiento. Ningún investigador podrá hacer uso de este equipamiento si no ha sido capacitado previamente. El tiempo promedio de atención dependerá de la disponibilidad del equipamiento y los insumos adecuados por parte de los usuarios.

Evaluación del comportamiento de una solución con agente macrocíclico con ligando específico para el reconocimiento de cadmio en sustancias acuosas que permita su cuantificación utilizando sensores fluorescentes y electromagnéticos

Tipo de proyecto: Investigación aplicada

Sectores: Manufactura avanzada

Tipo de sector: Estratégico

Área de conocimiento OCDE: Ingeniería y tecnología

Sub área de conocimiento OCDE: Ingenierías eléctrica, electrónica e informática

Disciplina de conocimiento OCDE: Ingeniería eléctrica y electrónica

Departamento: Arequipa

Provincia: Arequipa

Distrito: Arequipa

Descripción

En nuestro país, la contaminación hídrica está volviendo inadecuado y peligroso el consumo de agua tanto para el ser humano, como para los animales y las plantaciones agrícolas. La variada distribución geográfica de las cuencas de los ríos, hasta su desembocadura en el mar, hace que estos reciban relaves mineros y aguas ácidas de industrias minero-metalúrgicas, lo que trae contaminación hídrica producida por diferentes metales pesados como Hg, As, Pb y Cd, elementos altamente tóxicos y cancerígenos, no biodegradables y que pueden acumularse en la cadena alimentaria, representando una grave amenaza.

La detección y cuantificación del ion metálico de cadmio puede ser dificultosa debido a la presencia de interferentes como otras sustancias que lo acompañan. Este problema se acrecienta si se desea la detección y cuantificación en tiempo real del analito a determinar. El reconocimiento molecular con la preparación de diversos agentes macrocíclicos permite el reconocimiento de sustratos de manera selectiva, esto ayuda no solo a la separación de sustratos, sino también a que, una vez reconocido el ion metálico por el ligando macrocíclico, este pueda ser cuantificado evaluando alguna propiedad del complejo ligando-ion metálico. De esta forma, el complejo propuesto en la investigación tendrá nuevas propiedades físico-químicas (por ejemplo, presencia de fluorescencia o cambios en su comportamiento electroquímico y electromagnético) que pueden ayudar a desarrollar procedimientos para la detección y cuantificación de los iones metálicos. La inserción del ligando en un polímero o matriz sólida podrían dar lugar a la fabricación de nuevos sensores para la detección de cadmio, como pueden ser los sensores fotónicos y electromagnéticos, dada su capacidad de registrar en tiempo real la interacción físico química de diversas soluciones ante la exposición de ondas electromagnéticas, lo cual podría generar una solución adecuada para la monitorización de la contaminación por cadmio en nuestras cuencas hídricas.

La impresora fomentará la investigación científica y el desarrollo tecnológico de la región y el país, en general, en todos los campos de la ciencia e ingeniería. En particular, impactará en el área de nuevos materiales y la fabricación de circuitos y componentes electrónicos de bajo volumen. También, se presenta como ideal para el desarrollo de productos, la creación de prototipos y la investigación en ciencias de la vida.

Dada la capacidad en el desarrollo rápido de prototipos novedosos y de configuraciones nunca antes pensadas, su adquisición abre nuevas posibilidades para formar redes de investigación con otras instituciones, tanto a nivel regional, como nacional e internacional.

Actualmente, este equipo no existe en el país, por lo que permitirá reducir costos a la hora de implementar soluciones para la industria local promoviendo la innovación.