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MECATRÓNICA VIII UPIITA ‐ IPNSELECCIÓN DE MATERIALES Y PROCESOS OCTUBRE 2012MECATRÓNICA VIII UPIITA ‐ IPNSELECCIÓN DE MATERIALES Y PROCESOS OCTUBRE 2012
M. EN I. DIEGO A. FLORES HERNÁNDEZM. EN I. DIEGO A. FLORES HERNÁNDEZ 1
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DISEÑO Condiciones de Funcionamiento
Funcionalidad ‐ Costo
DISEÑO Condiciones de Funcionamiento
Funcionalidad ‐ Costo
MANUFACTURASelección de Maquinaria –Procesos influye en Costos
MANUFACTURASelección de Maquinaria –Procesos influye en Costos
MATERIALESPropiedades
Disponibilidad Costo
MATERIALESPropiedades
Disponibilidad Costo
• Material Incorrecto = FALLA y COSTO innecesario• Incremento Costo de Manufactura• Incremento tiempo de Manufactura• Cambio de propiedades del material – cambio de procesos de manufactura• Afecciones en el rendimiento
• La selección debe ir paralela al proceso de Diseño• Diseño Conceptual – Universo de Materiales (Ciertas Restricciones)• Etapa de Realización – Posibles Materiales • Diseño Detallado – UN SOLO MATERIAL
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• Nuevo Producto o Diseño• Evaluación Producto o Diseño Existente
• Incremento de Rentabilidad – Confiabilidad – Rendimiento • Materiales Alternativos• Rutas de Manufactura• Reducción de Costos
HERRAMIENTAS DE DISEÑO
Sintetizar Funciones
Modelar Funciones
Virtualización (CAD)
Simulación
Métodos de Optimización
Modelado (FEM)
DFM/DFA
MÉTODOS DE DISEÑO
Requerimientos
Estructural
Layout – Diseño Esquemático
OptimizaciónFormas
Optimización Manufactura
Diseño Conceptual
EP
Diseño Detallado
Necesidad del Mercado
Producto
SELECCIÓN MATERIALES
Todos los Materiales: Propiedades Generales
Clases de Materiales: Propiedades Particulares
Un Solo Material:
Propiedades Particulares
SELECCIÓN PROCESOS
Todos los Procesos:
Características Generales
Clases de Procesos:
Características Particulares
Un Solo Proceso:
Características Particulares
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• Proceso Selección para un Nuevo Producto o Diseño
1. Definir las funciones para que cumpla el rendimiento• Traducirlas en propiedades de los materiales• Costo del Material y Disponibilidad
2. Definir los requerimientos de Manufactura• Parámetros como: cantidad de piezas, tamaño, complejidad, tolerancia, acabado, etc.
3. Comparar las características en Bases de Datos• Buscar propiedades que marquen un límite superior o inferior• Preguntar: Este material cumple las características del diseño?
4. Investigar a los candidatos• Más detalles de los materiales, marcas, costos, fabricación, procesado .• Verificar la disponibilidad en presentaciones, tamaño, ventas.• Aplicar matrices de Decisión.
5. Pruebas y estándares• En ocasiones es necesario validar el material definiendo ciertas pruebas• Apoyarse en ASTM, ANSI, SAE y MIL
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• Proceso de Sustitución para un Producto o Diseño Existente:
1. Definir las funciones para que cumpla el rendimiento
2. Definir qué características son importantes para el funcionamiento• Características por mejorar• Verificar reportes de fallas – piezas críticas
3. Buscar materiales alternativos y/o rutas de manufactura• Buscar propiedades que marquen un límite superior o inferior• Necesita cumplir al menos las características del material anterior
4. Lista de materiales• Analizar y estimar los costos de las partes • Aplicar herramientas como la “Ingeniería del Valor”
5. Evaluación• Recomendaciones para la sustitución del material• Definir las características críticas del material
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• Función• Define la elección del material y la forma
• Procesos• Influenciado por el material• Conformado, maquinabilidad, soldabilidad, tratamientos térmicos, etc.• Determina la forma, el tamaño, la precisión y el costo
• Transmisión de Cargas,temperatura…
• Contenedor de presión…• Almacenamiento
energía…• Mínima masa, costo,
impacto ambiental…
FUNCIÓN
PROCESOS
FORMAMATERIAL
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Sus propiedades ydeslizamientos dependen dela temperatura. No serequieren operaciones deacabado y son de costoreducido.
Son las combinaciones de al menos dosmateriales de diferentes clasificaciones.
