Área de Ingenierías

Ciencia de los Materiales

Sección 78

Proyecto de Diseño

Ing. Vesselina Radeva

Jueves, 01 de octubre de 2015

Jean Carlos Fernández

1057205/13-0311

Introducción

Si bien los materiales, sus tratamientos y características no son conocimientos

datos de esta época, sino que desde siglos atrás se conocen y tratan para poder lograr

cometidos; es visible como en los últimos años esto ha pasado de ser un arte, el cual

pocas familias gozaban de sus conocimientos, a convertirse en una ciencia con

conocimientos precisos de que sucede, por que sucede y todas las posibilidades que se

pueden obtener dependiendo del tratamiento de ciertos elementos.

Las propiedades de un material y el comportamiento del mismo son reflejos de

sus estructuras internas. Por lo tanto, es requerido que los materiales deben ser

seleccionados de manera apropiada de modo que tengan una estructura de átomos,

cristales, enlaces atómicos y otros arreglos internos adecuados para nuestros fines.

En la selección y dimensionamiento se requiere el conocimiento de índices que

califiquen y cuantifiquen cualidades para los materiales en uso. Por lo tanto, un diseño

óptimo de una pieza o máquina, requiere una buena conformación de acuerdo a las

funciones específicas del diseño de nuestro producto.

Para determinar las cualidades y características de la respuesta del material

frente a ciertas especificaciones se realiza por medio de ensayos estandarizados, así se

puede ofrecer características que sean compresibles en cualquier lugar del mundo.

Estos parámetros de respuesta de los materiales a utilizar permiten seleccionarlos ya

sean por magnitudes comparables que permiten dimensionamientos con propiedades

cuantificadas, o también por medio de valores relativos que definen un nivel de

confianza preciso.

Proyecto

1. Fases de Diseño

1.1 Aclaración de las necesidades

Deseamos diseñar los peldaños de una escalera. La escalera

debe ser ligera de manera que pueda transportarse y usarse

con facilidad. Los peldaños de la escalera deben ser de 0.25

pulg x 1 pulg y de un largo de 12 pulg. Diseñe un material, así

como un tratamiento para dichos peldaños.

Las necesidades explicitas son:

Fácil de transportarse

Fácil de usar

Ligera

Resistente frene al peso de una persona promedio

Dúctil

Duro

Resistente a la corrosión

1.2 Diseño conceptual

Nuestro objetivo es encontrar un material y un tratamiento para el mismo que

presente una buena resistencia, suficiente para sostener a una persona. Debe tener una

superficie dura, que evite la penetración o rayado de su superficie. Este debe de ser fácil

de transportar, por lo tanto se busca que sea un material ligero, que haga que sus

peldaños de 3pulg cubicas sean lo suficientemente ligeros como para poder

transportarlos. Por último, este debe de ser un material dúctil, en caso de que una

persona se suba sobre esta escalera, o si se coloca alguna masa o cualquier tipo de

esfuerzo esta se deforme y al retirarle esta fuerza esta regrese a su estado original sin

problemas. Deben de tener una superficie que sea resistente a la corrosión, por lo que

los peldaños de la escalera duren suficiente tiempo y sean difíciles de podrir.

1.3 Diseño de detalle

Existen distintos tipos de metales.

Algunos son bastante duros, otros

tienen puntos de fusiones muy altos,

pero por lo general estos tienden a ser

bastante dúctiles y blandos de

superficie. Para evitar que sean fáciles

de deformar aunque sea de manera

elástica, buscaremos la obtención de

una aleación la cual sea resistente a la

oxidación y que ofrezca una gran

resistencia y sea ligera.

1.4 Manufactura

Para que una escalera aguante es necesario crear una aleación que sea lo

suficientemente resistente. Se utiliza un horno en el cual se deposita el metal base de a

difusión y luego de que se alcanza el punto de fusión del mismo se añaden los dopantes

hasta que se difundan los dos. Luego este líquido se lleva hacia unos moldes donde

estos se enfrían por debajo de la línea de solidos dependiendo de la concentración de

dopantes de la aleación. Luego se utiliza una herramienta de corte para poder seccionar

en distintos tamaños que puedan ser procesados dependiendo del tamaño de los

peldaños a fabricar. Para darle la forma de escalón se utiliza un trabajo en caliente por

medio de un proceso de troquelado, empujado por un ariete mientras se corta

dependiendo del largo del ariete. Luego se enfría en reposo a temperatura ambiente.

