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MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 
18 al 20 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO 
 
A1a.Diseño Mecánico 
“Análisis y modelado 3D de máscara facial deportiva basada en material 
compuesto” 
Miroslava Cano Lara *a, Luis Raúl Montaño Pérez a, Ángel Eduardo Flores Patiño a, Higinio Juárez 
Ríos b, Horacio Rostro González c 
a Instituto Tecnológico Superior de Irapuato, Departamento de Ingeniería Mecatrónica, Irapuato, Gto. México, 
b Instituto Politécnico Nacional-UPIIG, Departamento de formación profesional específica, Silao, Gto. México, 
c Universidad de Guanajuato-DICIS, Departamento de electrónica, Salamanca, Gto. México. 
*Autor contacto: miroslava.cano@itesi.edu.mx 
 
R E S U M E N 
En este trabajo se presenta el análisis mecánico de una máscara facial para jugadores de básquetbol. Se empleó para 
su estudio un material compuesto novedoso formado por fibras de yute, cáscara de nuez pecana pulverizada y resina 
poliéster. Se obtuvo un modelado geométrico personalizado de la cara de un maniquí, empleando la técnica conocida 
como fotogrametría y el modelado en 3D. El análisis dinámico estructural por medio de elemento finito permite mostrar 
el comportamiento de la máscara facial deportiva ante el impacto de una masa considerada de forma esférica de fuerza 
de 30G, la cual es capaz de ocasionar una fractura nasal en el jugador. Las propiedades mecánicas del material 
compuesto fueron estudiadas de manera experimental, para lo cual se fabricaron probetas constituidas del pulverizado 
de cáscara de nuez, resina poliéster y 7 capas de yute posicionadas a 90º y 30º. Los resultados dinámicos muestran que 
la máscara facial propuesta en este trabajo cuenta con los parámetros físicos requeridos para proteger particularmente 
los huesos nasales del jugador de básquetbol. 
 
Palabras Clave: máscara deportiva, fotogrametría, material compuesto, análisis de elemento finito. 
 
A B S T R A C T 
The mechanical analysis of a sport face-mask for basketball players is presented in this work. A novel composite 
material was used for this study formed by jute fibers, powdered pecan nutshell and polyester resin. The custom 
geometric model was obtained of a mannequin face, the photogrammetry technique and 3D modeling was used. The 
structural dynamics analysis through finite element allows showing the behavior of the sport facial mask when it is 
impacted by a mass considered as spherical with a force of 30G, which is able to cause a nasal fracture on the player. 
The mechanical properties of the composite material were studied by an experimental way; test pieces were 
manufactured consisting of powdered nutshell, polyester resin and 7 jute layers positioned to 90º and 30º. The dynamics 
results show that the proposed facial mask on this work have the physical parameters required to protect particularly 
the basketball player nasal bones. 
 
Keywords: Sport face mask, photogrammetry, composite material, finite element analysis. 
 
 
1. Introducción 
Los deportes físicos a nivel profesional producen lesiones 
leves o severas debido al nulo uso de protecciones, las 
cuales pueden llegar a ocasionar diversos tipos de fracturas 
en el cuerpo. Con el fin de proteger las lesiones que 
persisten en los deportistas, se han creado aditamentos de 
diversos materiales, formas y tipos. Las protecciones 
pueden ser empleadas para una fractura existente o para 
prevenir una posible lesión. Deben cumplir con 
requerimientos de comodidad, ser ligeras, de fácil manejo y 
no afectar el desempeño del jugador. En la actualidad 
existen en el mercado protecciones que son hechas de fibra 
de carbono, UTEM9085, fibra de vidrio [1]. 
 
