Desarrollo de piezas inteligentes orientadas al incremento de la fiabilidad en el mantenimiento

Jorge Marcos-Acevedo, Alejandro Pereira, Miguel Díaz-Cacho, José Carlos de Sá 7 de julio de 2026

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Jorge Marcos-Acevedo
Dpto. de Tecnología Electrónica, Universidad de Vigo, España

Alejandro Pereira
Dpto. de Diseño en la Ingeniería, Universidad de Vigo, España

Miguel Díaz-Cacho
Dpto. de Ingeniería de Sistemas y Automática, Universidad de Vigo, España

José Carlos de Sá
Instituto Superior de Engenharia do Porto. Porto, Portugal

ABSTRACT

La medida de variables físicas resulta fundamental para las tareas de diagnosis y prognosis en el mantenimiento.

Actualmente la tecnología permite la fabricación de piezas que lleven incorporado en su interior sistemas electrónicos de medida, tratamiento y transmisión de información, lo que las convierte en piezas inteligentes. Estos sistemas deberán ser de bajo consumo y de bajo precio, en la medida de lo posible.

En este documento se presentan las piezas inteligentes desarrolladas mediante plástico (Polipropileno) inyectado en un molde que además de incorporar la electrónica correspondiente de gestión y transmisión de información, incluyen módulos como el acelerómetro MPU 6050 que permite la medida de vibraciones o como el magnetómetro HMC 5883L para la medida de campos magnéticos. Además, en todos los casos se incluye también la medida de temperatura.

Palabras clave—Piezas inteligentes, Impresión 3D, Inyección de plástico, Energía residual (Energy Harventing), Comunicación inalámbrica

1. INTRODUCCIÓN

La incorporación de sistemas electrónicos embebidos dentro de componentes mecánicos utilizados en entornos industriales, constituye una línea de desarrollo interesante en el ámbito del mantenimiento predictivo y la monitorización de activos. El avance en tecnologías basadas en la microelectrónica, comunicaciones inalámbricas y fabricación digital ha permitido diseñar piezas capaces de adquirir, procesar y transmitir información estructural y funcional en tiempo real, incrementando así la fiabilidad y la disponibilidad de los equipos.

En este documento se muestra una continuación del artículo presentado en las 5as Jornadas sobre fiabilidad en el mantenimiento (noviembre 2024). En dicho artículo se mostraba la forma de desarrollar piezas con funcionalidades mecánicas realizadas mediante I3D o inyección de plástico y que incorporasen internamente circuitos electrónicos. En este caso hemos utilizado el módulo electrónico de bajo coste ESP8266, que incorpora el procesador L106 32-Bit RISC de 32 bits, memoria RAM y FLASH, conexión Wi-Fi diversos puertos, entre los que destacan GPIO, UART, SPI, I²C, ADC, PWM. El procesador se puede programar en un entorno Arduino o Python. También puede funcionar de forma autónoma. Esto permite que una pieza pueda desarrollar su función mecánica y realizar simultáneamente otras funcionalidades porque se le pueden añadir otros módulos, como pueden ser sensores de vibraciones, de campos magnéticos, etc. La Figura 1 muestra el módulo y el conexionado para poder conectarle distintos sensores.

En este artículo se presentan los avances realizados en este último año y que consistieron en el desarrollo de piezas inteligentes que además de incorporar el microcontrolador antes indicado, incluyen módulos como el acelerómetro MPU 6050 que permite la medida de vibraciones en los tres ejes o como el magnetómetro HMC 5883L para la medida de campos magnéticos. Además, en todos los casos se incluye también la medida de temperatura.

Todas las piezas se realizaron mediante inyección de plástico (Polipropileno) en un molde fabricado para este fin. Los desarrollos realizados dan lugar a piezas mecánicas de plástico con circuitería electrónica integrada que les permite realizar medidas de distintas variables, así como gestionar y transmitir dicha información. Además, este tipo de fabricación mediante inyección de plástico a temperatura y presión controladas, permite obtener piezas dotadas de estanqueidad que pueden funcionar perfectamente sumergidas en líquidos.

Para la realización de las pruebas se desarrollaron maquetas en las que se instalaron las piezas para su validación.

La capacidad de integrar sensores y electrónica dentro de piezas fabricadas mediante inyección de plástico garantiza propiedades mecánicas estables, estanqueidad y resistencia ambiental, posibilitando su instalación en entornos industriales exigentes. La validación experimental realizada demuestra que el diseño desarrollado puede emplearse en estrategias de mantenimiento predictivo basadas en diagnóstico y prognosis, proporcionando información crítica para la toma de decisiones.

