Instituto Politcnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica

Unidad Culhuacan

Diseo, Seleccin y Aplicacin de Materiales

Resumen captulos 1-4

Seleccin de Materiales en Diseo Mecnico

Jos Angel Esquivel Pia

9MM2

Captulo I - Introduccin

Materiales en diseo

Diseo es el proceso de traduccin de una nueva idea o una necesidad de mercado a la

informacin detallada de la fabricacin de un producto. Cada una de las etapas del diseo

requiere decisiones acerca de los materiales que conforman al producto y el proceso de

fabricacin. Normalmente, la eleccin de material es dictada por el diseo pero puede

presentarse de manera contraria. El nuevo producto, o la evolucin de uno existente, puede

ser fabricado de un nuevo material.

La eleccin de un material no puede ser hecha de manera independiente a la eleccin de

proceso por el cual el material va a adquirir su forma, sus empalmes o acabados, el costo es

tambin un factor importante tanto en la eleccin del material como en los procesos de

manufactura a los cuales va a ser sometido.

Los problemas en diseo son casi siempre ilimitados. No tienen una solucin nica o

correcta aunque algunas soluciones sern claramente mejores que otras. Entonces la

primera herramienta que necesita un diseador es una mente abierta, una disposicin a

considerar todas las posibilidades.

La evolucin de materiales de ingeniera

A travs de la historia los materiales han limitado el diseo. Las eras del hombre han sido

nombradas a partir de los materiales que usaba: piedra, bronce y hierro. Y cuando un hombre

mora, los materiales que atesoraba eran enterrados junto con el: Tutankamn en su sarcfago

esmaltado, Agamenn con su espada de bronce y mascara de oro, los jefes Vikingos en sus

barcos funerarios. Cada tesoro representando la alta tecnologa de esos das. Si estos hombres

hubiesen vivido y muerto hoy en da Qu se hubieran llevado? Esta no es la era de un

material, es la era de un inmenso rango de materiales. Nunca ha habido una era en la cual la

evolucin sea tan rpida y su rango de propiedades tan variada. El men de materiales se ha

expandido tan rpido que los diseadores que egresaron de la universidad hace 20 aos

pueden ser perdonados por no saber que muchos de ellos existen. Pero no saber es, para un

diseador, riesgo de desastre. Un diseo innovador a menudo significa la explotacin

imaginativa de las propiedades que ofrece un material nuevo o mejorado. Y para la gente en

general, no saber es perderse de uno de los grandes acontecimientos en nuestra poca: La era

de materiales avanzados.

La evolucin de los materiales en productos

Se consideran cuatro ejemplos de los cambios en la manera en la que los materiales se usan,

cada una abarca aproximadamente 100 aos. Teniendo en cuenta que en generaciones

anteriores el cambio era mucho ms lento. Los carruajes tirados por caballos tienen una

historia de 2000 aos, el automvil solo un poco ms de 100.

Un diseo competitivo requiere el uso innovador de materiales nuevos y la explotacin

inteligente de sus propiedades especiales, ingenieriles y estticas.

Capitulo II El proceso de diseo

El proceso de diseo

El punto de partida de un diseo es una necesidad de mercado o una nueva idea, el punto

final es la completa especificacin de un producto que satisface la necesidad o incorpora la

idea. Es esencial que la necesidad se defina de manera precisa, en manera de postulados de

necesidad: Un dispositivo se requiere para realizar la tarea X, y se expresan como

requerimientos del diseo.

Entre los postulados de necesidad y las especificaciones del producto se encuentran las

siguientes etapas:

Diseo conceptual:

Determina la estructura de funciones

Busca principios de trabajo

Evala y selecciona conceptos

Diseo de realizacin:

Desarrolla planes de diseo, escala y forma

Modela y analiza ensambles

Evala y selecciona planes de diseo

Diseo detallado:

Analiza componentes a detalle

Optimiza costos y desempeo

Eleccin final de materiales y proceso

Al producto mismo se le llama sistema tcnico, el cual consiste en subensambles y

componentes que en conjunto realizan la tarea requerida. Esta descomposicin es una manera

til de analizar un diseo existente, aunque no tanto al idear nuevos diseos, para este

propsito es mejor usar ideas de sistemas de anlisis, donde se consideran las entradas, flujos

y salidas de informacin, energa y materiales.