En particular, las protecciones faciales o también 
conocidas como sport face mask, son usadas por atletas que 
han sufrido lesiones maxilo-faciales. Las lesiones pueden 
ser resultado del contacto físico directo con los oponentes, 
golpes entre los mismos jugadores o del balón en juego [2]. 
Un estudio realizado por la NCAA (por sus siglas en 
inglés) para el deporte en general, arrojó que de un 6 al 10 
% de las lesiones provocadas en el área maxilo-facial se 
presentan en el momento mismo de la práctica del deporte. 
El 23.1% de estas lesiones faciales son atribuidas al 
básquetbol y en su mayoría resultan en fracturas nasales o 
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algún traumatismo similar [3]. Las caretas deportivas 
permiten al jugador volver a realizar su deporte, 
proporcionan una gran resistencia a los golpes que pueden 
ser adquiridos en la región fracturada y protege 
correctamente la nariz, pómulos, cejas y frente. 
Actualmente no es frecuente observar el uso de 
máscaras deportivas en jugadores amateurs de básquetbol, 
una de las causas radica en el alto precio de venta y la poca 
cultura de utilizar este tipo de protecciones. La 
manufactura de este tipo de caretas requiere de un estudio 
de diseño personalizado de la cara del jugador. Por lo 
general se emplean materiales compuestos reforzados con 
fibras sintéticas o inorgánicas como la fibra de carbono o 
fibra de vidrio. Uno de ellos es el UTEM9085 el cual es 
utilizado en la industria aeronáutica [1]. 
En este contexto, el adquirir una careta para básquetbol 
elaborada de fibra de carbono, si bien aporta excelentes 
propiedades mecánicas y una estética de vanguardia, es de 
un costo elevado [4]. Por otro lado, las caretas elaboradas 
con fibras de vidrio al aportar propiedades mecánicas 
menores a las elaboradas con fibra de carbono, emplean 
materiales más baratos reduciendo el costo de adquisición. 
La Fig. 1 muestra ejemplos de máscaras deportivas 
estándares, la imagen 1(a) es una careta de fibra de 
carbono, la imagen 1(b) es una careta de fibra de vidrio, 
ambas con resina epóxica. Actualmente en Latinoamérica 
es difícil de adquirir una careta deportiva, algunas causas 
son por el costo elevado debido a su material compuesto 
del cual está hecha (fibras sintéticas) y la escasez de 
comercios que se dediquen a la venta de protecciones para 
la nariz. Son pocos los estudios mecánicos relacionados 
con las caretas deportivas, ya que están enfocados tanto 
para su fabricación, como para la ortopedia o medicina 
deportiva [4]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 – Máscaras faciales deportivas comerciales (a)Reforzada 
con fibra de carbono; (b) Reforzada con fibra de vidrio. 
 
Este trabajo está enfocado en el análisis por elemento 
finito de una careta facial para jugadores de básquetbol, 
empleando materiales básicos que se adquieren con 
facilidad y por un precio más accesible que los empleados 
en las máscaras deportivas comerciales. El análisis y 
modelado 3D de la careta de material compuesto 
conformado con fibras naturales y pulverizados orgánicos, 
proporciona el comportamiento que presenta la careta ante 
una masa específica que suministra un impacto en la zona 
nasal. Se presenta una alternativa de emplear materiales 
compuestos de fibra de yute y pulverizado de cáscara de 
nuez pecana, en una matriz sintética de resina poliéster; 
para estudiar aplicaciones en el ámbito de protectores 
deportivos. 
 
2. Marco Teórico 
2.1 Material Compuesto 
Un material compuesto es la combinación de uno o más 
materiales ya existentes, los cuales al ser combinados 
ofrecen una variedad de propiedades que usualmente no 
serían encontrada en materiales convencionales. Estos 
materiales están conformados por dos partes importantes, 
la matriz y el refuerzo. 
La matriz al ser la fase continua en la que el refuerzo 
queda embebido, aporta la rigidez que se requiere para un 
cierto material como los metales, cerámicos o resinas 
orgánicas [5, 6]. Las resinas son plásticos termo-estables 
comúnmente usados en la elaboración de materiales 
compuestos. Existentres tipos de resinas que se emplean 
como matrices: poliéster, epóxica y viniléster. En 
particular, la resina poliéster es la matriz más usada para la 
fabricación de materiales compuestos, a pesar de no 
proporcionar excelentes propiedades mecánicas es muy 
comercializada y no implica mayor riesgo trabajarla dentro 
de un laboratorio. 
La fase discontinua o refuerzo puede ser del tipo: 
relleno de partículas (sin una longitud preferente), fibras 
discontinuas o “whiskers” (en caso de tener fibras u 
hojuelas una o dos longitudes), o fibras largas (tejidas o no 
tejidas). Las fibras más utilizadas son vidrio, carbono y 
arámida, las cuales poseen una alta resistencia a la tensión 
[4]. De acuerdo con el tipo de orientación que se les 
induzca a las fibras aportarán nuevas propiedades 
mecánicas al material compuesto, permitiendo que este se 
comporte de manera isotrópica o anisotrópicamente. 
 