2. FABRICACIÓN POR INYECCIÓN

El proceso de fabricación utilizado se basa en la inyección de Polipropileno (PP) en un molde diseñado específicamente para alojar el sistema electrónico. El Polipropileno se seleccionó por su buena relación entre resistencia mecánica, coste, estabilidad térmica y compatibilidad con circuitería empotrada.

Como ya se indicó anteriormente este trabajo constituye una continuación de trabajos previos [1] [2]. En este caso se realiza una pieza, por inyección de plástico, que incluye el módulo electrónico ESP 8266, Figura 1, [3] al que se le conecta, mediante soldadura de los pines correspondientes, por ejemplo el acelerómetro MPU 6050 (Figura 2) [4] o el sensor de campos magnéticos HMC 5883L (Figura 3) [5]. La Figura 4 muestra el esquema de conexiones del acelerómetro MPU 6050 al módulo electrónico ESP 8266. De igual forma la Figura 5 muestra la conexión del magnetómetro HMC 5883L al mismo módulo electrónico. Finalmente, la Figura 6 muestra el conjunto completo, en este caso del módulo electrónico y el acelerómetro.

Fig. 1. Módulo ESP8266

Fig. 2. Acelerómetro MPU 6050

Fig. 3. Magnetómetro HMC 5883L

Fig. 4. Conexionado acelerómetro

Fig. 5. Conexionado magnetómetro

Fig. 6. Conjunto ESP8266 - MPU 6050

Este conjunto se inserta dentro de un molde en el que mediante inyección plástica da lugar una pieza que puede tener distintas formas, según se haya diseñado el molde. En nuestro caso se ha realizado una pieza sencilla. La Figura 7 muestra el molde, que permite fabricar dos piezas simultáneamente y la Figura 8 muestra la máquina de inyección.

Fig. 7. Molde de fabricación

El proceso de fabricación consiste en la inyección de Polipropileno en estado líquido y a 215ºC y a una presión de 60 bares, posteriormente se realiza el enfriamiento hasta los 25ºC, [6] [7]. El perfil Presión-Tiempo del proceso, con las distintas fases térmicas del mismo se muestra en la Figura 9, [8] [9].

Fig. 8. Máquina de inyección

Fig. 9. Perfil de presión del proceso de inyección

3. PROTOTIPOS DESARROLLADOS

Existe una amplia bibliografía con aplicaciones basadas en el módulo ESP8266, [10]-[16].

Los prototipos construidos presentan una geometría funcionalmente simple, pero optimizada para alojar los componentes electrónicos y garantizar la correcta transmisión de vibraciones desde la estructura a los sensores.

Mediante el proceso indicado se realizaron varias piezas como la indicada en la Figura 10.

Estas piezas pueden, además de hacer una posible función mecánica, medir temperatura, aceleración en los ejes XYZ [m/seg2], así como rotación [rad/s], además de ser estancas. La Figura 11 muestra una de estas piezas sumergida en agua y funcionando perfectamente.

La capacidad de transmitir datos vía Wi-Fi convierte a estas piezas en nodos de monitorización autónomos, aptos para integrarse en redes industriales o plataformas IoT orientadas a mantenimiento predictivo. La modularidad del diseño permite sustituir o añadir sensores para adaptar la pieza a distintas aplicaciones industriales.

4. MEDIDAS REALIZADAS

El sistema formado por el módulo del procesador y del acelerómetro pueden medir temperatura y vibraciones. Se realizaron dos tipos de pruebas, unas durante el propio proceso de fabricación de la pieza y otras realizadas con la ayuda de una maqueta desarrollada para este fin. En los apartados sucesivos se describen ambos tipos de pruebas y los resultados obtenidos. En todos los casos en el eje vertical se muestra la aceleración en [m/s²].

Fig. 10. Uno de los prototipos desarrollados

Fig. 11. Pieza sumergida en agua

A. Pruebas realizadas durante el proceso de fabricación de la propia pieza

Estas pruebas se realizaron manteniendo el sistema electrónico alimentado durante el proceso de inyección. Esto permitió evaluar la robustez del conjunto electrónico ante variaciones térmicas y esfuerzos locales, confirmando la ausencia de fallos funcionales. La Figura 12 muestra la aceleración en los tres ejes, durante el proceso.

Fig. 12. Aceleración durante la inyección

La Figura 13 muestra la variación de temperatura del proceso de inyección y la posterior fase de enfriamiento.

