Traducción De Cap 8 Engineering Design De George Dieter

8

SELECCIÓN DE MATERIALES Y

MATERIALES EN DISEÑO

8.1

INTRODUCCIÓN

La selección de los materiales correctos para un diseño es un paso clave en el proceso porque es la decisión crucial que une los cálculos de computadora y las líneas en un dibujo de ingeniería con un diseño de trabajo. Los materiales, y los procesos de manufactura que convierten el material en una pieza útil, la parte básica de todo diseño de ingeniería. La enormidad de la tarea de decisión en la selección de materiales está dada por el hecho de que hay más de 100,000 materiales de ingeniería de donde escoger. En un nivel más práctico, el típico ingeniero de diseño debería tener fácil acceso a la información de 50 a 80 materiales, dependiendo en el rango de aplicaciones con las que él o ella están tratando.

El reconocimiento de la importancia en la selección de los materiales en el diseño se ha incrementado en años recientes. La adopción de métodos de ingeniería concurrente ha traído a los ingenieros de materiales al proceso de diseño en una etapa temprana, y la importancia dada a la fabricación en el diseño de producto actual ha reforzado el hecho de que los materiales y la manufactura están muy ligados en determinar el desempeño del producto final. Además, presiones mundiales en competitividad han incrementado el nivel de automatización en la manufactura hasta el punto donde el costo de los materiales compone el 50% o más del costo de la mayoría de los productos. Finalmente, la extensa actividad en ciencia de materiales alrededor del mundo ha creado una variedad de nuevos materiales y ha enfocado nuestra atención en la competencia entre seis amplias clases de materiales: metales, polímeros, elastómeros, cerámicos, cristales y compuestos. Así, el rango de materiales disponibles para el ingeniero es más amplio que nunca antes. Esto presenta la oportunidad para la innovación en el diseño utilizando estos materiales para proveer un desempeño mayor a un menor costo. Para lograr esto se requiere un proceso racional para la selección de materiales.

8.1.1 La Relación de la Selección de Materiales al Diseño

Un material escogido incorrectamente puede conducir no sólo al fracaso de la pieza pero también a un costo innecesario de ciclo de vida. Seleccionar el mejor material para una pieza involucra más que

FIGURA 8.1

Interrelaciones del diseño, los materiales y el procesamiento para producir un producto.

que seleccionar un material que tenga las propiedades para proveer el desempeño necesario en servicio; también está íntimamente conectado con el procesamiento del material en la pieza terminada (Fig. 8.1). Un material escogido de manera deficiente puede costo de manufactura e innecesariamente incrementar el costo de la pieza. También, las propiedades del material pueden mejorarse o disminuirse mediante el procesamiento, y eso puede afectar el desempeño de servicio de la pieza. El capítulo 9 se enfoca en la relación entre el procesamiento de los materiales, la fabricación y el diseño.

Frente a la enorme combinación de materiales y procesos de los cuales escoger, la tarea de selección de materiales sólo puede hacerse mediante la simplificación y la sistematización. A medida que el diseño avanza del concepto de diseño, a la configuración y diseño paramétrico (prototipo de diseño), al diseño de detalle, el material y la selección del proceso se vuelve más detallada.1 La figura 8.2 compara los métodos de diseño y herramientas utilizadas en cada etapa de diseño con la selección de materiales y procesos. Al nivel de concepto de diseño esencialmente todos los materiales y procesos son considerados en cierta forma de manera general. La metodología de la selección de materiales y las gráficas desarrolladas por Ashby2 son muy apropiadas en esta etapa (ver Sec. 8.3). La decisión es determinar si cada concepto de diseño se hará de metal, plástico, cerámica, compuesto, o de madera, y de reducirlo a un grupo de materiales. La precisión de los datos de propiedades necesarios es bastante baja. Tome en cuenta que si se va a realizar una elección innovadora del material debe hacerse en la fase del diseño conceptual porque después en el proceso de diseño ya se habrán tomado muchas decisiones como para permitir un cambio radical. En el nivel de prototipo de diseño el énfasis es en determinar la forma y tamaño aproximado de la pieza utilizando análisis de ingeniería. Ahora el diseñador habrá decidido una clase de materiales y procesos, por ejemplo, un rango de aleaciones de aluminio, forjado y fundido. Las propiedades de los materiales deben conocerse en un alto grado de precisión. En el nivel del diseño paramétrico la decisión se habrá reducido a un solo material y

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1. M. F. Ashby, Met. Mat. Trans., vol. 26ª, pp. 3057-3064, 1995.