La Fig. 2 muestra los tipos de matrices empleadas en los 
materiales compuestos: relleno de partículas, las fibras 
discontinuas o también llamadas whiskers y las fibras 
continúas con mallados específicos [6]. Aparte de las fibras 
sintéticas e inorgánicas comunes como la fibra de carbono 
y la fibra de vidrio existen las fibras naturales. Este tipo de 
fibras van ganando mayor importancia en la tecnología de 
materiales compuestos debido a que son orgánicas, de fácil 
obtención, peso ligero, bajo costo y alta resistencia 
específica. El desarrollo de materiales ecológicos para la 
elaboración de nuevos materiales compuestos reforzados 
con fibras naturales, han venido avanzando día a día dando 
una alternativa en cuanto a la tecnología de diseño de 
nuevos productos [7]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
(a) ((b) 
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Figura 2 – Clasificación de los materiales compuestos reforzados por 
fibras [5]. 
La fibra de yute al ser empleada en los materiales 
compuestos como un refuerzo de tipo orgánico presenta 
ventajas como baja densidad, es porosa, de bajo costo y de 
fácil obtención. El yute se ha popularizado para la 
fabricación y manufactura de piezas de automóviles, más 
específicamente, de los interiores de los automóviles [8]. 
Las fibras naturales pueden complementarse con refuerzos 
de pulverizados naturales los cuales les aportan una mayor 
resistencia a los esfuerzos de compresión. La cáscara de 
nuez al ser un material orgánico que se desecha o se tira a 
la tierra para devolver sus nutrientes como abono, también 
se emplea en forma de polvo como abrasivo en las 
industrias. Dado su bajo costo, su naturaleza biodegradable 
y su disponibilidad durante todo el año, la cáscara de nuez 
es una potente materia prima con múltiples oportunidades 
para el diseño de nuevos materiales compuestos, debido a 
sus propiedades químicas y mecánicas [9, 10]. 
El estudio de una máscara deportiva que presente las 
características de protección en la región delicada de la 
nariz del jugador, muestra una novedosa alternativa de 
emplear nuevos materiales compuestos empleando fibras y 
pulverizados naturales. 
 
2.1.1 Caracterización de material compuesto 
Para el estudio de un nuevo material compuesto es 
necesario realizar pruebas mecánicas para obtener las 
curvas de esfuerzo-deformación. La elaboración de 
probetas que cumplan con ciertas normas establecidas 
apoyan con el estudio mecánico del material propuesto. 
Los parámetros mecánicos del material como el módulo de 
Young y el esfuerzo máximo de tensión nos proporcionan 
datos importantes son necesarios para realizar los estudios 
sobre el diseño de la máscara deportiva. 
2.1.2 Probetas 
Las probetas elaboradas con el material compuesto de 
fibras de yute y pulverizado de nuez pecana para emplear 
en las pruebas de tensión, fueron elaboradas bajo la norma 
ASTM D638 tipo I. La norma garantiza una geometría 
correcta de acuerdo a las mordazas de la máquina universal 
modelo AGX-300KN de la marca Shimadzu. Las medidas 
de la probeta en unidades de milímetros se muestran en la 
Fig. 3. 
 
