Descripción de la metodología para selección de materiales para el diseño y desarrollo de productos

1. El problema del
diseño y selección
de materiales
Alberto Rossa Sierra, Dr. Ing.
Francisco J. González Madariaga, Dr. Ing.
Laboratorio de Innovación Tecnológica para el Diseño

2. Aplicación: se
debe cumplir unas
funciones
específicas
¿Qué material cumple
dichas funciones y de
todos aquellos que las
cumplen cuál es el óptimo?
A este proceso se le llama diseño y selección de materiales y existen
metodologías específicas para poder realizar la selección de forma sistemática.

3. Principal dificultad
El número de materiales disponibles
es enorme; metales, cerámicas,
plásticos y compuestos conforman
un vasto menú (entre 50.000 y
100.000 materiales) que están a
disposición de las personas que
diseñan objetos e instrumentos.

4. Necesidad del mercado
Diseño inicial
Definición general
Análisis inicial de cada
componente
Diseño Detallado. Análisis
detallado de componentes
Especificaciones de
producto. Prototipo
Ɣ Definir especificaciones
Ɣ Determinar las funciones del sistema
Ɣ Definir el principio de funcionamiento
Ɣ Definir componentes y requerimientos
científico-tecnológicos, económicos y
sociales de cada uno de ellos
Ɣ Modelar y analizar cada componente
Ɣ Seleccionar los materiales de cada
componente que cumplen los
requerimientos definidos previamente
Ɣ Modelar y analizar las ligaduras
Ɣ Analizar los componentes en detalle
Ɣ Seleccionar proceso de fabricación
Ɣ Optimizar prestaciones y costo
Ɣ Especificar planos de diseño
Ɣ Fabricación de un prototipo
Ɣ Verificación de si el prototipo cumple las
especificaciones definidas inicialmente
ƔEn caso afirmativo, definir proceso
de producción
ƔEn caso negativo volver a las
etapas anteriores y modificar el diseño o
la selección de materiales
Diagrama de bloques del proceso de diseño
Parte Parte fundamental
fundamental proceso del proceso
y es la que analizar en este

5. Propiedades generales de los diferentes tipos de materiales
Propiedades generales de los diferentes tipos de materiales
Materiales Puntos Fuertes Debilidades
Ɣ Dificultad de moldeo
Ɣ Elevado costo
Ɣ Elevada fluencia (matrices poliméricas)
Ɣ Rigidez (E>50 GPa)
Ɣ Resistencia mecánica (Vf§ 200 MPa)
Ɣ Tenacidad (KIC>50 MPa m1/2)
Ɣ Resistencia a la fatiga
Ɣ Resistencia a la corrosión
Ɣ Baja densidad
Materiales
compuestos
Ɣ Baja rigidez (E§2 GPa)
Ɣ Elevada Fluencia (Vf§ 2-100 MPa)
Ɣ Baja temperatura de transición vítrea (Tg§100ºC) Ÿ
fluyen a baja temperatura
Ɣ Tenacidad media (KIC§1 MPa m1/2)
Ɣ Ductilidad y moldeabilidad
Ɣ Resistencia a la corrosión
Ɣ Baja densidad
Ɣ Bajas conductividades eléctricas y térmicas
Polímeros
Ɣ Muy baja tenacidad (KIC§2 MPa m1/2)
Ɣ Baja resistencia al choque térmico ('T§200ºC)
Ɣ Dificultad de moldeoŸ métodos de polvo
Ɣ Rigidez (E§200 GPa)
Ɣ Elevada resistencia a la fluencia y duras(Vf§ 3
GPa)
ƔElevado punto de fusión (Tm§2000ºC)
Ɣ Densidad moderada
Ɣ Resistencia a la corrosión
Cerámicas
Ɣ Se deforman plásticamente(Vf§ 1MPa) Ÿ
Aleaciones
Ɣ Baja dureza (H§ 3Vf) Ÿ Aleaciones
ƔBaja resistencia a la fatiga (Ve§ 1/2Vf)
ƔElevada resistencia a la corrosiónŸ recubrimientos
Ɣ Rigidez (E§100 GPa)
Ɣ Ductilidad Ÿ Moldeabilidad
Ɣ Tenacidad (KIC>50 MPa m1/2)
Ɣ Elevado punto de fusión (Tm§1000ºC)
Ɣ Elevada resistencia al choque térmico
('T§500ºC)
Ɣ Elevadas conductividades eléctricas y térmicas.
Metales
De esta variada carta de la que debemos seleccionar el material idóneo.
Esta es la variada carta de la que deberemos seleccionar el material idóneo.