2. Actividades

2.1 Establecer y proponer acciones

Para considerar propiedades apropiadas para el diseño de nuestros peldaños

tomaremos en cuenta propiedades que se pueden obtener por distintos ensayos.

Deseamos que esta escalera sea sumamente resistente a la flexión y que su

deformación sea mínima, por lo tanto utilizaremos datos de medidas ergonómicas

mundiales del peso promedio de una persona en América. Además calcularemos

módulos de flexión y de tensión utilizando una carga máxima dada por el dato

previamente mencionado y considerando a la vez un determinado factor de seguridad.

En fin buscaremos aplicar las siguientes propiedades. Para tomar en cuenta la densidad

se buscara algo más bajo que de la competencia, los cuales utilizan como materiales

matrices de aluminio con densidades de 2.7 g/cm^3.

El esfuerzo ingenieril es la relación de la carga

aplicada P con el área transversal del espécimen

A. Al calcular este esfuerzo con la fuerza máxima

que debe de soportar la escalera, asumiremos que

este punto debe de ser nuestro módulo de elasticidad, para evitar cualquier

deformación plástica frente a las cargas aplicadas.

Este esfuerzo calcula la resistencia del material

frente a esfuerzos de flexión sobre su superficie.

De igual manera se utilizara la fuera máxima

para calcular un módulo de flexión. Así

evitaremos que se cause una flexión que de una

sensación de inseguridad cuando cualquier persona se suba sobre los peldaños de la

escalera.

2.2 Recopilación de datos y análisis

Para el diseño de este componente se utilizara peldaños con las siguientes

dimensiones:

Alto h 0.25 pulg

Ancho w 1 pulg

Largo L 12pulg

También considerando el mayor de los pesos promedios de la población estado

unidendese dado por la National Health Statistic Report del 2008, el peso promedio a

garantizar es el de 190.1lb. Por cuestiones de seguridad también se tomara en cuenta

un factor seguridad de un 100%, es decir el doble del peso promedio.

Para estas consideraciones se obtiene que:

Fuerza F (lb) 380.00

Largo L (pulg) 12.00

Ancho W (pulg) 1.00

Alto h (pulg) 0.25

Densidad D (g/cm^3) 4.00

Temperatura de función (C) 0-100

Resistencia a la flexión 109,440.00

Resistencia a la fluencia 31.67

3. Selección de material

Para la selección de

nuestro material utilizamos la

base de datos de CES edupack

granta 2015. Este es un programa

que sirve como base de datos de

materiales de ingeniería y permite

un filtrado de información

bastante eficiente por medio de la

colocación de propiedades mínimas como filtro, para la selección de nuestros materiales

de diseño. Este programa provee herramientas para una selección práctica de

materiales, dando filtros para estos como forma, familia de material, aditivos, etc.

Luego de la búsqueda rigurosa de un material que cumpla con nuestras

especificaciones de ser lo más ligero posible y al mismo tiempo ofrezca una resistencia

excelente a esfuerzos de tensión, flexión y pueda trabajar sin problema frente a

temperaturas criticas de invierno o temperaturas del verano más intenso.

Dentro de las opciones presentes el mejor de todos los materiales fue el acero

inoxidable en forma de panal, 301 (0.085). Este es un acero ferritico común compuesto

de una base de hierro con dopantes como cromo, carbono, manganeso, níquel, fosforo

y azufre. Aun así su estructura de honeycomb (panal de abejas), con celdas hexagonales.

Sus usos típicos van desde materiales para edificaciones que requieran una gran

resistencia hacia ambientes corrosivos hasta aplicaciones como armaduras de barcos,

trenes, o suelos e trenes, etc.

3.1 Perfil de Propiedades

Este acero se encuentra compuesto de diversos materiales en distintas

concentraciones como las presentadas a continuación.

C (carbon) 0 - 0.15 %

Cr (chromium) 16 - 18 %

Fe (iron) 70.8 - 78 %

Mn (manganese) 0 - 2 %

Ni (nickel) 6 - 8 %

P (phosphorus) 0 - 0.45 %

S (sulfur) 0 - 0.03 %

Si (silicon) 0 - 1 %

Este material tiene una muy baja

densidad la cual se encuentre entre 0.003-

0.00312 lb/in3, que representa un 90% de

reducción de peso comprado con las escaleras

convencionales del mercado.