Fig. 13. Temperatura durante la inyección

B. Pruebas realizadas mediante la utilización de una maqueta

Estas pruebas fueron realizadas ubicando las piezas en una maqueta diseñada a tal efecto. Para ello se montó una maqueta con un ventilador con un agujero en cada aspa en el que se puede ubicar un tornillo con rosca y arandelas, para generar vibraciones. Además, la velocidad del ventilador se puede variar mediante el control de la fuente de alimentación que lo alimenta. La Figura 14 muestra la maqueta con la pieza inteligente adosada y la fuente de alimentación utilizada para los ensayos. La Figura 15 muestra la maqueta de perfil con la pieza inteligente adosada en la carcasa fija del ventilador. Dicha carcasa está asentada sobre tornillos con muelles para reducir la transmisión de vibraciones a la base de la maqueta. Se planificó un diseño de experimentos de ensayos (DOE) teniendo en cuenta los siguientes factores: posición del acelerómetro, velocidad de rotación del ventilador, polaridad de alimentación del motor y aumento de excentricidad y por tanto de las vibraciones generadas, mediante la variación del número de tornillos.

Fig. 14. Maqueta de pruebas

Fig. 15. Vista de perfil de la maqueta

Se realizaron varios ensayos, tanto con la pieza posicionada como se indica en la Figura 15 como también con la pieza posicionada como se indica en la Figura 16.

En algunos de los ensayos se tuvo en cuenta la velocidad del motor que se mide mediante un tacómetro digital. A continuación, se muestran los resultados obtenidos en cada caso. Con la maqueta indicada se realizaron el conjunto de ensayos que se muestran en la tabla I,

Fig. 16. Otra posición de la pieza

Tabla 1. Ensayos realizados con el acelerómetro

Las figuras siguientes muestran los resultados obtenidos durante los ensayos.

Los resultados de la Figura 17 y Figura 19 se obtuvieron con la misma alimentación eléctrica del motor, pero la excentricidad creada por el desequilibrio introducido por los tornillos hace que la velocidad alcanzada por el motor disminuya a medida que aumentan las vibraciones.

Fig. 17. Ensayo 1 (4 Tornillos – 1150 r.p.m.)

Fig. 18. Ensayo 2 (4 Tornillos – 1750 r.p.m.)

Fig. 19. Ensayo 3 (3 Tornillos – 750 r.p.m.)

Exactamente lo mismo ocurre con las Figuras 18 y 20, que también se obtuvieron con la misma alimentación del motor. Los resultados de los ensayos 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 11 se pueden ver en las figuras 21, 22, 23, 24, 25, 26 y 27, respectivamente. En todos los casos en el eje de abscisas se indica el número de muestras (una muestra cada 500 mseg.).

Fig. 20. Ensayo 4 (3 Tornillos – 960 r.p.m.)

Fig. 21. Ensayo 5 (Variación continua 4 Tornillos)

Fig. 22. Ensayo 6 (Variación continua 3 Tornillos)

Fig. 23. Ensayo 7 (Variación continua, 4 Tornillos y posición Z)

El ensayo correspondiente a la Figura 24 se obtuvo con la pieza estática y calentándola con un calefactor. Durante la subida se produjo un cambio ya que se aumentó la potencia del calefactor, lo que hace que la temperatura aumente más rápidamente. El calefactor se detuvo cuando la temperatura medida fue de 70ºC. Posteriormente la inercia térmica hizo que la temperatura subiese algún grado más. Pisteramente se inició el enfriamiento a temperatura ambiente hasta que se alcanzaron los 64ºC. A partir de los 64ºC se puso el ventilador del calefactor, pero solo moviendo el aire del entorno, por eso se ve una variación en la pendiente de descenso de temperatura. Al igual que en las figuras anteriores, en el eje de abscisas se indica el número de muestras (una muestra cada 500 mseg.) y en el eje de ordenadas la temperatura en ºC.

Fig. 24. Ensayo 8 (Solo variación de temperatura)

Fig. 25. Ensayo 9 Posicionamiento perpendicular de la pieza)

Fig. 26. Ensayo 10 (Variación continua, 4 Tornillos, posición Z y polaridad del motor invertida)

Fig. 27. Ensayo 11 (Variación continua, 3 Tornillos, posición Z y polaridad del motor invertida)

Fig. 28. Ensayo 12 (Variación continua, sin Tornillos, posición Z y polaridad del motor invertida)

5. CONCLUSIONES

Se ha presentado un trabajo, continuación de otros anteriores, en el que se muestra la viabilidad de realizar piezas inteligentes que incorporen sistemas electrónicos embebidos en la pieza, que tengan capacidad de medir distintas variables, en este caso vibraciones y temperatura, que puedan gestionar dicha información y trasmitirla vía Wi-Fi. En este caso los datos medidos se trasmiten vía Wi-Fi a la nube mediante el protocolo MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) y se almacenan en un servidor. En este caso el módulo electrónico solo es necesario alimentarlo. También se pueden capturar los datos mediante la conexión de la pieza a un ordenador y descargarlos directamente, Figura 11.