6. El proceso consta de tres etapas:
Definición de requerimientos para
la aplicación considerada
Cálculo del índice o índices del material
para la aplicación
Selección del material usando el índice de
material y los mapas de selección de
materiales
123

7. Requerimientos
Requerimientos científico-tecnológicos.
Requerimientos específicos debe cumplir el material: Cargas,
temperaturas, condiciones atmosféricas, conductividades térmica y
eléctricas requeridas, aspecto superficial, etc.
Requerimientos económicos: Coste por unidad de peso o volumen,
su importancia depende del sector en el que esté. Se debe tener en
cuenta coste de la materia prima, del proceso de fabricación y del
transporte
Requerimientos socio-ecológicos: Aspectos medioambientales,
seguridad, normativa específica, reciclabilidad, biodegradabilidad, etc.
1

8. Índice de material para una barra, rígida ligera
Índice de material para una barra, rígida y ligera. 2
Requerimientos científico-tecnológicos de diseño para una barra ligera.
Barra sometida a esfuerzos en flexión.
Debe soportar una carga F en flexión deformándose menos de un cierto valor
Se debe minimizar la masa
La longitud (l) de la barra está especificada
carga F
longitud l
Sección
A
l
Barra cargada en flexión

9. La rigidez (RI) de una barra de sección cuadrada cargada en flexión es:
C EA
3
2
1
12l
RI (9.1)
donde E es el módulo de Young y C1 es una constante que depende de la distribución de la
carga a lo largo de la barra. En la ecuación previa la rigidez RI y la longitud l son fijas por lo que
el único parámetro libre es la sección A.
Una de las ligaduras impone que F/ sea mayor que la rigidez de la barra. Se tiene por
tanto.
F
C EA (9.2)
3
2
1
12l
Por otra parte la masa de la barra es:
m Al (9.3)
Despejando de esta última ecuación el parámetro libre A y sustituyéndolo en la
ecuación previa se obtiene.
m RI
(9.4)
1 2
3
2
1
1
12
E /
l
C l
donde se han agrupado por una parte los términos que dependen de los requerimientos de la
aplicación (RI, l, C1) y por otra aquellos propios del material ( y E). Es obvio que los mejores
materiales para una barra rígida y ligera son aquellos con un valor máximo del cociente (E1/2/)
que será el índice de material (M) para esta aplicación:
E1/ 2 M (9.5)
Se debe maximizar
ya que de este modo se minimiza la masa del sistema, asegurando a su vez una rigidez mayor
que la que específica el diseño.
debe
maximizar este
índice
combinación de
propiedades)
éste índice

10. Índice de material para un aislante térmico 2
2. Índice de material para un aislante térmico de bajo coste
Requerimientos científico-tecnológicos y económicos de diseño para un aislante térmico barato
Material aislante con forma de paralelepípedo de sección A y espesor h.
Se debe lograr que el flujo de calor Q a través del material sea inferior a un valor
determinado Qcri.
Se supone que la sección del material A está especificada
Régimen estacionario.
Se debe minimizar el costo
foco caliente
temperatura
T1
foco frío
temperatura
T2
Material
aislante
Material para aislamiento térmico

11. El costo del aislante térmico vendrá dado por la ecuación:
C AhCm (9.6)
donde Cm es el costo por unidad de masa del material procesado en forma de paralelepípedo,
A es la sección, h el espesor y la densidad
El flujo de calor a través del material Q se puede obtener a partir de la ley de Fourier.
T T
Q 2 1
(9.7)
h
que ha de establecerse para condiciones que no superen el valor crítico QQcri
Despejando de la ecuación 9.7 el parámetro libre h y sustituyendo en 9.6 se obtiene:
1 2 (9.8)
m
T T
C cri
A C
Q

12. por lo que para minimizar el costo del material se deberá maximizar el índice M de material
1 (9.9)
Cm
M
Se debe maximizar
éste índice (que es de nuevo la
combinación de
varias características
del material)
Se debe maximizar este índice (que es de nuevo una

13. Ejemplos de índice de materiales
Ejemplo de índices de materiales (determinados usando procedimientos
análogos a los de los ejemplos previos).
Requerimientos Índice
Barra, Mínimo peso, rigidez especificada
E1/ 2
Barra, peso mínimo, resistencia especificada
2/ 3
f
Barra, costo mínimo, rigidez especificada
/
C
E1 2
m
Barra, costo mínimo, resistencia especificada
2 3
/
f
C
m
Columna, costo mínimo, resistencia al pandeo especificada.
/
C
E1 2
m
Aislamiento térmico, costo mínimo, flujo de calor especificado.
1
Cm
densidad, E módulo de Young, f esfuerzo de fluencia, Cm costo por kilogramo, conductividad térmica