 
Figura 3 – Dimensiones de probeta, acotaciones en (mm). 
 
La cantidad de capas de fibras naturales y la rotación de 
las mismas dependen en gran parte del diseño y de los 
resultados que se desean obtener. Una fracción mayor de 
volumen de fibras incrementa la resistencia y la rigidez del 
compuesto, sin embargo, existe un límite. Se considera una 
proporción de 80 por ciento de fibras ya que si se 
sobrepasa esa cantidad no quedarían todas rodeadas por la 
matriz [6]. En cuanto a la orientación de las fibras, si se 
hace un arreglo unidireccional con fibras continuas, el 
compuesto tendrá una buena resistencia y rigidez paralela a 
las fibras, por lo tanto presentarán propiedades 
anisotrópicas. 
Una de las características únicas de los compuestos 
reforzados con fibra es que sus propiedades se pueden 
diseñar para soportar condiciones de carga diferente. En la 
matriz se pueden introducir fibras largas y continuas en 
varias direcciones. El caso particular de capas con fibras 
ortogonales (capas constituidas con fibras en direcciones 
de 0º y 90º) proporciona una excelente resistencia en la 
dirección longitudinal y transversal. Por otro lado, 
disposiciones más complejas (como capas de 0º/±45º/90º) 
proporcionan refuerzo en varias direcciones transversal y 
longitudinal [5]. 
2.2 Fotogrametría 
 
La fotogrametría es un método que a partir de una 
cámara se toman imágenes digitales de la persona o región 
de interés que se desea modelar. Se puede obtener medidas 
precisas en forma digital sin necesidad del contacto directo 
con el objeto o persona [11]. La fotogrametría necesita de 
un software que digitalice y haga reconocimiento de los 
puntos clave del objeto para obtener un adecuado mapeo 
3D. Blender es un software que integra una serie de 
herramientas para la creación de un amplio rango de 
contenidos 3D. Puede ser usado para crear visualizaciones 
3D e imágenes estáticas [12, 13]. La digitalización de la 
cara de un jugador es de vital importancia para obtener un 
molde exacto de las regiones de interés a proteger, así 
como anexar los puntos de sujeción de la máscara facial 
personalizada. Si bien, la fotogrametría es una técnica 
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amigable y sencilla para obtener el reconocimiento facial 
del jugador. Actualmente es más efectiva al no requerir 
contacto físico con la cara del jugador, esto debido a que la 
técnica tradicional para la elaboración de una careta para 
básquetbol necesita procesos artesanales y de colocación 
de vendajes de escayola. Son incómodos y requieren de 
mayor tiempo de contacto con el jugador, además que el 
depósito de estos vendajes puede lastimar la lesión del 
jugador [4]. Este tipo de técnica artesanal es común 
encontrarla en comercios locales que no cuentan con 
equipos necesarios para realizar un análisis computacional. 
La detección y procesamiento de una imagen digital, 
obtenida de la cara de un jugador mediante fotogrametría 
lleva unos cuantos segundos. Es adecuada para diseñar una 
careta deportiva personalizada, y realizar posteriormente el 
estudio del comportamiento mecánico que sufre la careta al 
momento de producirse un impacto en la región de 
protección del área nasal. 
2.3 Identificación de regiones de protección 
 
El diseño de una careta deportiva se basa en buscar 
proteger adecuadamente las áreas y huesos faciales ante el 
impacto de una masa con una fuerza determinada. La 
mayoría de las fracturas en los deportes ocurren por 
contactos accidentales, los cuales son producidos por los 
codos, brazos, manos,cabeza, y hasta por el mismo balón 
en juego. 
 
