SELECCIÓN DE MATERIALES Y PROCESOS
Dani TRApuntes25 de Febrero de 2022
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Tema 2 SELECCIÓN DE MATERIALES Y PROCESOS
2.1 Introducción
En el desarrollo de un producto, tenemos que saber la función que va a tener, considerando su utilidad (en condiciones de servicio como soportar cargas, transmitir calor…), su objetivo (más barato, más seguro…) o sus restricciones (dimensiones fijas, rango de temperaturas…), o una combinación de ambos. Algunas de las restricciones son realmente imposiciones que no pueden obviarse mientras que otras restricciones se pueden considerar condiciones deseables. La idea es elegir el material más adecuado, según las necesidades.
Asimismo, la selección de un material va relacionado con su geometría, teniendo en cuenta que para obtener ésta el material debe ser sometido a uno o varios procesos de fabricación. Por tanto, existe una clara relación entre la función que debe cumplir el producto, el material, la forma y el proceso de fabricación.
TIPOS DE MATERIALES MÁS IMPORTANTES | |
Metales y aleaciones (más común) | Hierro y acero Aluminio y sus aleaciones Cobre y sus aleaciones Níquel y sus aleaciones Titanio y sus aleaciones |
Polímeros (creciente uso) | Polietileno Poliamidas Poliestireno Resinas epoxi Elastómeros |
Cerámicos y vidrios (creciente) | Alúmina (aluminio y oxigeno) Carburo de silicio Nitruro de silicio Cemento y hormigón |
Materiales compuestos (combinación de propiedades) | Cermets Polímeros reforzados |
Materiales naturales (algunos con propiedades no superadas por ninguno) | Madera Piel, hueso Algodón, lana, seda |
En el pasado, el número de materiales era reducido, pero actualmente se ha incrementado notablemente, gracias a la selección racional de materiales, así como del proceso de conformado.
2.2 Selección de materiales
Se debe elegir el material idóneo para cada componente. Sin embargo, es difícil seleccionar el material ideal. Por ello, es necesario utilizar distintos métodos: recomendaciones (métodos tradicionales), mapas de materiales (método gráfico) o información escrita, recogida en fuentes bibliográficas, o en forma de software, en bases de datos virtuales.
2.2.1 Criterios de selección
En general, los métodos para la selección de materiales se basan en sus propiedades económicas, físicas, mecánicos, térmicos, eléctricos y de fabricación (facilidad). También destaca el atractivo a los consumidores, características compatibles y que sea competitivo con otros materiales. Las propiedades más importantes son las siguientes:
PROPIEDADES | |
Económicas (importante) | Precio y disponibilidad Posibilidad de reciclado |
Físicas | Densidad (ligero) |
Mecánicas | Módulos de elasticidad, compresibilidad y transversal Límite elástico y resistencia a la tracción Dureza y tenacidad Resistencia a la fatiga y a la fluencia Amortiguación a vibraciones |
Térmicas | Conductividad térmica Calor específico Coeficiente de expansión térmica |
Eléctricas y magnéticas | Resistividad Constante dieléctrica Permeabilidad magnética |
Interacción con el entorno | Oxidación Corrosión Desgaste |
Producción | Facilidad de fabricación Unión Acabado |
Estéticas | Color Textura Aspecto |
Fluencia: capacidad de deformación del material conforme se incrementa la temperatura.
Fatiga: deformación plástica continuada pequeña, que provoca la ruptura del material. Rompe a una carga inferior de tensión del material.
2.2.2 Propiedades generales de los materiales
Al seleccionar los materiales, es necesario considerar sus propiedades mecánicas. Por otra parte, las propiedades mecánicas especificadas para un producto y sus componentes deben ser apropiadas a las condiciones bajo las que deben funcionar. En cuanto a las propiedades físicas y químicas, estas también juegan un papel significativo. Los métodos de fabricación utilizados pueden afectar de forma adversa a las propiedades del material, su vida en servicio y el coste del mismo.
Cada material tiene sus ventajas e inconvenientes, debiendo ser consideradas como limitaciones de diseño en el proceso de selección:
MATERIAL | Bueno | Pobre (posible solución) |
Metales | - Rigidez - Ductilidad -Conformabilidad (frio y caliente, en caliente mejor) - Tenacidad (capacidad de absorber energía antes de romper) - Alto punto de fusión | Límite elástico (aleación) Dureza (aleación) Resistencia a fatiga Resistencia a corrosión (recubrimientos) |
Cerámicos | Alto límite elástico (limite alto antes de que empiece el plástico) Alto punto de fusión Resistencia a la corrosión Densidad moderada | Muy baja tenacidad Conformabilidad (pulvimetalurgia, polvo) |
Polímeros | Ductilidad y conformabilidad Resistencia a la corrosión Baja densidad | Baja rigidez Límite elástico Baja tenacidad |
Rigidez Límite elástico y Tenacidad Resistencia a la fatiga Resistencia a la corrosión Baja densidad | Conformabilidad compleja Coste alto Fluencia (se deforma con temperatura) | |
Compuestos (se combinan propiedades) | ||
2.2.3 Propiedades de materiales que limitan el diseño: Coste y disponibilidad
Los aspectos económicos (muy importantes) de la selección de los materiales son tan importantes como las consideraciones tecnológicas. Si no hay materias primas disponibles o componentes de partida adecuados, será necesario recurrir a sustitutos y/o procesados adicionales, que pueden repercutir de forma significativa en el precio del producto. Sin embargo, a menudo un rediseño de producto puede aprovechar el material de partida y evitar así los gastos de producción adicionales. Por otra parte, la confianza del suministro y su demanda afectan al coste.
En cuanto al procesado de materiales, los diferentes métodos implican diferentes costes (Maquinaria de alto, elevada mano de obra y/o especializada).
2.2.4 propiedades de materiales que limitan el diseño: Aspecto, vida en servicio y reciclado
La apariencia de los materiales, una vez procesados, influye en el consumidor (estética)
Existen fenómenos importantes que dependen del tiempo y del uso (servicio), como el desgate, la fatiga o la estabilidad dimensional, los cuales pueden afectar al funcionamiento de un producto y, pueden llevar al fallo total del mismo.
El reciclado de los materiales, o la eliminación adecuada de sus componentes al final de la vid, se ha convertido en un tema cada vez más importante. Es el caso de los envases biodegradables y reciclables. También tratamiento y la eliminación de los desperdicios y materiales tóxicos.
2.3 Métodos de selección de materiales
El material ideal no existe, ya que tendría que ser inagotable, disponible, fuerte, rígido, estable, fácil de obtener y procesar, resistente a la corrosión y desgaste, etc. Por ello se debe hacer una selección de materiales, identificando cuáles son las propiedades más relevantes para la utilidad técnica que se le va a dar. Existen diversos métodos de selección de material
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