EL arreglo resultante es llamado estructura de funciones o descomposicin de funciones del

sistema. Diseos alternativos unen funciones unitarias de maneras alternativas, combinadas

o divididas, la estructura de las funciones gua de una manera sistemtica la evaluacin de

opciones de diseo.

El diseo procede del desarrollo de conceptos para realizar las funciones en la estructura cada

una basndose en su principio de trabajo. En este punto, en la etapa de diseo conceptual las

opciones estn abiertas: El diseador considera conceptos alternativos y la manera en la que

estas pueden separarse o combinarse. En la etapa siguiente, diseo de realizacin, toma los

conceptos prometedores y busca analizar sus operaciones a un nivel aproximado. Esto

involucra el tamao de los componentes y la seleccin de materiales que se comportaran de

manera apropiada en rangos de esfuerzo, temperatura y entorno sugerido por los

requerimientos de diseo, examinando las implicaciones de desempeo y costo. La etapa de

realizacin termina con un diseo factible el cual pasa a la etapa de diseo detallado, aqu se

establecen las especificaciones para cada componente, los componentes crticos pueden ser

sometidos a un anlisis mecnico o trmico preciso. Los mtodos de optimizacin se aplican

a componentes y grupos de componentes para obtener un ptimo desempeo. Se analiza y

cotiza una eleccin final de geometra, material y proceso de produccin para finalmente

tener la especificacin detallada del producto.

Una pieza clave en el diseo y seleccin de materiales es la flexibilidad, la habilidad de

explorar alternativas de manera rpida teniendo en mente las generalidades y los detalles.

Tipos de diseo

No siempre es necesario empezar desde cero. El diseo original lo hace: envuelve una nueva

idea o un principio de trabajo. Nuevos materiales ofrecen combinaciones nuevas y nicas de

propiedades que permiten diseo original, as como el silicio de alta pureza permiti el

desarrollo del transistor y el cristal de alta pureza la fibra ptica. Algunas veces el nuevo

material sugiere el nuevo producto y viceversa, el nuevo producto demanda el desarrollo de

un material nuevo: La energa nuclear dio lugar al desarrollo de aleaciones de zirconio y

aceros inoxidables de bajo contenido de carbono; la tecnologa espacial estimulo el desarrollo

de materiales compuestos ms ligeros.

Casi todo el diseo es de tipo adaptativo o de desarrollo. El punto de partida es un producto

existente o un rango de productos. El motivo del rediseo puede ser para optimizar el

desempeo, reducir el costo, para adaptarlo o cambiar las condiciones de mercado. Buscando

un incremento en el desempeo refinando el principio de trabajo el cual es posible gracias al

desarrollo en materiales: polmeros reemplazando metales en aplicaciones domsticas, fibra

de carbono reemplazando la madera en equipo para deportes.

El diseo variable implica un cambio de escala, de dimensiones o detallado sin cambios en

la funcin o en el modo de lograr la tarea deseada. El cambio de escala o entorno de trabajo

puede requerir cambio de materiales.

Herramientas de diseo e informacin de materiales

Para implementar las etapas de diseo se usan herramientas de diseo que permiten el

modelado y optimizacin de un diseo, haciendo ms fcil aspectos de rutina en cada etapa.

Modeladores de funciones sugieren estructuras de funciones viables, optimizadores de

configuracin refinan geometras, paquetes de modelados slidos en 3D permiten la

visualizacin y la creacin de archivos que pueden descargarse para hacer prototipos en

sistemas de manufactura de control numrico, software de optimizacin, costos, diseo por

manufactura (DFM), diseo por ensamble (DFA) permiten refinar aspectos de manufactura,

paquetera de elemento finito (FE) y dinmica de fluidos por computadora (CFD) permiten

anlisis mecnicos y trmicos precisos aun cuando la geometra es compleja, las

deformaciones son grandes y temperaturas fluctuantes. Hay una progresin natural en el uso

de las herramientas a medida que evoluciona el diseo: anlisis aproximado y modelado en

la etapa conceptual, modelado sofisticado y optimizacin en la etapa de realizacin y anlisis

preciso en la etapa de diseo detallado.