Figura 4 – Cráneos con zonas identificadas para proteger con la 
máscara facial (a)Área nasal; (b)Huesos Occipitales o malares; (c) 
Área maxilar. 
La resistencia mínima que se presenta en la región de la 
nariz es de 30G y en los huesos occipitales es de 50G a 
80G. Por el contrario, el área maxilar con una resistencia 
máxima de 150G. El diseño propuesto de la careta cubre el 
análisis de un golpe de magnitud suficiente para causar un 
daño considerable en la cara del jugador, el objetivo del 
análisis es comprobar y verificar que la careta de material 
propuesto soportará y protegerá la cara del jugador. 
La fuerza mínima para sufrir una fractura nasal, se 
obtuvo en base a un estudio previo basado en hechos 
acerca de accidentes automovilísticos. Se midieron las 
fuerzas ejercidas sobre el cráneo humano, la cantidad de 
fuerza requerida para provocar fracturas y laceraciones en 
los huesos faciales del cráneo muestra que la nariz es la 
zona más sensible donde una fuerza de 30G provoca 
fractura [14]. Teniendo en cuenta esta fuerza podemos 
plantear un análisis con un objeto que golpee a la careta 
deportiva con la magnitud de 30G. En este trabajo se 
considera para fines prácticos un objeto esférico cuyas 
propiedades complementen el estudio del impacto en la 
careta deportiva y evitar una posible fractura en la región 
nasal del jugador. El estudio dinámico para el diseño de la 
careta requiere condiciones iniciales como la aceleración 
del objeto antes del impacto, la cual se puede obtener con 
la segunda ley de Newton ec. (1). Los parámetros de 
aceleración requieren del tiempo de recorrido del objeto, se 
emplea la ec. (2), donde 𝐹 es la fuerza de impacto del 
objeto en Newton, m la masa en Kg, a la aceleración en 
m/s2, d la distancia que recorre en metros y t el tiempo en 
segundos. 
Finalmente, al obtener el tiempo se calcula la 
aceleración del objeto, completando con la segunda ley de 
Newton y la fuerza necesaria con la que impacta el objeto a 
la careta (30G fuerza que causa fractura nasal), se obtiene 
el material y volumen de la masa del objeto. 
 
𝐹 = 𝑚𝑎 (1) 
𝑡 = (
𝑑∗𝑚
𝐹
)
1
2
 (2) 
3. Estudio Experimental 
Para la selección del material compuesto se hizo un estudio 
experimental con la elaboración de probetas, las cuales 
tuvieron un control en el número de capas y los materiales 
empleados (fibras de yute, pulverizado de cáscaras de nuez 
pecana y resina poliéster). Se consideró rotaciones en las 
capas de la fibra de yute (90º y 30º) para proporcionarle al 
material mejores propiedades isotrópicas, y una buena 
resistencia a tensión. En complemento con el pulverizado 
que presenta una buena resistencia a esfuerzos a 
compresión. Las fabricaciones de las probetas tuvieron una 
proporción de 20 g de pulverizado de cáscara de nuez por 
cada 100 g de resina poliéster en conjunto con la fibra de 
yute. 
Las probetas fueron sometidas a pruebas de tensión para 
obtener los valores adecuados para seleccionar el material 
compuesto de la máscara deportiva. La Tabla 1 presenta los 
resultados de 4 probetas sometidas a pruebas de tensión. 
Las dimensiones de las probetas están bajo la norma 
ASTM D638 tipo I de 144.07 x 13.84 mm y un espesor de 
5.88 mm. En particular, la probeta de 7 capas con 
rotaciones de 90-30-90-30-90-30-90 mostró una mayor 
resistencia a la fuerza de tensión máxima siendo de 
1151.37 N y arrojando un esfuerzo máximo de tensión 
mayor a las otras probetas (14.14 MPa). 
 
Tabla 1 – Resultados de probetas a prueba de tensión. Rotación a=90° 
y b=30°. 
 No. 
Capas 
Material de 
refuerzo 
Fuerza 
Máxima 
(N) 
Módulo 
Young 
(N/mm2) 
Rotación (°) 
 5 Yute 820.351 3874.34 a-b-a-b-a 
 5 Yute/ Nuez 698.566 13294.1 a-b-a-b-a 
 7 Yute/ Nuez 1151.37 2988.7 a-b-a-b-a-b-a 
 7 Yute 793.886 1546.56 a-b-b-a-b-b-a 
 
 (a) (b) (c) 
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Figura 7 – Mapeo 3D de la cara del maniquí con 
vista frontal y de perfil. 
 