Módulos relativamente altos, sondeformables, incrementan su resistenciamediante las aleaciones y los tratamientostérmicos y mecánicos. El material cedeantes de la fractura.
Módulos altos, pero sonquebradizos (frágiles),presentando prácticamenteuna ductilidad nula.Los cerámicos son rígidos,duros y resistentes a laabrasión‐corrosión y altastemperaturas.
Son solidos no cristalinos,eliminando la plasticidad delmaterial. Cuentan con lasprácticamente las mismaspropiedades que los cerámicos.
Largas cadenas poliméricas porencima de la temperatura detransición vítrea. Los enlacescovalentes se mantiene casiintactos. Extensión elástica muyalta.
Módulos relativamente bajos,aproximadamente 50 veces menores a losmetales; por lo tanto, las deflexiones elásticasson grandes.
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MECÁNICAS
PROPIEDADES
ESFUERZO DE CEDENCIA
ULTIMO ESFUERZO
DUREZA
ESFUERZO DE COMPRESIÓN
ESFUERZO DE FALLA
ELONGACIÓN
TENACIDAD
MODULO ELÁSTICO
TÉRMICAS
PROPIEDADES
PUNTO DE FUSIÓN
TEMPERATURA VÍTREA
TEMPERATURA MÁXIMA DE SERVICIO
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
CALOR ESPECÍFICO
COEFICIENTE EXPANSIÓN TÉRMICA
RESISTENCIA AL CHOQUE TÉRMICO
ELÉCTRICAS
PROPIEDADES
RESISTENCIA ELÉCTRICA
CONSTANTE DIELÉCTRICA
FACTOR DE POTENCIA
RUPTURA DE POTENCIAL
AMBIENTALES
PROPIEDADES
RANGO DE OXIDACIÓN
RANGO DE CORROSIÓN
CONSTANTE DE DESCOMPOSICIÓN
COEFICIENTE ENERGÉTICO DE EXTRACCIÓN
CO2 DE EXTRACCIÓN
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• Gráficas con una sola propiedad• Cada barra representa un solo material (grupo)• El largo representa el rango de la propiedad
para ese material
• Los materiales se agrupan por clases• Cada clase representa el rango de
características
Ashby Michael F.Materials Selection in Mechanical Design. Italy: Elselvier, 2005. (Chapter 4)
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• Gráficas con una varias propiedades• Se grafica una propiedad con respecto a otra• El rango de los ejes se incluye de tal forma que
involucre a todos los materiales
• Involucra parámetros de optimización, denominados índices del material
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• El objetivo es• Identificar el perfil deseado de atributos y• Compararlo con la gama de materiales de
ingeniería para encontrar el más adecuado
• Atributos de los materiales• Identificar el perfil deseado de atributos y• Compararlo con la gama de materiales de
ingeniería para encontrar el más adecuado
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UNIVERSO MATERIALES
TRADUCCIÓN REQUERIMIENTOS DE DISEÑO
LÍMITE DE ATRIBUTOS, BASADO EN RESTRICCIONES
ÍNDICE DE LOS MATERIALES BASADO EN OBJETIVOS
MATERIAL FINAL
INFORMACIÓN DE RESPALDO
1. TRADUCCIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS Y NECESIDADES DE DISEÑO (PDS)
• Todos los elementos por diseñar deben cumplir una FUNCIÓN por el cual son diseñados. Todos los componentes cuentan con al menos una función por cumplir.
e.g. soportar cierta carga, almacenar energía, transmitir temperatura, aislar térmicamente, contener presiones internas/externas, etc.
Qué es lo que debe hacer el componente?
• Para lograrlo debe limitarse a diferentes RESTRICCIONES, algunas libres de modificación y otras no.
e.g. dimensiones restringidas, aislamientos eléctricos –térmicos, presiones sin llegar a la falla, aislante o conductor, rangos de temperatura de operación, etc.
Qué condiciones debe cumplir que no puedan cambiarse?Qué condiciones son deseables pero si pueden cambiar?
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• Como diseñadores, debe de existir un OBJETIVO de diseño en cada elemento, criterios de optimización:
e.g. lo más pequeño posible, más liviano, más seguro, combinación de algunos, etc.
Qué debe ser maximizado o minimizado?
• De acuerdo a las restricciones, el diseñador es libre de modificar ciertas características del diseño, denominadas VARIABLES LIBRES.
e.g. dimensiones, sección transversal, acabado, etc.
Qué parámetros del problema el diseñador es libre de modificar?
