mecatrÓnica viii upiita ipnd-flores.wdfiles.com/local--files/mecatronica-viii/sele... ·...

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



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



• 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



• 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



• 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



• 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



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.



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



• 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)



• 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



• 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



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?



• 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



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.



• 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



• 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



• 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



• 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:



• 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.



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.



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.



• 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.



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



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



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



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:



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.

mecatrÓnica viii upiita ipnd-flores.wdfiles.com/local--files/mecatronica-viii/sele... ·...

Documents