En la Fig. 5 (a) se muestra la probeta seleccionada para 
el estudio de la careta deportiva (7 capas de fibra de yute y 
20g de pulverizado de cáscara de nuez por cada 100 g de 
resina). La Fig. 5(b) muestra la probeta en la prueba de 
tensión de la máquina universal modelo AGX-300KN de la 
marca Shimadzu. 
 
 
Figura 5 – (a) Probeta de fibra de yute y pulverizado de cáscara de 
nuez. (b) Prueba de tensión de la probeta en la máquina universal. 
 
Las propiedades mecánicas obtenidas de la curva 
esfuerzo-deformación para la probeta seleccionada se 
muestran en la Tabla 3. A partir de los valores obtenidos 
por la prueba de tensión, el módulo de Young de 2988.7 
N/mm2, se obtuvo el esfuerzo máximo de tensión de 14.14 
MPa. Los parámetros obtenidos son necesarios para 
realizar el análisis por elemento finito de la careta. 
 
Tabla 3 – Propiedades mecánicas de probeta de material compuesto. 
Rotación a=90° y b=30°. 
Propiedad Valor 
Fuerza Máxima de Tensión (N) 
1151.37 
Módulo de Young (N/mm2) 
2988.7 
Rotación(°) 
a-b-a-b-a-b-a 
 
4. Modelado 
El análisis mecánico de una careta deportiva lleva consigo 
estudios en un software de análisis de modelado 3D. Para 
la obtención de este modelado se necesitan dos aspectos 
fundamentales, primero la obtención de un mapeo 3D en 
las zonas faciales, tales como el área nasal y área maxilar, y 
segundo disponer de un software que permita la 
construcción de una superficie mediante el mapeo 3D de 
las zonas faciales. 
 
4.1 Creación del mapeo 3D y modelado 
Para realizar un mapeo 3D en el software de diseño digital 
de la máscara deportiva son necesarias dos fotografías del 
rostro, una fotografía frontal y una de perfil del jugador. En 
este caso se empleó como modelo inicial un maniquí que 
asemeje la cara del jugador, por tal motivo se presentan 
limitantes del software de diseño al carecer de los rasgos 
faciales que logran dar un personalizado en la careta 
deportiva. 
La técnica de la fotogrametría se emplea para crear el 
mapeo 3D del modelado de la cara del maniquí. En el 
mapeo 3D se busca capturar los rasgos faciales lo más 
cercano a la realidad que abarcan curvaturas, tamaño y 
forma de la cara. 
En la Fig. 6 se muestran las fotos de la vista frontal y de 
perfil del modelo inicial de la cara de un maniquí. Es 
necesario realizar una sesión fotográfica, en este caso del 
maniquí debido a que en el proceso de fotogrametría se 
requiere seleccionar imágenes con alta calidad en 
resolución e iluminación para verificar que se puede 
trabajar con los detalles faciales lo mejor posible. 
Una vez seleccionadas las fotografías, se procede a 
añadirlas al software para hacer el mapeo 3D y 
posteriormente su modelado (requerido en el análisis de 
elemento finito). En la Fig. 7 se muestra el mapeo 3D de la 
cara del maniquí, el cual posteriormente se exporta a un 
software de diseño mecánico donde se detalla con una 
mejor calidad las superficies del modelado. 
 El modelado preliminar por defecto se muestra en la 
Fig. 8(a). A continuación, al eliminan las superficies por 
defecto de este modelado, se trabaja con el croquis 3D del 
mapeo y se une el croquis mediante las herramientas de un 
paquete de simulación reduciendo a 10 las superficies 
totales del modelado, ver Fig. 8(b). 
 
(a) 
(b) 
Figura 6 – Maniquí (a) Vista frontal. (b) Vista de perfil. 
 
a) b) 
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Figura 10– Mallado de los elementos de estudio en la 
máscara deportiva. 
 