2. M. F. Ashby, “Materials Selection in Mechanical Design”, Pergamon Press, 1992.

FIGURA 8.2

Esquema del proceso de diseño, con las herramientas de diseño mostradas a la izquierda y la selección de materiales y procesos a la derecha. Muestra el proceso de reducción utilizado para llegar a la mejor combinación del material y el proceso de fabricación. (M. F. Ashby, Materials, Bicycles, and Design, Met. Mat. Trans., vol. 26ª, p. 3057, 1995.)

a sólo unos pocos procesos de fabricación. Aquí el énfasis será en decidir las tolerancias críticas, la optimización de un diseño robusto (ver Cap. 12) y seleccionar el mejor proceso de fabricación usando ingeniería de calidad y metodologías de costos de modelado. Dependiendo de la importancia de la pieza, las propiedades de los materiales tendrán que conocerse a un alto nivel de precisión. En un extremo esto requiere el desarrollo de una base de datos detallada de un programa de pruebas de materiales extensivo. Así, la selección del material y el proceso es un proceso progresivo de reducción de un largo universo de posibilidades a una selección de material y proceso específicos (Fig. 8.2).

8.12 Criterios Generales para la Selección

Los materiales son seleccionados sobre la premisa de cuatro criterios generales.

Características de desempeño (propiedades)

Características de procesamiento

Perfil ambiental

Consideraciones comerciales

La selección en base a las características de desempeño es el proceso de hacer coincidir los valores de las propiedades del material con los requerimientos y restricciones impuestas por el diseño. La mayor parte de este capítulo trata sobre este asunto.

La selección en base a las características de procesamiento trata sobre hallar el proceso que constituirá el material en la forma requerida con un mínimo de defectos al menor costo. El capítulo 9 es dedicado exclusivamente a este tema.

La selección en base a un perfil ambiental se relaciona con el impacto del material a través de su ciclo de vida en el ambiente. Como se discutió en la Sec. 6.8, las consideraciones ambientales están creciendo de manera importante debido a las presiones por parte de una mayor conciencia del consumidor y de las regulaciones gubernamentales. El diseño para el reciclado es discutido en la Sec. 8.14.

La consideración comercial más importante que afecta la selección de los materiales es el costo de la pieza hecha de ese material. Esto considera tanto el costo de compra del material como el costo de convertirlo en una pieza. Una base más racional para la selección es el costo del ciclo de vida, que incluye el costo de remplazar piezas dañadas y el costo de disponer del material al final de su vida útil. El capítulo 14 discute en detalle la evaluación del costo.

8.2

CARACTERÍSTICAS DE DESEMPEÑO DE LOS MATERIALES

El desempeño o los requerimientos funcionales de un material generalmente es expresado en términos de propiedades físicas, químicas, mecánicas, térmicas o eléctricas. Las propiedades de los materiales son el enlace entre la estructura básica y la composición del material y el desempeño de servicio de la pieza (Fig. 8.3).

Podemos dividir los materiales estructurales de ingeniería en metales, cerámicos y polímeros. Una división adicional conduce a las categorías de elastómeros, vidrios y compuestos. Finalmente, está la clase de tecnología de conducción de materiales semiconductores, electrónicos y magnéticos. Las principales características de los metales, de los cerámicos y de los polímeros están dadas en la Tabla 8.1.

No hace mucho los metales dominaron el diseño mecánico de manera que era posible ignorar otras clases de materiales. Hoy día el rango de materiales disponibles

FIGURA 8.3

Propiedades de los materiales, el enlace entre la estructura y el desempeño.

TABLA 8.1

Características de las propiedades de las clases de materiales

Metales Cerámicos Polímeros

Duros Duros Débiles

Rígidos Rígidos Dóciles

Resistentes Frágiles Duraderos

Conductores de electricidad Aislantes de electricidad Aislantes de electricidad

Alta conductividad térmica Baja conductividad térmica Sensibles a la temperatura

para el ingeniero es más grande y crece rápidamente. Es importante ser conscientes de las oportunidades de innovación y mejora del producto que ofrecen los nuevos materiales.

El objetivo final de la ciencia de materiales es

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