Ingeniería en Materiales - en base al curso de Mike Ashby y David Cebon, Cambridge, Reino Unido, 2005.
Selección de Materiales
PROCESOSForma, unión, tratamiento superficial
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Reseña
• Procesos y sus atributos
• La estrategia de selección
• Discriminación por atributos
• Ordenamiento por criterios económicos
• Estudio de casos + demos
Más información:
• “Materials Selection in Mechanical Design”, M.F. Ashby, 2ªedición, Butterworth Heinemann, Oxford, 2004, caps. 11 y 12.
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Procesos de manufactura
Proceso: método para dar forma, unir o tratar la superficie de un material.
Fundición en arena
Forma
Moldeo por soplado
Forma
Soldadura por fusión
Unión
Endurecimiento por inducción
Tratamientosuperficial
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PROCESOS: Atributos
Material
Volumen de Producción
Tamaño
Precisión
Forma
Complejidad
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Procesos: Tipos
Formado
Maquinado
Soldadura
Recubrimiento
Acabado
Tratamiento Térmico
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Clasificación de formas
Algunos procesos sólo pueden producir formas simples, otros, formas complejas.
� Trefilado, extrusión, laminación:
formas prismáticas
Todas lasformas
Prismática Lámina 3-D
Circular No-circular Plana Acopada Sólida Hueca
� Fundición, moldeado, pulvimetalurgia:formas 3-D
� Estampado, plegado, repujado, estampado
profundo:formas en chapa
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Procesos: Formado
Fundición – Colado
Moldeado
Laminación
Extrusión
Forja
Estampado
Plegado
Repujado
Rolado
Pultrusión
Pulvimetalurgia
Granallado
Explosivos
Prototipo Rápido
Electrolítico
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Procesos: Maquinado
Herramienta de Corte
Rectificado
Lapidado
Electroerosión
Ultrasonido
Químico
Agua a Presión
Arenado
Electron Beam
Laser
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Procesos: Unión y Soldadura
Remaches
Tornillos
Grampas
Clavos
Soldadura
Fusión alta temperatura
Fusión baja temperatura
Fricción
Explosión
“Stir weld”
Difusión
Presión
Adhesivos
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Procesos: Recubrimiento
Soldadura
Proyección
Explosivos
Inmersión
Plasma
Químico
Electrolítico
Termoquímico
Anodizado
Esmaltado
Pintura
Calandrado
Colaminado
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Procesos: Pulido
Granallas
Barro
Pasta
Tela
Piedra
Vibratorio
Centrífugo
Químico
Electrolítico
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Procesos: Tratamiento Térmico
Clasificación por:
Modo de Calentamiento
Modo de Enfriamiento
Medio o Atmósfera
Objetivo y limitaciones:
Estructura (Propiedades)
Condición Superficial
Alteraciones Geométricas
Tensiones Internas
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Organización de datos: ÁRBOL DE PROCESOS
Familia
Unión
Formado
Trat. superficial
Clase
Fundición
Deformación
Moldeado
Compuesto
Polvo
Maquinado
Prototipo rápido
Miembro
Compresión
Rotación
Inyección
RTM
Soplado
Atributos
Registro de un proceso
Material
Forma
Rango de tamaño
Sección mínima
Tolerancia
Rugosidad
Lote económico
Información adicional
-- específica
-- general
Material
Forma
Rango de tamaño
Sección mínima
Tolerancia
Rugosidad
Lote económico
Información adicional
-- específica
-- general
Informaciónestructurada
Información no estructurada
Difícil!
Reino
Procesos
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Datos estructurados para moldeado por inyección*
INJECTION MOULDING of thermoplastics is the equivalent of pressure die casting of metals. Molten polymer is injected under high pressure into a cold steel mould. The polymer solidifies under pressure and the moulding is then ejected.
Injection Moulding (Thermoplastics)
*Using the CES 5 EduPack Level 1 DB
Process CharacteristicsDiscrete (typical) TruePrototyping (typical) False
ShapeCircular Prism TrueNon-circular Prism TrueSolid 3-D TrueHollow 3-D True
Physical AttributesMass range 0.01 - 25 kgRoughness 0.2 - 1.6 µmSection thickness 0.4 - 6.3 mmTolerance 0.1 - 1 mm
Economic AttributesEconomic batch size 1e+004 - 1e+006Relative tooling cost highRelative equipment cost high
Unit 3, Frame 3.5
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Datos no estructurados de moldeado por inyección*
Design guidelines. Injection moulding is the best way to mass-produce small, precise, plastic parts with complex shapes. The surface finish is good; texture and pattern can be moulded in, and fine detail reproduces well. The only finishing operation is the removal of the sprue.
The economics. Capital cost are medium to high; tooling costs are high, making injection moulding economic only for large batch-sizes (typically 5000 to 1 million). Production rate can be high particularly for small mouldings. Multi-cavity moulds are often used. The process is used almost exclusively for large volume production. Prototype mouldings can be made using cheaper single cavity moulds of cheaper materials. Quality can be high but may be traded off against production rate. Process may also be used with thermosets and rubbers.