En cuanto a sus propiedades mecánicas,

vemos que están relacionadas con un

comportamiento en la dirección normal a la

superficie de apoyo de los peldaños diseñados

y están dadas por las siguientes propiedades.

Mechanical properties

Young's modulus * 1.83E-05 - 2.75E-05 10^6 psi

Notes

In-plane property

Yield strength (elastic limit) * 7.46E-04 - 1.05E-03 ksi

Notes

In-plane property

Tensile strength * 2.82E-03 - 4.24E-03 ksi

Notes

In-plane property

Compressive modulus * 2.94E-01 - 3.41E-01 10^6 psi

Compressive strength 2.27E-01 - 2.51E-01 ksi

Flexural modulus * 1.83E-05 - 2.75E-05 10^6 psi

Notes

In-plane property

Flexural strength (modulus of rupture) * 7.46E-04 - 1.05E-03 ksi

Notes

In-plane property

Shear modulus 7.70E-02 - 8.51E-02 10^6 psi

Shear strength 1.86E-01 - 2.06E-01 ksi

Poisson's ratio * 4.42E-01 - 4.88E-01

Melting point 1.95E+03 - 2.21E+03 °F

Maximum service temperature 3.22E+02 - 3.54E+02 °F

Minimum service temperature -

2.02E+00 - 1.22E+00 °F

Thermal conductivity 1.09E-01 - 1.21E-01 BTU.ft/hr.ft^2.°F

Specific heat capacity 1.11E-01 - 1.23E-01 BTU/lb.°F

Thermal expansion coefficient 8.76E+00 - 9.68E+00 µstrain/°F

Por añadidura, este material ofrece excelente durabilidad. Estas no fueron

propiedades premeditadas, pero si decisivas a la hora de selección. Estas tienen

excelente respuesta frente a agua normal y salada, acido sebiles, alcalinos fuertes,

solventes orgánicos, procesos de oxidación a alta temperaturas, radiación solar además

de no ser flamable.

3.2 Perfil de proceso

Si bien estos son materiales bastante ligeros y duros, su procesamiento tiende a

ser ciertamente riguroso en algunos casos. Estos materiales pueden pasar por procesos

como cubiertas de resinas, rellenados de celdas por materiales compuestos, cortes por

láser, que sirven si bien para cambiar las dimensiones del Honeycomb, o para

engrandecer sus propiedades.

Estos peldaños deben de ser de un tamaño en específico. Normalmente este

material viene en planchas de mediadas mayores, por lo tanto es necesario la utilización

de un procesó de corte como el que se menciona a continuación.

Band saw (sierra de banda)

Este método utiliza una flexible y fina hoja de corte que se mantiene continuamente dando ciclos alrededor de ruedas de alado. Estas hojas de corte son lo suficientemente delgadas como para doblarse con facilidad alrededor de las ruedas de alado. Es además posible cortar contornos, con un mínimo de curvaturas dependiendo del tamaño de la sección transversal. Además, es necesario el uso de lubricantes aptos para el corte y para el enfriamiento continuo de la hoja de corte.

Esquema del funcionamiento de la

sierra de Banda.

Laser Cutting Esta es una tecnología que utiliza un láser para cortar distintos materiales, utilizado típicamente en las industrias de manufactura, pero con usos posibles en negocio pequeños escuelas y hasta para amateurs. Este funciona al dar una salida de un láser de alta potencia en una dirección específica y comúnmente atravesó de lentes que potenciaban el proceso.

3.3 Perfil ambiental

Es necesario conocer el impacto de un material cuando se piensa utilizar para

alguna aplicación. Sin importar el uso y el sector de aplicación, es necesario tomar en

cuenta el ambiente que le rodea y como el producto podría afectar al usuario mismo

dependiendo del método que se utilice. Por lo tano a continuación hablaremos de las

características y el impacto de este.

Los procesos utilizados para el corte y trabajado del acero inoxidable en forma de

panal no son sumamente invasivos. Si bien pueden representar riesgos al operador si

este no toma en cuenta las medidas de seguridad pertinentes no ha de suceder nada

grave. Aun asi es considerable la contaminación del ruido que producen los procesos de

cadena de corte, aunque este impacto es fácilmente degradable.

Ingeniero utilizando una máquina de laser con

interfaz CNC para cortar acero.

Por otro lado, el proceso de fabricación de estas laminas no es del todo un

proceso libre de contaminación. Para producir una libra de este material es necesario un

mínimo de 70,000.00 BTU, además de producir emisiones de dióxido de carbono

mínimo de 9.52 por cada libra del material producida. Por último, la mención de que

utiliza 3570 pulg^3 de agua para producir la misma libra.