Figura 11 – Desplazamientos de la máscara 
deportiva ante el impacto. 
 
 
 
 
 
5. Análisis estructuralesEl modelado 3D de la máscara deportiva fue exportado a 
un software de análisis dinámico por elemento finito. En el 
análisis estructural, se busca obtener los esfuerzos 
producidos en la máscara deportiva y las deformaciones 
que ocurren al ejercer una fuerza externa. Para fines 
prácticos del análisis, se consideró un objeto esférico el 
cual produciría un golpe hacia la cara del jugador, 
recibiendo el impacto en la máscara deportiva de material 
compuesto. Se realizó un estudio dinámico detallado para 
identificar los efectos del impacto causados cuando el 
objeto golpea la región central de la careta, al considerar 
una fuerza mínima de 30G. Cabe mencionar que este 
análisis se presenta como el estudio de la simulación de un 
golpe sobre la superficie protectora de la nariz. La forma 
geométrica del objeto se desprecia debido a que el punto de 
interés radica en la fuerza de impacto sobre la careta. 
5.1. Condiciones del análisis estructural 
Se realizó el análisis estructural en un software de 
elemento finito del material compuesto, añadiendo las 
propiedades mecánicas obtenidas en la sección 3. Se 
consideraron los parámetros de la probeta de 7 capas de 
fibra de yute con pulverizado de cáscara de nuez. Las 
condiciones iniciales requeridas para el estudio se obtienen 
con la ec. (1) y considerando la fuerza de 30G. El objeto 
esférico asignado para considerar un punto de impacto 
presenta una masa de 0.89603 kg que viajará una distancia 
de 1.44 mm a una velocidad de 0.69 m/s. Se propone 
además de 4 puntos de sujeción correspondientes a las 
zonas donde se apoya la careta en las áreas faciales maxilar 
y frontal. En la Fig. 9 se muestra la posición del objeto 
esférico que causará el impacto. Las cuatro zonas de 
sujeción soportarán la fuerza del impacto y se dispersará el 
impacto a las zonas de mayor soporte (Fig. 9). 
 
5.2. Discretización 
Una vez que el modelado de la careta se encuentra en el 
software de elemento finito, se realiza un mallado con 
forma triangular y rectangular constituida de 5408 nodos y 
20252 elementos. El tamaño de los elementos no influye 
debido a que es un análisis explícito dinámico y no es 
necesario un mallado refinado, además se añade un espesor 
al modelado con valores de 3 a 4 mm como se muestra en 
la Fig. 10, los valores del espesor se basaron en mediciones 
de un modelo comercial de careta deportiva y en el espesor 
de la probeta seleccionada de fibra de yute y pulverizado 
de cáscara de nuez. 
 
 
5.3. Resultados 
Se realizaron dos estudios sobre la careta deportiva, con la 
finalidad de observar el comportamiento ante el impacto 
del objeto esférico propuesto. El primer estudio es 
relacionado con los desplazamientos, en la Fig. 11 se puede 
observar que los desplazamientos de la careta son de 2 mm, 
Figura 9 – Sujeciones en el modelo de la máscara 
deportiva y posición del objeto. 
 
Zonas de 
sujeción 
a) 
Figura 8 – (a) Modelo de exportación 3D de la 
careta; (b) Modelado final de la careta. 
 
b) 
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los cuales muestran que no se tendría contacto de la 
máscara hacia la nariz del jugador. Las regiones centrales 
del modelo de elemento finito que presentan un tono de 
color verde y amarillo fueron las zonas de desplazamiento. 
El segundo análisis (Fig. 12) nos presenta los esfuerzos 
equivalentes en la careta, mostrando un esfuerzo máximo 
de 75329 Pa para una fuerza de 30G. Los resultados 
obtenidos de la curva esfuerzo deformación mostraron que 
el esfuerzo máximo de tensión en la probeta de fibra yute 
con pulverizado de cáscara de nuez pecana es de 14 MPa. 
Lo cual muestra que la careta protegerá el rostro del 
jugador debido a que no se deforma lo suficiente como 
para tocar la nariz o romperse y así causar una fractura 
nasal. 
 
