SELECCIÓN DE MATERIALES EN EL DISEÑO MECÁNICO (Método de Michael Ashby)

1. SELECCIÓN DE MATERIALES EN EL DISEÑO MECÁNICO (Método de Michael Ashby) Pamplona 2012 M.Sc.Jhon Erickson Barbosa Jaimes Jhon.barbosa@unad.edu.co

2. “Diseñar es formular un plan para satisfacer una necesidad humana” Diseño a fatiga del buje de un aerogenerador con FRP “La necesidad particular que habrá de satisfacerse puede estar completamente bien definida desde el principio.” Tomado de: http://www.tesisenred.net/bitstream/handle/10803/6860/00CONTENIDO_PROLOGO.pdf?sequence=1

3. Fases del diseño

4. Consideraciones de diseño. Generalmente se deben tener en cuenta varios factores en un caso de diseño determinado. Algunos de estos son: • Resistencia. • Confiabilidad. • Propiedades térmicas. • Corrosión. • Desgaste. • Fricción. • Procesamiento. • Utilidad. • Costo. • Seguridad. • Peso • Duración. • Ruido. • Forma. • Flexibilidad. • Control. • Rigidez. • Lubricación. • Mantenimiento. • Volumen. • Responsabilidad legal.

5. Consideraciones de diseño. Códigos y normas. “Una norma es un conjunto de especificaciones para piezas, materiales o procesos establecidos, con el fin de lograr uniformidad, eficiencia y calidad especificadas.” “Un código es un conjunto de especificaciones para efectuar el análisis, el diseño, la fabricación y la construcción de un objeto o sistema. El propósito es alcanzar un grado especificado de seguridad, eficiencia y buen funcionamiento o buena calidad.” Esfuerzo y resistencia. “La resistencia es una propiedad de un material o de un elemento mecánico. La resistencia de un elemento depende de la elección, el tratamiento y el procesado del material” Resistencia a la fluencia y última Sy , Su Resistencia a la fatiga Sf Resistencia a cortante Ssy

6. Consideraciones de diseño. Factor de seguridad. “un procedimiento tan antiguo como el propio diseño de ingeniería” Confiabilidad. “La medida estadística de la probabilidad de que un elemento mecánico no falle cuando está en servicio se llama confiabilidad de ese elemento”. Esta cantidad R puede expresarse mediante un número al que se asigna el siguiente intervalo. 0 ≤ R < 1 Factores económicos. Responsabilidad legal.

7. La evolución de los materiales de ingeniería Ashby M, (1999) Materials Selection in Mechanical Design, 3º Edition, Butterworth-Heinemann, Oxford.

8. SELECCIÓN DE MATERIALES POR PROPIEDADES MECÁNICAS Dureza Escala Mohs (1882) 1. Talco 2. Gipsita 3. Calcita 4. Fluorita 5. Apatita 6. Feldespato 7. Cuarzo 8. Topacio 9. Safiro 10. Diamante

9. Resistencia estática Ashby M, (1999) Materials Selection in Mechanical Design, 2º Edition, Butterworth-Heinemann, Oxford.

10. Flexión Esquema del ensayo de flexión en tres puntos para medir el comportamiento esfuerzo-deformación y la resistencia a la flexión de materiales. E Módulo de Young G Módulo de rigidez Relación de Poisson: http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/57458-Ensayos-de-tablas-de-snowboard-con-una-maquina-Zwick-AllroundLine.html

11. Deflexiones Rigidez

12. Tenacidad

13. Ensayos de impacto de productos terminados

14. Enfoque de la Mecánica de la fractura J. González. Mecánica de la fractura. 2 ed. México: Ed LIMUSA, 2004 El análisis se fundamenta en la aplicación de un parámetro que caracteriza la fractura, llamado factor de intensidad de esfuerzos (K).

15. Enfoque de la Mecánica de la fractura Geométrico.

16. Material Ocurrirá la falla.

17. Resistencia a la fatiga http://www.iberisa.com/soporte/fatiga/intro.htm

18. CREEP (Fluencia lenta) Ensayo de termofluencia. ASTM E-139. El parámetro habitualmente empleado para caracterizar dicha resistencia en ensayos de corta duración (normalmente 1000 horas o menos) es el tiempo a ruptura tr para una dada tensión ingenieril y una dada temperatura (Rupture Creep Tests). http://www.instron.com.es/wa/solutions/creep-stress-rupture-tensile-testing-high-temperature-specimens.aspx

19. CREEP (Fluencia lenta) Aleación de base Fe para alta temperatura.

20. Resistencia al desgaste. El desgaste es la pérdida de material, con la generación de partículas de desgaste, como resultado del movimiento relativo entre dos superficies en contacto sometidas a una carga. En caso de existir un movimiento relativo suficiente se produce un arrancamiento del material de una o más superficies, generalmente de aquella que está constituida por un material más débil. El politetrafluoroetileno (PTFE)tiene el coeficiente de fricción más bajo de todos los materiales sólidos. Por lo tanto su uso es amplio en capas contra el desgaste, como componente inferior de los cojinetes.

21. METODOLOGÍA DE MICHAEL ASHBY Actualmente el número de materiales disponibles es muy amplio (metales, polímeros, cerámicos y compuestos). Por este motivo el ingeniero tiene la difícil tarea de seleccionar el material mas apropiado para su diseño. Para esto se debe tener en cuenta aspectos como composición del material, proceso de conformado, condiciones de trabajo y relación entre costo y desempeño. Se trata de una metodología que sirve de guía en la selección de los materiales más adecuados en las diversas fases del diseño, contemplando los atributos que son relacionados entre sí por medio de cartas de selección (Método de Michael Ashby).