Funcin, material, forma y proceso

La seleccin de material est atada con el proceso y la forma. Para hacer una forma, el

material se somete a procesos que colectivamente se le llama manufactura, la cual incluye

procesos primarios de conformado (fundicin y forja), procesos de remocin de material

(maquinado y barrenado), uniones (soldadura) y procesos de acabado (pintura, electro-

galvanizado). La funcin, el material, le forma y el proceso interactan: la funcin influye en

la eleccin de material, la eleccin de material influye en los procesos a los que se puede

someter el material, el proceso determina la forma, tamao precisin y costo.

Capitulo III Materiales de ingeniera y sus propiedades

Las familias de los materiales de ingeniera

La forma convencional de clasificar los materiales de ingeniera es en seis amplias familias.

Los miembros de una familia tienen ciertas caractersticas en comn: propiedades similares,

rutas de procesamiento o aplicaciones similares.

Metales: Son rgidos, tienen un mdulo de elasticidad relativamente alto, cuando son puros

generalmente dctiles. Pueden hacerse ms resistentes al hacer aleaciones y al ser sometidos

a tratamientos mecnicos y trmicos o pueden permanecer dctiles para someterlos a

procesos de deformacin. Ciertas aleaciones de alta resistencia tienen ductilidades con

porcentajes del 1% pero es suficiente para asegurar que el material cede de su zona elstica

a la plstica antes de la fractura. Debido a su ductilidad, los metales son presa de la fatiga y

de todas las familias de materiales son los menos resistentes a la corrosin.

Cermicos: Tienen un mdulo de elasticidad alto pero a diferencia de los metales, son

frgiles. Tienen baja tolerancia a los concentradores de esfuerzos y a los esfuerzos de alto

contacto debido a su falta de ductilidad, por lo que los cermicos nos son tan fciles de

integrar al diseo como los metales. A pesar de esto, tienen caractersticas atractivas, son

duros, rgidos, resistentes a la abrasin y mantienen su resistencia a altas temperaturas

adems de ser resistentes a la corrosin.

Vidrio: Son slidos amorfos no cristalinos, la carencia de estructura cristalina elimina la

plasticidad por lo que son duros, frgiles y vulnerables a los concentradores de esfuerzos.

Polmeros: Tienen bajo mdulo de elasticidad, 50 veces menor que el de los metales pero

pueden ser casi tan resistentes, algunos polmeros son en gran parte cristalinos, algunos son

amorfos (no cristalinos y transparentes) y otros son una mezcla de ambos, son resistentes a

la corrosin y tienen bajos coeficientes de friccin.

Elastmeros: Son largas cadenas de polmeros encima de su temperatura de transicin

vtrea, tienen mdulos de elasticidad de 103 GPa el cual incrementa con la temperatura por lo que tienen una gran extensin elstica

Hbridos: Son combinaciones de dos o ms materiales en una configuracin y escala

predeterminada. Combina propiedades atractivas de las otras familias evitando algunas de

sus desventajas. Incluye fibras y partculas compuestas, estructuras de sndwich,

estructuras de enrejado, espumas, cables y laminados, casi todos los materiales de la

naturaleza como la madera, hueso, pieles y hojas. Los compuestos de fibra reforzada son

los ms comunes, se puede tener una matriz de polmero reforzada con fibras de vidrio,

carbn o kevlar. Son ligeros, rgidos y resistentes.

Propiedades de materiales y sus unidades

Se puede pensar de cada material como un conjunto de atributos o propiedades, la

combinacin que caracteriza a cada material es su perfil de propiedades.

Capitulo IV Grficas de propiedades de los materiales

Explorando las propiedades de los materiales

Cada propiedad de un material de ingeniera tiene un rango caracterstico de valores. A lo

largo de las propiedades mecnicas y trmicas hay unas de importancia primaria. Para cada

familia hay un grupo representativo de materiales, elegidos para mostrar el rango del

comportamiento para cada clase con los materiales ms usados y ms comunes.

Bibliografa:

Michael F. Ashby. (2011). Materials Selection in Mechanical Design. United

States: Butterworth-Heinemann.