14. Mapas de selección de materiales
3. Mapas de selección de materiales 3
El mapa módulo de Young versus densidad
0.1 0.3 1.0 3.0 10 30
Densidad / gr.cm-3
1000
100
10
R=R2
1.0
0.1
0.01
Plásticos
Elastómeros
Espumas
Poliméricas
Aleaciones
Metálicas
Materiales
Compuestos
Cerámicas
avanzadas
Cerámicas
tradicionales
E /
GPa
R=R1
Se trata de un esquema gráfico que permite condensar gran cantidad de información en una forma accesible sencilla y que además permite establecer correlaciones propiedades
Los datos que aparecen representados para los distintos
tipos de materiales elegidos, ocupan espacios separados el diagrama.
Si se escogen los ejes y las escalas de la figura en manera
adecuada, se puede utilizar el diagrama para obtener
R E log E log log R
información adicional:
Así, fijado un valor para la rigidez específica R=R1 o R=R2, esta
ecuación representa en el mapa una línea recta de pendiente ordenada en el origen log R1 o log R2. Es decir todos los materiales
que son tocados por la recta tienen la misma rigidez
Módulo de Young vs. densidad
Se trata de un esquema gráfico que permite
condensar una gran cantidad de información en una
forma accesible y sencilla y que además permite
establecer correlaciones entre propiedades.
Los datos que aparecen representados para los
distintos tipos de materiales elegidos, ocupan
espacios separados en el diagrama.
Si se escogen los ejes y las escalas de la figura en
manera adecuada, se puede utilizar el diagrama
para obtener información adicional.
Así, fijado un valor para la rigidez específica R=R1 o
R=R2, esta ecuación representa en el mapa una
línea recta de pendiente 1 y ordenada en el origen
log R1 o log R2. Es decir todos los materiales
que son tocados por la recta tienen la misma
Densidad (gr/cm3) rigidez.
E (GPa)

15. 1. El módulo de Young de los materiales abarca cinco
niveles, desde 0.01 GPa para espumas de baja
densidad, hasta 1000 GPa para el diamante. La
densidad por su parte se abarca un factor de
aproximadamente 200, desde 0.1 hasta 20 gr/cm3.
Es también significativo la tendencia general de aumento
del módulo de Young cuando crece la densidad del
material
2. Cada clase de materiales (por ejemplo los polietilenos
de baja densidad (LDPE), los aceros, las aleaciones de
aluminio), ocupa una cierta región en el diagrama. Esto
se debe a que estos materiales deben clasificarse como
“familias” de materiales.
3. En general las regiones que ocupa cada tipo de
material son elipses con su eje mayor en la dirección del
módulo de Young, lo que indica que dentro de una
familia de materiales, ésta propiedad puede ser variada
en mayor grado que la densidad (eje menor de la elipse)
que es menos variable.
4. En cuanto a los valores numéricos, cabe destacar que
los materiales compuestos reforzados con fibras de
vidrio (CRFV) y con fibras de carbono (CRFC) tienen
módulos de Young del mismo orden que muchas de las
aleaciones metálicas. Las cerámicas son los materiales
más rígidos, siendo las espumas poliméricas los
materiales de menor rigidez
5. Las maderas presentan dos elipses cada una de ellas
asociada a la dirección en la cual se realiza el ensayo
mecánico
El mapa módulo de Young versus densidad (más detallado)
HDPE
Aleaciones
Aleaciones
de Cu
0.1 0.3 1.0 3.0 10 30
Densidad gr/cm3
1000
100
10
1.0
0.1
0.01
Plásticos
Elastómeros
Espumas
Poliméricas
Aleaciones
Metálicas
Materiales
Compuestos
(CRFC, CRFV)
Cerámicas
avanzadas
Cerámicas
tradicionales
E / GPa
LDPE
PVC
plastificado
PP
PVC
Diamante
SiC
B ZrO2 Aceros
Aleaciones
de Al
Aleaciones
de Pb
de Ti
Cemento,
hormigón
Vidrios
Maderas
1. El módulo de Young de los materiales se expande cinco desde 0.01 GPa para espumas de baja densidad, hasta 1000 diamante. La densidad por su parte se expande en un factor aproximadamente 200, desde 0.1 hasta 20 gr/cm3. Es también la tendencia general de aumento del módulo de Young cuando densidad del material
2. Cada clase de materiales (por ejemplo los polietilenos de densidad (LDPE), los aceros, las aleaciones de aluminio), cierta región en el diagrama. Esto se debe a que estos materiales clasificarse como “familias” de materiales.
3. En general las regiones que ocupa cada tipo de material con su eje mayor en la dirección del módulo de Young, lo dentro de una familia de materiales, ésta propiedad puede mayor grado que la densidad (eje menor de la elipse) que variable.
4. En cuanto a los valores numéricos, cabe destacar que los compuestos reforzados con fibras de vidrio (CRFV) y con carbono (CRFC) tienen módulos de Young del mismo orden de las aleaciones metálicas. Las cerámicas son los materiales rígidos, siendo las espumas poliméricas los materiales de 5. Las maderas presentan dos elipses cada una de ellas asociada dirección en la cual se realiza el ensayo mecánico
Densidad (gr/cm3)
E (GPa)
Módulo de Young vs. densidad