22. METODOLOGÍA DE MICHAEL ASHBY Las familias de materiales de ingeniería Cartas de selección de materiales

23. Selección del material determinado por la función. La forma algunas veces influye en la selección Ashby M, (1999) Materials Selection in Mechanical Design, 3º Edition, Butterworth-Heinemann, Oxford.

24. Límite de atributos La estrategia para la selección de materiales contempla cuatro pasos. Índice de material. Ashby M, (1999) Materials Selection in Mechanical Design, 3º Edition, Butterworth-Heinemann, Oxford.

25. TRANSLATION: Consiste en reinterpretar los requerimientos del diseño en términos de función, restricciones, objetivos y variables libres, relacionándolos con las propiedades del material. Función ¿qué hace el componente? Objetivos ¿qué debe ser maximizado o minimizado? Restricciones ¿qué condiciones mínimas de atributos debe tener? Variables libres ¿qué parámetros del problema son libres de cambiar en el diseño? SCREENING: Consiste en derivar los límites de los atributos o propiedades a partir de las restricciones y, aplicar éstos para aislar un subconjunto de materiales viables, eliminando los candidatos que no realizan el trabajo.

26. RANKING: Consiste en ordenar los candidatos viables por el valor del índice del material. Éste se refiere a la propiedad o grupo de propiedades que máxima el rendimiento para un diseño dado. Aquí, maximizar o minimizar una propiedad o grupo significa maximizar el rendimiento RESUMEN: SCREENING aísla los materiales candidatos que pueden hacer el trabajo; RANKING identifica de entre éstos los que mejor lo hacen SUPPORTING INFORMATION: Explora aspectos de los candidatos clasificados más altos en cuanto a su pasado, usos establecidos, comportamiento en ambientes relevantes, disponibilidad y más. Esto ayuda a estrechar aún más la lista pequeña de materiales hasta la elección final.

27. Límites de los atributos • Las restricciones fijan los límites de los atributos. Buen funcionamiento Baja rigidez. (E) Baja resistencia a la fluencia. (σy) Baja tenacidad a la fractura. (KIc) Alto peso. (m) Ashby M, (1999) Materials Selection in Mechanical Design, 3º Edition, Butterworth-Heinemann, Oxford.

28. Índices del material • El objetivo define los índices del material, para el cual se busca valores extremos. El rendimiento de un elemento estructural es descrito por una ecuación de la forma: Cuando los grupos de parámetros son separables, entonces la ecuación es escrita por: “Cuando los grupos son separados, la elección óptima del material se vuelve independiente de los detalles del diseño; esto es lo mismo para todas las geometrías, G, y para todos los valores de los requerimientos funcionales. Es decir, el rendimiento para toda F y G es maximizado al maximizar f3(M) ”

29. Región de búsqueda Límite Índices

30. Componentes mecánicos simples

31. Índice de material para una barra resistente y liviana “Una barra de longitud L debe soportar una carga de tensión F sin fallar, y ser de mínima masa. En este caso, maximizar el rendimiento significa minimizar la masa, mientras soporta la carga F con seguridad ” Requerimientos del diseño para una barra liviana

32. Derivando el índice del material Se busca una ecuación que contenga la propiedad a ser maximizada o minimizada: m La masa puede ser minimizada reduciendo el la sección transversal A, pero hay una restricción: A debe ser suficiente para soportar la carga F, requiriendo que Requerimientos funcionales Parámetros geométricos Índice de material “La barra más liviana que soportará F sin fallar es aquella con el valor más alto de la resistencia específica” “La barra más liviana que soportará F sin deformarse mucho es aquella con el valor más alto del módulo específico”

33. Región de búsqueda Índice Límite

34. Índice de material para una viga rígida y liviana “Consideremos una viga liviana de sección b x b y longitud L cargada en flexión. Esta debe satisfacer una restricción sobre su rigidez, significando que no debe deformarse más que δ bajo una carga F” Requerimientos del diseño para una viga rígida y ligera

35. Derivando el índice del material Se busca una ecuación que contenga la propiedad a ser maximizada o minimizada: m La masa puede ser minimizada reduciendo el la sección transversal A, pero sólo hasta que la restricción rigidez sea satisfecha. Esto requiere que S = F/δ sea más alto que el valor: donde Parámetros geométricos Requerimientos funcionales Función objetivo Índice de material “Los mejores materiales para una viga rígida y ligera son aquellos con el valor más alto de este índice”

36. Región de búsqueda Límite

37. MATERIALES PARA VOLANTES DE INERCIA Volante de máxima energía Volante de velocidad limitada

38. El modelo. Función objetivo Índice de material

41. MATERIALES PARA PATAS DE MESAS.

42. El modelo. Ec. Euler. Columnas Despejando r y reemplazando en m tenemos: Despejando r tenemos: Función objetivo 1 Función objetivo 2 Índice de material Mínima masa Índice de material esbeltez

43. Índice de material Mínima masa Índice de material esbeltez

45. http://www.certified-easy.com/aa.php?isbn=ISBN:1856176630&name=Materials_Selection_in_Mechanical_Designhttp://www.certified-easy.com/aa.php?isbn=ISBN:1856176630&name=Materials_Selection_in_Mechanical_Design

48. SELECCIÓN DE MATERIALES EN EL DISEÑO MECÁNICO (Método de Michael Ashby) Cúcuta 2012 M.Sc.Jhon Erickson Barbosa Jaimes Jhon.barbosa@unad.edu.co