2. DELIMITAR LÍMITE DE ATRIBUTOS (Características del Material)
• De acuerdo a las características y restricciones del dispositivo pueden eliminarse candidatos que no puedan realizar el trabajo, ya que al menos uno de sus atributos no cumple los límites definidos.
e.g. el componente debe funcionar en agua hirviendo, el componente debe ser transparente, cumplir la norma higiénica, cierto periodo de degradación, cantidad de emisiones de CO2, etc.
Funcionamiento en Agua HirviendoDebe ser transparente
REQUERIMIENTOS LÍMITE DE ATRIBUTOS
Máxima temperatura de servicioTransparencia óptica
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3. ÍNDICE DE LOS MATERIALES
• Una vez eliminados los materiales que no cumplen los limites de los atributos, se requieren criterios de optimización, se encuentran en el Índice de Material (grupo de propiedades que incrementan el rendimiento).
• Determinan que tan bien los candidatos restantes cumplen la función y el objetivo.
• El rendimiento puede determinarse con una sola propiedad, sin embargo, es mejor combinar algunas propiedades.
e.g. los mejores materiales para la flotabilidad son los materiales menos densos; para el mejor aislamiento térmico los que presentan valores pequeños en la conductividad térmica.
4. INFORMACIÓN DE RESPALDO
• Esta información complementa las propiedades de los materiales, es información que permite identificar las debilidades y fortalezas del material.
e.g. casos de estudio de usos previos con el material, disponibilidad en presentaciones y tiempo, costo del material, impacto ambiental, periodo de degradación, etc.
• Una vez que se tengan estas características, se definen los criterios de selección y se aplican técnicas como tablas de toma de decisión. Inclusive puede aplicarse no solo a los materiales, sino a los proveedores.
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• Los Objetivos definen los Índices del material• Cuando los objetivos no están relacionados con una restricción, el Índice es una sola propiedad.
• E.g. Disipadores Térmicos para Microchips
• La potencia se disipa en un volumen muy pequeño.• Los chips alcanzan 85°C de temperatura, es necesario
enfriarlos.
Cómo se puede incrementar‐maximizar el rendimiento?
• Para prevenir el acoplamiento eléctrico y la capacitancia entre el chip y el disipador, este debe ser un buen aislante, con alta resistividad.
Función Disipador térmico
Restricciones • El material debe ser un “buen aislante”, o tener una resistividad e 10 19 .cm• Todas las dimensiones del disipador están restringidas (definidas)
Objetivos Maximizar la conductividad térmica,
Variables libres Elección del material
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• Se emplea la gráfica que representa la Conductividad Térmica Vs. Resistividad Eléctrica• Se dibuja la línea vertical que representa el valor mínimo de la Resistividad, y la línea horizontal que se
agrupa la mayor cantidad de materiales con el mayor valor de conductividad térmica.• Entonces, los posibles materiales serán:
• Nitruro de Aluminio AlN, Alúmina y Oxido de Aluminio Al2O3
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• Índice de Material combinación de propiedades
• Las cargas en lo elementos mecánicos, comúnmente se pueden descomponer en una combinación de:
• Tensión Axial• Deformación• Torsión• Compresión
Entonces podemos definir la función del elemento mecánico como:
• Tirante = Tensión• Viga = Deformación• Ejes = Torsión • Columnas = Compresión
• Índice de Material para Tirantes livianos
Función Tirante
Restricciones • La longitud L se encuentra definida.• El tirante debe soportar la carga de tensión axial F sin fallar
Objetivos Minimizar la masa m del tirante
Variables libres • Sección transversal, área A• Elección del material
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• Se determina una expresión que involucre la cantidad que e desea maximizar o minimizar, se denomina como función objetivo:
m = AL … (1)
Donde: A es el área de la sección transversal es la densidad del materialL es la longitud del tirante
• Se puede reducir el peso reduciendo la sección transversal, pero debe resistir la carga, por lo tanto:
… (2)
Donde: F es la carga aplicadaes el esfuerzo de falla
• Despejando y sustituyendo tenemos:
Entonces invirtiendo la expresión, obtenemos el índice del material como:
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• Rendimiento
• El rendimiento de los elementos estructurales se determina por tres componentes: los requerimientos funcionales, los parámetros geométricos y las propiedades de los materiales (índice del material).
, , á
é , , , , ,
• La función puede separarse como:
∙ ∙
• Entonces el grupo de materiales óptimos para la aplicación se pueden obtener conociendo todos los elementos de la función F y G.
• El rendimiento para todos los F y G se maximiza maximizando M, denominado como el coeficiente de eficiencia o el índice del material;donde F y G se denomina como el coeficiente de eficiencia estructural o índice estructural.