16. El mapa expansión térmica () versus conductividad térmica Expansión térmica (α) vs. conductividad térmica (λ)
LDPE
0.01 0.1 1.0 10 100 1000
/ W.m-1.K-1
10000
0.1
Plásticos
Elastómeros
Espumas
Poliméricas
Aleaciones
Metálicas
Materiales
Compuestos
(CRFC, CRFV)
Cerámicas
avanzadas
Cerámicas
tradicionales
HDPE
PP
PVC
Diamante
SiC
ZrO2
Aceros
Aleaciones
de Al
Aleaciones
de Mg Aleaciones
de Cu
Aleaciones
de Ti
Cemento,
hormigón
vidrios
1000
100
10
1
/ 10-6 K-1
1. sitúa 2. aumento reducción 3. aproximadamente veces compuestos, matrices térmica 4. que mayor cerámicas, aislantes capacidad 1. Al igual que en el mapa previo cada familia de
materiales se sitúa en regiones concretas del
mapa.
2. Existe una correlación entre ambas magnitudes,
según la cual un aumento en la conductividad
térmica está en general, ligado a una reducción en
el coeficiente de expansión.
3. Los polímeros presentan expansiones térmicas
aproximadamente 10 veces mayores que las de
los metales y 100 veces superiores a las de las
cerámicas. Los materiales compuestos, aunque
en muchos casos se fabriquen a partir de matrices
poliméricas, pueden tener valores bajos de la
expansión térmica debido al pequeño coeficiente
de expansión del refuerzo.
4. En cuanto a los valores de la conductividad
térmica se observa que se expanden a lo largo de
cinco niveles. Los materiales de mayor
conductividad son en general los metales, seguido
de las cerámicas, materiales compuestos y
polímeros. Los mejores aislantes térmicos son los
materiales porosos, en los que la capacidad
aislante se debe al gas contenido en sus celdas
α/10-6K-1
λ/W•m-1K-1

17. Elección de los materiales a partir del índice de material y de los mapas de selección
materiales.
Elección de los materiales a partir del índice de material y
de los mapas de selección de materiales.
Cerámicas
avanzadas
E
Elección de los materiales a partir del índice de material y de los mapas de selección
Cerámicas
avanzadas
E
0.1 0,3 1.0 3.0 10 30
0.1 0,3 1.0 3.0 10 30
Densidad (gr/cm3)
Densidad /gr.cm-3
1000
100
10
1.0
0.1
0.01
Polímeros
Elastómeros
Espumas
Poliméricas
Aleaciones
Metálicas
Materiales
Compuestos
Cerámicas
Tradicionales
E /
GPa
3
1/ 2
E1/ 2
E1/ 2
Materiales con mayor índice de material que 3 y mayor módulo de
Young de 100 GPa
de materiales.
Densidad gr.cm-3
1000
100
10
1.0
0.1
0.01
Polímeros
Elastómeros
Espumas
Poliméricas
Aleaciones
Metálicas
Materiales
Compuestos
Cerámicas
Tradicionales
E /
GPa
3
1/ 2
Materiales con mayor índice de material que 3 y mayor módulo de
Young de 100 GPa
E (GPa)