Sim embargo, no todo tiene un tan directo impacto. Aunque este no sea un

materia biodegradable, sino un compuesto meta-estable que tiene un largo tiempo para

poder degradarse, pueden ser utilizadas en procesos de reciclados. Permitiéndoles

alcanzar una fracción de recuperación de un 35.5% hasta un 39.3% dependiendo de la

pureza y condiciones del material rescatado. No es necesaria la combustión para poder

recuperar su energía, ni necesario producir corrosiones para reciclarlo. Aun así, es

necesario de más energía para poder reciclarlos.

4. Conclusión

El uso de una aleación de acero inoxidable en forma de panal es una innovadora y

diferente manera de abordar este diseño. De acuerdo al proceso de selección de

materiales en base a la metodología provista se logró la selección adecuada para el

material adecuado para nuestros peldaños. Este material cuenta con incomparables

propiedades de resistencia, sin sacrificar lo importante de que sea lo suficientemente

ligero. Su variado contenido de dopantes le permite alcanzar temperaturas de trabajo

mucho más alta que las previstas, además de propiedades de resistencia frente a

distintos tipos de ataques, incrementando considerablemente su durabilidad.

Este tipo de aceros inoxidables de aleaciones mayores generalmente exhiben una

resistencia excelente a las temperaturas elevadas junto con una resistencia a la

deformación por movimiento longitudinal y el ataque del medio ambiente. Por lo tanto

se les usa en aplicaciones de la construcción, araduras e barcos y tanques pesados,

rellenados de construcción y hasta en la construcción de pisos para trenes.

Por los motivos ya mencionaos es por lo que la aleación de acero inoxidable 301

(0.085) por su respuesta sumamente considerable frente a las necesidades de nuestros

peldaños para escaleras, dando respuestas sin igual a las esperadas normalmente.

Referencias Askeland, D. R. (s.f.). Ciencia e ingenieria de materiales.

Granta Design. (2015). Stainless steel honeycomb. CES Edupack Granta.

McDowell, M. A. (2008). National Health Statistics Reports. U.S. Department of health and human

services.

Radeva, V. (2011). Manual de Practicas de Ciencai de lo Materiales. Santo Domingo: Instituto

Tecnologico de Santo Domingo.

Wikipedia. (2015). Laser Cutting Process. Obtenido de Process.

ANEXOS

Stainless steel honeycomb, 301 (0.085), L Direction General information Overview Note: Unless otherwise specified, values relate to through-thickness properties. Data applies to all available cell sizes (note, smaller cell sizes will be higher price) Designation Expanded 301 stainless steel honeycomb (hexagonal cell), 0.085 specific gravity. L Direction = properties parallel to honeycomb ribbon direction. Tradenames Plascore SSH, Typical uses High performance core material for structures requiring high resistance to corrosive environments. Bulkheads, train doors and floors

Composition overview Compositional summary Fe/<.15C/16-18Cr/6-8Ni/<2Mn/<1Si/<.045P/<.03S Form Honeycomb Material family Metal (ferrous) Base material Fe (Iron)

Composition detail (metals, ceramics and glasses) C (carbon) 0 - 0.15 % Cr (chromium) 16 - 18 % Fe (iron) 70.8 - 78 % Mn (manganese) 0 - 2 % Ni (nickel) 6 - 8 % P (phosphorus) 0 - 0.45 % S (sulfur) 0 - 0.03 % Si (silicon) 0 - 1 %

Price Price * 18.4 - 30.6 USD/lb

Physical properties Density 0.003 - 0.00312 lb/in^3 Relative density 0.0102 - 0.0112 Cell size 0.5 in Anisotropy ratio 1.71 - 1.89

Mechanical properties Young's modulus * 1.83e-5 - 2.75e-5 10^6 psi

Notes In-plane property

Yield strength (elastic limit) * 7.46e-4 - 0.00105 ksi Notes

In-plane property

Tensile strength * 0.00282 - 0.00424 ksi Notes

In-plane property

Compressive modulus * 0.294 - 0.341 10^6 psi Compressive strength 0.227 - 0.251 ksi Flexural modulus * 1.83e-5 - 2.75e-5 10^6 psi