Se han realizado diversas pruebas de medida, tanto ya durante el proceso de fabricación de la pieza como después de fabricada la pieza, mediante una maqueta desarrollada para este fin.

Los resultados obtenidos demuestran la viabilidad técnica de integrar sistemas de sensorización y comunicaciones directamente dentro de piezas mecánicas fabricadas por inyección. La solución desarrollada aporta mejoras significativas en términos de monitorización, estanqueidad y resistencia ambiental, compatibilidad con sistemas de mantenimiento predictivo y bajo coste y facilidad de integración.

6. TRABAJOS FUTUROS

Además de mejorar las características mecánicas de la pieza, mermadas al introducir sistemas electrónicos en su interior, sería interesante ampliar el trabajo a piezas realizadas mediante I3D, ya que, si bien no tienen algunas de las características que se consiguen mediante inyección, el proceso es mucho más asequible a cualquier usuario.

Otro aspecto, transversal a ambas tecnologías, sería la implementación en la misma de algún tipo de generación de energía mediante técnicas de harvesting que permitiría la autoalimentación del sistema electrónico.

También podría ser interesante la integración de algoritmos de análisis “machine learning” para detección temprana de patrones anómalos de los sistemas de los que forman parte las piezas inteligentes.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo ha sido apoyado por el Proyecto Europeo South Mediterranean Tunisian Maintenance Centre of Excellence/SM-TMC (Project No. 618718-EPP-1-2020-TN-EPPKA2-CBHE-JP).

REFERENCIAS

1. T.O. Rili, R. Lastra, M. Díaz-Cacho, A. Collazo, A. Pereira y J. Marcos. Aplicación de la fabricación aditiva en el área de fiabilidad y mantenimiento. Foro multisectorial de mantenimiento. AEM (Asociación Española de Mantenimiento). Madrid, España. 27-28 noviembre, 2021.
2. Jorge Marcos-Acevedo, Alejandro Pereira-Domínguez, Camilo Quintans-Graña, Miguel Díaz-Cacho. Pablo Mosquera-Rouco y René Lastra-Cid. Tecnologías novedosas que pueden incrementar la fiabilidad en el mantenimiento.5as Jornadas sobre fiabilidad en el mantenimiento. Madrid, España. 28-29 noviembre, 2024.
3. https://es.wikipedia.org/wiki/ESP8266. Consultado el 28-10-2025.
4. https://www.farnell.com/datasheets/1788002.pdf. Consultado el 28-10-2025.
5.  https://octopart.com/es/datasheet/hmc5883l-demo-honeywell-44378316?msclkid=2186d0e3afb6115abf37b9e3c23a04aa&utm_source=bing&utm_medium=cpc&utm_campaign=b_cpc_emea-es_search_dsa_english_en_usd_all-categories&utm_term=semiconductors&utm_content=Discrete+Semiconductors+DSA. Consultado el 28-10-2025.
6. Rosato, D. V., Rosato, M. G., & Rosato, D. V. Injection Molding Handbook. Springer, 2000.
7. Karian, H. G. Handbook of Polypropylene and Polypropylene Composites (2nd Edition). CRC Press, 2003.
8. Maier, C., & Calafut, T. Polypropylene: The Definitive User’s Guide and Databook. Elsevier. 1998.
9. INEOS Olefins & Polymers. Polypropylene Processing Guide. INEOS 2016.
10. Kurniawan, S., et al. IoT-based Home Automation System Using ESP8266. International Journal of Advanced Computer Science and Applications (IJACSA), 2018.
11. Wibawa, K., et al. Smart Power Monitoring System using ESP8266 and MQTT. International Journal of Power Electronics and Drive Systems, 2020.
12. Nugroho, A., et al. Wireless Sensor Network Based on ESP8266 Using MQTT Protocol. TELKOMNIKA Journal. 2020.
13. Adeel, A., et al. Energy Consumption Optimization in ESP8266-Based IoT Devices. Sensors (MDPI). 2021.
14. V. Nguyen-Quang, H. Nguyen-Quoc, L. Huynh-Cong, T. Pham-Bao, L. Vuong-Cong and N. Ngo-Kieu, "Low-Cost Iot-Based MPU6050 Sensor for Building's System Health Monitoring Application," 2025 10th International Conference on Applying New Technology in Green Buildings (ATiGB), Danang, Vietnam, 2025, pp. 624-629, doi: 10.1109/ATiGB66719.2025.11142226.
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