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Selección de materiales.

Necesidad del mercado

Definir especificaciones Determinar las funciones Definir principio de funcionamiento Definir componentes y requerimientos

Definición general

   

Análisis general de cada componente

 Modelar y analizar cada componente  Seleccionar los materiales de cada componente que cumplen los requerimientos definidos previamente  Modelar y analizar las uniones

Diseño detallado. Análisis detallado de componentes

   

Diseño inicial

Especificaciones de producto. Prototipo

Analizar los componentes en detalle Seleccionar proceso de fabricación Optimizar prestaciones y costo Especificar planos de diseño

 Fabricación del prototipo  Verificar que se cumplan las especificaciones  Definir proceso de producción  Modificar el diseño selección de materiales

La selección de materiales es parte del procedimiento de toma de decisiones en las etapas del diseño y la manufactura de productos. Una adecuada selección del material en los inicios del procedimiento, permite garantizar un posterior proceso de análisis de la disponibilidad, costo y procesabilidad del material.

Factores básicos a considerar en la selección de materiales. Físicos: Tamaño, forma, peso del material que se necesita, así como el espacio disponible para el componente lo que guardan relación con el tratamiento del material. Mecánicos: Tienen que ver con la capacidad del material para soportar los tipos de esfuerzos que se le imponen. Procesamiento y posibilidad de fabricación: Se relacionan con la capacidad de dar forma al material. Duración de los componentes: Relacionado a el tiempo durante el cual los materiales desempeñan las funciones a las que han sido destinados, en el ambiente al que están expuestos. Costos y disponibilidad: En una economía impulsada por el mercado estos dos factores son inseparables. Códigos, factores estatutarios  

Códigos: son conjuntos de requisitos que se imponen al material y a otros componentes (ASME, ASTM, SAE) Factores estatutarios: relacionados con los reglamentos locales, estatales y gubernamentales o federales (según el país) referentes a los materiales y a los procedimientos que se utilizan o a la forma de deshacerse de los materiales.

Entonces para continuar con la etapa de diseño siempre se busca encontrar el material ideal para el elemento o para cada componente involucrado. Según los requerimientos actuales de la demanda de productos se podría decir que las siguientes características o requisitos serían los que un material idealmente debería cumplir,       

Inagotable y siempre disponible para su reemplazo. Barato para refinar y producir. Fuerte, rígido, y dimensionalmente estable a diferentes temperaturas. Liviano. Resistente a la corrosión y al desgaste. Respetuoso con el medio ambiente y las personas. Biodegradable.

Es evidente que cumplir con todos estos requisitos es bastante difícil, inclusive si se descarta alguno, además hay que considerar que podría aparecer alguno más, que dependerá del gusto y exigencias de cada cliente, entonces: Existirá por tanto una gran dificultad en seleccionar el material ideal. Debido al alto número de factores que afectan a la selección de materiales

Quien se encarga del diseño debe determinar cuáles son las propiedades más relevantes para la aplicación que se requiere y en base a ellas, hacer la selección.

Propiedades analizadas en la etapa de diseño

Dentro del proceso de análisis de propiedades también hay que tomar en cuenta, el tipo de información existente de los materiales, que se puede clasificar de la siguiente manera:

Análisis básico de requerimientos de diseño.

Respondiendo a estas preguntas se puede decir que:

Selección de material para envase de refresco.

Criterios fundamentales: Uso 

Contener líquido consumo humano

Condiciones esenciales (restricciones)  

No contaminante ni tóxico Facilidad y economía de producción

Criterio de desempeño  

Resistencia/densidad Resistencia/costo

Variables Modificables 

Forma y capacidad

Métodos de selección Método tradicional Con este método, se pretende realizar la selección el material adecuado según un criterio, con base en la experiencia de partes que tienen un funcionamiento similar y que han mostrado buenos resultados. Este método es también conocido como “Materiales de ingeniería de partes similares”. El cual mantiene buena aceptación debido a lo siguiente:      

Se obtiene cierto nivel de seguridad con un material usado en el mismo campo y que ya ha sido previamente ensayado. Las características del material empleado, ya han sido estudiadas previamente y por lo tanto no es necesario realizar más estudios antes de la selección. El suministro del material tiene la posibilidad de estar asegurado. Generalmente al usar este sistema se evita pérdida de tiempo en ensayos y procesos. Ahorro considerable de tiempo. Contribuye a la estandarización del stock de materiales.

Todos estos puntos, se hace visibles tomando el cuento como ejemplo al acero. Material cuyas características ya han sido estudiadas, el suministro del mismo es adecuado, y en la mayoría de aplicaciones se puede evitar pérdidas de tiempo ensayando que acero se adapta mejor a la aplicación especifica.

Sin embargo, el uso de este método, en ocasiones conduce a serios problemas, ya que no se hace un estudio real del ambiente de trabajo del componente o equipo, el cual puede ser decisivo a la hora de escoger el material, pues el medio puede afectar a las características del material, llevando al fallo del elemento.

Método grafico Este método se apoya en graficas conocidas como “mapas de materiales” En este tipo de graficas se relacionan por pares ciertas propiedades de los materiales. Este método fue diseñado exclusivamente para ser utilizado durante la etapa conceptual de la selección de materiales. En estos mapas se puede hacer una aproximación del material más adecuado (perteneciente a una determinada familia de materiales), con base en la relación de las propiedades más importantes que debe poseer el componente. Sin embargo, la limitación de este método radica en que, rara vez el comportamiento de un componente depende sólo de una propiedad. De igual manera, los mapas de materiales, también denominados diagramas de Ashby, muestran que las propiedades de las diferentes clases de materiales pueden variar en amplios intervalos (dependiendo del estado de estos), formando grupos que se ubican en áreas cerradas, zonas o campos en tales diagramas.

Eso significa, que una misma familia de materiales puede tener una apreciable variación en sus propiedades, generando un campo o zona en los mapas. En estos mapas se relacionan entre otras, propiedades, la resistencia mecánica, módulo de elasticidad, densidad, tenacidad, conductividad térmica, costes, etc. El proceso consta de tres etapas:   

Definición de requerimientos para la aplicación considerada. Cálculo del índice o índices de material para la aplicación Selección del material usando el índice de material y los mapas de selección de materiales.

La selección se realiza entonces, por ejemplo, encontrando con ayuda de cálculos de resistencia y aplicando criterios de falla de acuerdo a esfuerzos aplicados, cuales son las combinaciones de propiedades más importantes para un componente dado. Luego se debe ubicar o encontrar el diagrama que presente esa combinación, se entra en un campo que corresponde a una familia determinada de materiales. De los materiales que pertenecen a esta familia se puede hacer una preselección y posteriormente una selección final, teniendo en cuenta más criterios como costos, disponibilidad, durabilidad, etc.

Los polímeros presentan Expansiones térmicas casi 10 veces más que los metales. Los materiales compuestos fabricados a partir de polímeros tienen bajo valor de expansión térmica Un aumento en la conductividad térmica está acompañado con una reducción en el coeficiente de expansión. Los materiales de mayor conductividad térmica son los metales. Los mejores aislantes térmicos son los materiales porosos....