Typical uses. The applications, of great variety, include: housings, containers, covers, knobs, tool handles, plumbing fittings, lenses, etc.
The environment. Thermoplastic sprues can be recycled. Extraction may be required for volatile fumes. Significant dust exposures may occur in the formulation of the resins. Thermostatic controller malfunctions can be extremely hazardous.
The process. Most small, complex plastic parts you pick up – children’s toys, CD cases, telephones – are injection moulded. Injection moulding of thermoplastics is the equivalent of pressure die casting of metals. Molten polymer is injected under high pressure into a cold steel mould. The polymer solidifies under pressure and the moulding is then ejected.
Various types of injection moulding machines exist, but the most common in use today is the reciprocating screw machine, shown schematically here. Polymer granules are fed into a spiral press like a heated meat-mincer where they mix and soften to a putty-like goo that can be forced through one or more feed-channels (“sprues”) into the die.
Heater Screw
Granular PolymerMould
Nozzle
Cylinder
No.8-CMYK-5/01
*Using the CES 5 EduPack Level 2 DB
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¿Dónde encontrar datos?
Encontrar datos usando CES
� BROWSE: localizar candidatos en PROCESS TREE o,
� SEARCH: entrar nombre (marca registrada o aplicación)
� 3 niveles de datos, con contenido creciente de información
� Manuales, recopilaciones (ver Cap. 13 del texto)
� Hojas de datos de fabricantes de equipos
� La Worldwide Web (e.g. www.DesignInSite.dk)
PERO: sin perspectiva, ni comparación con otras clases de procesos
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Selección de procesos
Paso 2 Listado: eliminar procesos que no se adecuan a la tarea.
Paso 3 Ordenamiento: encontrar los procesos adecuados más baratos.
Paso 4 Información adicional: explorar cualidades y optimizar costo.
Paso 1 Traducción: expresar requerimientos de diseño como restricciones y objetivos.
La selección de procesos incluye 4 pasos básicos igual que para materiales.
Dado que existen miles de variantes para los procesos,
la información adicional juega un papel muy importante.
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Traducir
Más info: Cebon, D. “Handbook of Vehicle-Road Interaction”, Swets and Zeitler, Netherlands,1999
Ejemplo: encapsulado para un sensor de presión para ruta
Función Encapsulado para un sensor de presión de ruta
RequerimientosMaterial: aleción de Al
Forma: prismática no-circular
Sección mínima: 2 ± 0.025 mm
Objetivos Minimizar costo
Variable libre Elección del proceso
El sensor yace en la ruta, cubierto por una capa de
goma. La presión del vehículo deflecta la cara
superior, modificando la capacidad entre la cara
superior y una lámina conductora de cobre.
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Todos los procesos
Aplicar una serie de etapas de listado
Listado del subconjunto de procesos
Physical attributes Minimum Maximum
Mass range 0.6 kg
Section thickness mm
Tolerance mm
Roughness µµµµm
Batch size
Shape
Circular prismatic
Non-circular prismatic
Flat sheet
Dished sheet
Solid 3-D
Hollow 3-D
Etapa de límites
Cerámicos
Metales
Polímeros
Híbridos
Materiales
Etapa de árbol
Tam
año
de lo
teec
onóm
ico
B
B1 > B > B2
Etapa gráfica
Una combinación de selección por límites, por árbol y diagramas de barra esla mejor forma elegir un proceso.
• Diagrama de barras son mejores que los de burbujas (los rangos son muy grandes)
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Procesos para la aislación de una bujía
Insulator
Bodyshell
Centralelectrode
• Clase de material Alúmina
• Forma 3-D, hueca
• Masa 0.05 kg
• Sección mínima 3 mm
• Tolerancia < 0.5 mm
• Rugosidad < 100 µµµµm
• Tamaño de lote >1,000,000
Requerimientos
Especificación
Función Aislador
Variables libres
Elección del proceso
Objetivo Minimizar costo
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Physical attributes Minimum Maximum
Mass range 0.6 kg
Section thickness mm
Tolerance mm
Roughness m
Shape
Circular prismatic
Non-circular prismatic
Flat sheet
Dished sheet
Solid 3-D
Hollow 3-D
0.05 0.06
3
����
0.5
100
Listado: etapa de árbol y etapa de límites
Etapa de árbol: Seleccionar un CERÁMICO (o Alúmina)
Ordenamiento: diagrama de barras por TAMAÑO DE LOTE ECONÓMICO.
Etapa de límites:
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Tamaño de lote
deseado
Listado según tamaño de lote*
*Usando el CES EduPack 5 Nivel 2 DB
Eco
nom
ic b
atc
h s
ize (
units
)
1
10
100
1000
10000
100000
1e+006
1e+007
1e+008
Blow Moulding
Powder methods
Injection Moulding
Sheet forming
Die Casting
Compression Moulding
Expanded foam molding
Rotational Moulding
Rolling and forging
Resin transfermolding (RTM)
Electro-discharge machining
Thermoforming Rapid prototyping
Lay-Up methods
Sand castingPolymer Casting
Economic batch size
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Organización de datos: Tratamientos de unión y superficiales
Registro del proceso
Trat. térmico
Pintura/impresión
Recubrimiento
Pulido
Textura ...