Notes In-plane property

Flexural strength (modulus of rupture) * 7.46e-4 - 0.00105 ksi Notes

In-plane property

Shear modulus 0.077 - 0.0851 10^6 psi Shear strength 0.186 - 0.206 ksi Poisson's ratio * 0.442 - 0.488

Thermal properties Melting point 1.95e3 - 2.21e3 °F Maximum service temperature 322 - 354 °F Minimum service temperature -2.02 - 1.22 °F Thermal conductivity 0.109 - 0.121 BTU.ft/hr.ft^2.°F Specific heat capacity 0.111 - 0.123 BTU/lb.°F Thermal expansion coefficient 8.76 - 9.68 µstrain/°F

Electrical properties Electrical resistivity 6.04e3 - 7.23e3 µohm.cm Galvanic potential * -0.19 - -0.11 V

Optical properties Transparency Opaque

Magnetic properties Magnetic type Non-magnetic

Absorption & permeability Water absorption @ 24 hrs 0.001 - 0.002 %

Durability Water (fresh) Excellent Water (salt) Excellent Weak acids Excellent Strong acids Acceptable Weak alkalis Excellent Strong alkalis Excellent Organic solvents Excellent Oxidation at 500C Excellent UV radiation (sunlight) Excellent Flammability Non-flammable

Primary production energy, CO2 and water Embodied energy, primary production * 6.96e4 - 7.7e4 BTU/lb CO2 footprint, primary production * 9.52 - 10.5 lb/lb Water usage * 3.57e3 - 3.96e3 in^3/lb

Recycling and end of life Recycle True Embodied energy, recycling * 7.27e3 - 8.04e3 BTU/lb CO2 footprint, recycling * 1.33 - 1.47 lb/lb Recycle fraction in current supply 35.5 - 39.3 % Downcycle True Combust for energy recovery False Landfill True Biodegrade False

Notes Other notes Commercial grade honeycomb.

Links ProcessUniverse Producers Reference Shape Values marked * are estimates. No warranty is given for the accuracy of this data

Band saw General Tradenames Contour band sawing. The process BAND SAWING uses a continuous flexible blade that is cycled in one direction around pulley wheels. The blade has to be sufficiently thin to bend around the pulley wheels. It is possible to cut curved contours, but the minimum curvature depends on the cross-section of the blade. Cutting fluids are used for lubrication and cooling when cutting metals. Process schematic

_ Figure caption A vertical (contour) bandsaw with workpiece in position for cut.

Shape Flat sheet True

Physical attributes Mass range 0.022 - 110 lb Range of section thickness 0.118 - 0.787 in Tolerance 0.00984 - 0.118 in Roughness 0.197 - 1.77 mil Cutting speed 0.0197 - 0.276 in/s Minimum cut width 0.0315 - 0.118 in

Process characteristics Secondary shaping processes True Machining processes True Cutting processes True Prototyping True Discrete True Continuous True

Economic attributes Economic batch size (units) 1 - 1e4

Relative equipment cost medium Relative tooling cost low Labor intensity medium

Cost modeling Relative cost index (per unit) Out Of Range USD Parameters: Material Cost = 4.54USD/lb, Component Mass = 2.2lb, Batch Size = 1e3, Component Length = 3.28ft, Overhead Rate = 110USD/hr, Capital Write-off Time = 5yrs, Load Factor = 0.5

_

Supporting information Design guidelines Curved profiles can be cut, but the minimum radius depends on the width of the blade. Internal contours made by welding the ends of the blade together after it has been passed through a hole in the workpiece. Technical notes There are three main tooth forms for blades: regular (contour cutting), skip (deep cuts in soft metals) and hook (fast cutting rates). Pitch is defined as the number of teeth/inch. There must be at least two teeth for the thickness of the workpiece (three is preferable). Thicknesses of saw blades (gage) are standardized: 0.64mm, 0.81mm, 1.1mm, 1.3mm and 1.6mm. Saw teeth are offset to provide clearance for the back of the band. Bands are made of carbon steel or are bimetallic (high-speed steel) cutting edges electron beam welded to a steel back. Teeth can be hardened, or tipped with tungsten carbide, alumina or diamond. Typical uses Band sawing is widely used for stock cutting and profile cutting of metal, plastic and wood. The economics Wear is evenly distributed over the entire blade, making blade changes less frequent. Simple fixtures are required as the downward force of the blade holds the workpiece to the table. The environment Can be extremely noisy. Ear protection should be worn for extended operation.

Links MaterialUniverse Reference Shape No warranty is given for the accuracy of this data