18. 4 Ejemplo de selección de materiales
Algunos ejemplos de selección de materiales
Materiales ligeros y rígidos
Requerimientos científico-tecnológico y económicos para aplicaciones del sector del transporte. Materiales rígidos y ligeros.
Material rígido cargado en flexión de longitud l especificada. El material debe tener una rigidez
superior a un valor definido
Se debe minimizar la masa
100 pesos/kg)
El costo debe ser lo menor posible (C 10 euros/La tenacidad debe superar un valor límite (G30 kJ/m2)
E / M
1 2
1
El primer índice de material
para esta aplicación es
Supongamos además que M1 debe tener un valor mínimo de
6GPa1/2/(gr/cm3)

19. HDPE
Aleaciones
Aleaciones
de Cu
Primer criterio de selección, índice M1
Primer criterio de selección, índice M1
0.1 0.3 1.0 3.0 10 30
Densidad / gr.cm-3
1000
100
10
1.0
0.1
0.01
Plásticos
Elastómeros
Espumas
Poliméricas
Aleaciones
Metálicas
Materiales
Compuestos
(CRFC, CRFV)
Cerámicas
avanzadas
Cerámicas
tradicionales
E /
GPa
LDPE
PVC
plastificado
PP
PVC
Diamante
SiC
B ZrO2 Aceros
Aleaciones
de Al
Aleaciones
de Pb
de Ti
Cemento,
hormigón
Vidrios
Maderas
Materiales que pasan el
primer criterio de selección
M16GPa1/2/(gr/cm3)
Materiales que pasan el
primer criterio de
selección
M16GPa1/2/(gr/cm3)
Densidad (gr/cm3)
E (GPa)

20. Diagrama mostrando el segundo criterio de selección
referente a la tenacidad y precio (se incluyen los valores
del acero, que no pasaba el primer criterio para poder
comparar)
Diagrama mostrando el segundo criterio de selección referente a la tenacidad
precio (se incluyen los valores del acero (que no pasaba el primer criterio para poder comparar))
CRFC
Precio / Pesos•kg-1 Tenacidad KJ/m2
0.1 1,0 10 100 1000
Precio / euros.kg-1
10000
100
1.0
0.01
SiC
Maderas
CRFV
Tenacidad (KJ/m2)
0.001
Aceros
El único material que cumple los requerimientos es el CFRV
La madera cumple todos los requisitos menos el de tenacidad
El CRFC cumple técnicamente pero su precio es demasiados elevado
El SiC no cumple porque es poco tenaz (cerámica) y caro.
único material que cumple los requerimientos es el CFRV
madera cumple todos los requisitos menos el de tenacidad
CRFC cumple técnicamente pero su precio es demasiados elevado

21. Requerimientos de diseño socio-ecológicos
Normativa de uso obligatorio
Las normas de origen público, de implantación obligatoria
o voluntaria, pretenden la protección del usuario del
medio ambiente:
1.
Eliminación de elementos químicos perjudiciales para
la salud
2.
Marcado CЄ, UL, etc, para protección del usuario.
3.
Ignifugación en sectores como la construcción,
aeronáutica..
4. Etc.

22. Protección del medio ambiente
Normativas que tienden a proteger el medio ambiente evitando el
uso de ciertas tecnologías y/o materiales.
Ejemplo. por ejemplo, el protocolo de Montreal, prohibió el uso de
productos clorofluorucarbonados (CFC) debido a su efecto nocivo
sobre la capa de ozono.
Una tendencia actual es la introducción de eco-indicadores.
Asignar un índice o índices numéricos a cada material que índice su
efecto sobre el medio ambiente y que pueda usarse como criterio
de diseño en la metodología de selección de materiales.
Ejemplo: Presentación de eco-indicadores...

23. ¿Qué sucede si cuando aplicamos la
metodología anterior no existe un material
que cumpla con todas las
especificaciones requeridas?

24. Se rediseña el producto para que
el material no tenga exigencias
tan elevadas.
Se desarrolla un nuevo
material que cumpla dichas
especificaciones
1
2

25. Se rediseña el producto para que el material no tenga exigencias tan elevadas...

26. Materiales al límite
Los diseñadores se han apropiado del mundo de los materiales y
empiezan a experimentar con ellos, empujándolos hasta sus límites.
Lo que inició siendo una forma “honesta” de usar los materiales se
ha convertido llevarlos a las fronteras en una búsqueda de sus tocar
sus máximos desempeños, así como las posibilidades de los
procesos para transformar estos materiales. Así se pueden observar
en las ferias metales pulidos, colores saturados y piezas de madera
extra-delgadas.

35. Siglo XXI
Diseño de materiales a la carta:
Los requerimientos finales definen la
estructura del material

36. Fin