Electroplat.
Anodizado
Rec. polvo
Metalizado...
Material
Propuesta del tratamiento
Espesor del recubrimiento
Dureza superficial
Costo relativo ...
Información adicional
Material
Propuesta del tratamiento
Espesor del recubrimiento
Dureza superficial
Costo relativo ...
Información adicional
Adhesivos
Soldadura
Bulonería
Brazing
Soldar
Gas
Arco
e -beam ...
Material
Geometría de la unión
Rango de tamaño
Espesor de la sección
Costo relativo ...
Información adicional
Material
Geometría de la unión
Rango de tamaño
Espesor de la sección
Costo relativo ...
Información adicional
Clase AtributosMiembro
Trat. superficial
Unión
Familia
Forma
Reino
Procesos
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Registro de un proceso de soldadura*
Gas Tungsten Arc (TIG)Tungsten inert-gas (TIG) welding, the third of the Big Three (the others are MMA and MIG) is the cleanest and most precise, but also the most expensive. In one regard it is very like MIG welding: an arc is struck between a non-consumable tungsten electrode and the work piece, shielded by inert gas (argon, helium, carbon dioxide) to protect the molten metal from contamination. But, in this case, the tungsten electrode is not consumed because of its extremely high melting temperature. Filler material is supplied separately as wire or rod. TIG welding works well with thin sheet and can be used manually, but is easily automated.
Physical AttributesComponent size non-restrictedWatertight/airtight TrueProcessing temperature 870 - 2250 KSection thickness 0.7 - 8 mm
Joint geometryLap TrueButt TrueSleeve TrueScarf TrueTee True
Materials Ferrous metals
Economic AttributesRelative tooling cost lowRelative equipment cost mediumLabor intensity low
Typical usesTIG welding is one of the most commonly used processes for dedicated automatic welding in the automobile, aerospace, nuclear, power generation, process plant, electrical and domestic equipment markets.
*Usando el CES EduPack Nivel 1 DB
+ links to materials
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Registro de un tratamiento superficial*
Induction and flame hardeningTake a medium or high carbon steel -- cheap, easily formed and machined -- and flash its surface temperature up into the austenitic phase-region, from which it is rapidly cooled from a gas or liquid jet, giving a martensitic surface layer. The result is a tough body with a hard, wear and fatigue resistant, surface skin. Both processes allow the surface of carbon steels to be hardened with minimum distortion or oxidation. In induction hardening, a high frequency (up to 50kHz) electromagnetic field induces eddy-currents in the surface of the work-piece, locally heating it; the depth of hardening depends on thefrequency. In flame hardening, heat is applied instead by high-temperature gas burners, followed, as before, by rapid cooling. Both processes are versatile and can be applied to work pieces that cannot
readily be furnace treated or case hardened in the normal way.Physical AttributesCoating thickness 300 - 3e+003 µmComponent area restrictedProcessing temperature 727 - 794 KSurface hardness 420 - 720 Vickers
Economic AttributesRelative tooling cost lowRelative equipment cost mediumLabor intensity low
Typical usesThe processes are used to harden gear teeth, splines, crankshafts, connecting rods, camshafts, sprockets and gears, shear blades and bearing surfaces.
MaterialCarbon steel
Purpose of treatmentFatigue resistanceFriction controlWear resistanceHardness
*Usando el CES EduPack Nivel 2 DB
+ links to materials
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Eligiendo procesos de unión y tratamiento superficial
Unión – los criterios más importantes son:
� El/los material/es a ser unidos
� La geometría de la unión
Aplicar estos criterios primero, Luego agregar los demás requerimientos.
Tratamiento superficial – los criterios más importantes son:
� El propósito de los tratamientos
� El material al cual se aplicará
Aplicar estos primero, luegoagregar los demás requerimientos.
INFORMACIÓN ADICIONAL
� Matdata.net (“Search web” button)
� Kelly’s Register, Thomas Register.
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Demo – selección de procesos con CES
Browse Select SearchToolbar Print Search web
Opens
Matdata.net
¿Qué encontrar?
¿Cuál tabla?
Seleccionar qué se desea
explorar (materiales,
procesos..)
ProcesosFundiciónMoldeadoPolvoetc.
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Los puntos principales
• Los procesos pueden organizarse en estructura de árbol, incluyendoregistros de datos estructurales e información adicional.
• La estructura permite una sencilla búsqueda de los datos del proceso.
• Seleccionar primero en base a las restricciones primarias
• Forma: material y forma
• Unión: material(es) y geometría de la unión
• Tratamiento superficial: material y función del tratamiento
• Luego agregar las restricciones secundarias necesarias.
� Información adicional en CES, y http://matdata.net
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