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DESCRIPCIÓN
Definir los requerimientos de diseño:(a) Función: Qué es lo que el componente debe hacer?(b) Restricción: requerimientos esenciales que deben considerarse: rigidez, resistencia a la corrosión,
resistencia…(c) Objetivo: Qué se pretende maximizar o minimizar?(d) Variables libres: Qué variables son modificables en el diseño?
Lista de las restricciones (no cedencia, no fractura, no pandeo, etc.), si es necesario determinar una expresión matemática de las restricciones.
Desarrollar una expresión matemática para los objetivos en términos de los requerimientos funcionales, la geometría y las propiedades de los materiales. (Función Objetivo)
Identificar las variables libres no especificadas.
Sustituir las variables libres de las expresiones de restricción en la función objetivo.
Agrupar las variables Requerimientos funcionales F, Geometría G y Propiedades de los materiales M, tal que:R ≤ f1(F) ∙ f2(G) ∙ f3(M) R ≥ f1(F) ∙ f2(G) ∙ f3(M)
Interpretar el índice del material, expresado como la cantidad f3(M) para optimizar el rendimiento.
1. Traducción: se traducen las características y necesidades de la aplicación en requerimientos y rendimiento del material.
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2. Delimitar Atributos: Todo diseño cuenta con restricciones referentes al material. • Se determinan los límites obtenidos por los atributos.• La región de búsqueda se define por los límites.• Se eliminan los materiales que no cumplan los límites definidos.
3. Índice de Material: en las gráficas se proyectan las líneas que representan los índices del material, se denominan como: guías de selección.
• Generan las pendientes para la selección.
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• Entonces , el material que se encuentre con M=1.0 tendrá diez veces el peso de un material con M=0.1
• El conjunto de materiales con los valores adecuados de índice serán:
• Se genere la guía de selección para generar la zona de búsqueda,• Y que contenga un número pequeño de candidatos. La lista se incrementará o reducirá desplazando la
guía de selección.
• Se pueden incluir líneas de atributos que reduzcan la cantidad de materiales.
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4. Información de Respaldo: Ya con la lista reducida de materiales, es explorar estos materiales de forma detallada y profunda.
• Estas restricciones comúnmente no se pueden expresar como simples atributos.• Información encontrada en:
• Handbooks• Información de los fabricantes• Internet
• Aplicar TABLAS DE TOMA DE DECISIÓN para determinar el material más adecuado, así como bases de datos. Algunos criterios de selección:
• Costo del material• Disponibilidad del material en cuanto tiempo de entrega• Forma del material• Maquinabilidad• Procesos de manufactura y
transformación
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DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
• Antecedente: 3,000 – 3,300 AC Egipto• Anterior a motores de combustión:
• Poleas• Velas• Remos
• Origen competencias: río Támesis en Londres – 1716 DC• Olimpiadas – diseño sofisticado para incrementar rendimiento• Selección materiales para remos de competencia
MODELO• Vigas analizadas en flexión• Soportar cargas ocasionadas por la fuerza y el
desplazamiento del agua• El momento flexionante debe tener la suficiente
rigidez para lograr el impulso• Lo más liviano posible
RESTRICCIONES• Carga aplicada en el extremo: 10 kg• Longitud: 2.05 metros desde el collar
• Deformación admisible remo liviano: 50 mm• Deformación admisible remo duro: 30 mm
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Índice de Material para una Viga Rígida
• Viga de sección transversal cuadrada expresada como b x b de longitud L • Rigidez denotada por S • No debe flexionarse esa viga más de δ con una fuerza aplicada F
FUNCIÓN Viga
RESTRICCIONESLa longitud L esta especificada
La viga debe soportar la carga de flexión F son deformarse demasiado, la rigidez S esta especificada
OBJETIVO Minimizar la masa de la viga
VARIABLESLIBRES
Sección transversal ASelección de material
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La rigidez de una viga queda definida por la expresión:
Donde E es el Módulo de elasticidad, C1 es la constante que depende de la distribución de la carga e I es elsecundo momento de inercia de la sección transversal, definido para una sección cuadrada como:
La rigidez S y la longitud L se encuentran definidas, mientras que la sección transversal A es libre para eldiseñador. Se puede reducir la masa de la viga si se reduce la sección transversal A, considerando que:
Relacionando las expresiones anteriores, podemos definir los valores mínimos para la masa de una viga como:
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MATERIAL DESCRIPCIÓN
Maderas Económico, convencional, pero variaciones en la estructura del material.
CFRP Tan bueno como la madera, más liviano y mejor control en las propiedades.
Cerámicos Alto costo, baja tenacidad y posibilidad de fractura.