 
 
 
6. Conclusión 
El análisis y modelado 3D de la careta deportiva propuesta 
en este trabajo, proporciona una alternativa para diseñar y 
elaborar máscaras de protección para jugadores de 
basquetbol. La fácil obtención de los materiales naturales 
que constituyen el material compuesto junto con la resina 
poliéster, amplían el interés de generar estudios del 
comportamiento mecánico que presenta ante los diversos 
impactos a los cuales están expuestos los jugadores. 
Además de ampliar resultados de interés para aplicaciones 
en medicina deportiva o traumatología. Si bien, no se busca 
sustituir los materiales compuestos con los que están 
hechas en el mercado las caretas deportivas como fibra de 
carbono, fibra de vidrio o actualmente el UTEM9085; los 
resultados del diseño muestran que el material compuesto 
propuesto es adecuado para continuar con estudios en 
relación a la máscara deportiva. 
Los parámetros del material compuesto de 7 capas de fibra 
yute con rotaciones de 90°-30°, en conjunto con el 
pulverizado de la cáscara de nuez pecana y la resina 
poliéster, muestra que la máscara facial de basquetbol es lo 
suficientemente resistente para soportar un golpe de 30G 
sin dañar los huesos faciales que se encuentran en la nariz. 
Los resultados presentados en este trabajo, dan inicio a 
continuar con estudios mecánicos detallados y considerar 
objetos de impactos determinados como codos, brazos, 
cabeza, el balón, etc. 
Agradecimientos 
Al Dr. Enrique Saavedra del Depto. de Ingeniería en 
Materiales del ITESI por su entera disposición y apoyo en 
equipos de caracterización de materiales. 
 
REFERENCIAS 
 
[1] Blindaxe. (6 de 07 de 2018). Obtenido de 
https://www.blindaxe.com/ 
[2] Cees the Baat. Custom-made face guards for athletes 
with orofacial injuries (pp. 387- 389). Nijmegen: Sports 
Medicine Journal. 
[3] J. R. Gandy, L. Fosset, B.J.F. Wong. Facemasks and 
Basketball: NCAA Division I Consumer Trends and A 
Review of Over the Counter Facemasks. California: 
University of California (2016). 
[4] Younext. Máscaras de protección facial personalizadas 
Younext. España: Podoactiva. (2017). 
[5] F. Stupenengo Materiales y materias primas: 
Materiales compuestos. Argentina: INET (2011). 
[6] R.A. Forero. Las fibras naturales en los materiales 
plásticos compuestos. Colombia: Tecnología del 
Plástico (2007). 
[7] D. Gon, K. Das, P. Paul, S. Maity. Jute Composites as 
Wood Substitute. India: International Journal of Textile 
Science (2012). 
[8] IJSG. Jute, Kenaf Other Bast and Hard Fibres: Farm to 
Fashion. Bangladesh (2012). 
[9] D. Parodi. Desarrollo de un material compuesto 
biodegradable a partir de la utilización del residuo 
cascara de nuez. Chile: Facultad de Arquitectura y 
Urbanismo (2016). 
[10] C. A. Popper. Caracterización Físico- Mecánica de un 
Material Compuesto Orgánico en Matriz Polimérica. 
México: Instituto Politécnico Nacional (2007). 
[11] J. A. S. Sobrino. Introducción a la fotogrametría. 
Madrid: E. T. S. I. (2006). 
[12] C. Corcoles. Manual de Introducción a Blender. 
Catalunya: MOSAIC. 
[13] T. Roosendaal, S. Selleri. Blender 2.3 Guía: La suit 
abierta de creación 3D. 
[14] J. J. Swearingen. Tolerances of the human face to the 
crash impact. Oklahoma: Federal Aviation Agency 
(1965). 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 12 – Esfuerzos equivalentes presentes en la 
máscara deportiva. 
 
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