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Diseno y materiales

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Introducción al estudio de la relación materiales y diseño de productos. Universidad de Guadalajara, 2010.

Introducción al estudio de la relación materiales y diseño de productos. Universidad de Guadalajara, 2010.

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  • 1. Diseño Materiales y ó diseño y materiales (el orden no altera el producto)
  • 2. Nuevas tecnologías Nuevos materiales Estructura Función Compuestos Multi-materiales Nuevos procesos Formado Uniones Superficies Nuevos productos Menor peso Menor costo Mayor ciclo de vida Nuevas funciones Menor impacto ambiental Apariencia visual Apariencia táctil El rol de la ciencia
  • 3. Briefing de diseño Concepto Desarrollo Detalle Especificaciones del producto Producción, Uso y Residuo Procesodediseño 100,000 materiales Límites en atributos mecánicos, térmicos y otros: 10-50 materiales De acuerdo a su desempeño reducir una lista corta 5-10 materiales Prototipado virtual y real,AEF, CAD y modelos físicos 1 o 2 materiales Diseñotécnico 100,000 materiales Estética deseada, percepciones y asociaciones 10-50 materiales Exploración en colecciones de muestras y en otros productos 5-10 materiales Prototipado de superficies en renders 3D, prototipado rápido, modelos tradicionales 1 o 2 materiales Diseñoindustrial Materiales en el proceso de diseño
  • 4. Composites Sandwiches Híbridos Estructuras segmentadas Espumas PE, PP, PET PC, PS, PEEK PA (nylons) Polímeros Poliésters Fenólicos Epóxicos Isopreno Neopreno Caucho natural Elastómeros Caucho sintético Siliconas EVA Cristales de soda Borosilicatos Caucho natural Cristales Cristal sílico Cristales-cerámicos Aluminas Carburos de silicio Cerámicos Nitritos de silicio Zirconias Acero Aleaciones de Al Caucho natural Metales Aleaciones de Cu Aleac. de Zn Aleac. de Ti Menú de materiales
  • 5. Clasificación de materiales (Di) Materiales metálicos (Acero hierro,fundición, aluminio, estaño, plomo, etc.) Materiales pétreos y cerámicos No aglomerantes (Rocas, arena, grava) Aglomerantes (Cemento, yeso, mortero, hormigón) Cerámicos (Arcilla, barro, loza, refractario, gres y porcelana) Vidrio Fibras textiles Vegetal (Algodón, lino, papel) Animal (lana, seda, cuero) Mineral (Amianto, oro, plata, cobre) Sintéticas (Rayón, lycra) Madera Dura (Haya,roble, cerezo, caoba) Blandas (Pino, abeto, chopo) Prefabricadas (Contrachapado, aglomerado, MDF) Celulósicos (Papel, cartón, cartulina) Corcho Plásticos Termoplásticos (PET, PVC, PE, PS, PMMA, etc.) Termoestables (PU, Melamina) Elastómeros (TPO, caucho, látex) Compuestos (Fibra de vidrio, ablativos)
  • 6. Clasificación de materiales Clasificación de materiales basada en el una concepción científica de la naturaleza de los átomos que contienen y la cohesión entre ellos. La columna final muestra una lista de posibles atributos para un material específico Familia Metales Polímeros Cerámicos Composites Clase Elastómeros Termoplásticos Termoestables Miembro ABS Poliamida Policarbonato Polietileno Polipropileno Poliestireno Poliuretano PTFE PVC Perfil técnico Propiedades físicas Propiedades mecánicas Propiedades térmicas Propiedades eléctricas Propiedades ópticas Eco-propiedades Propiedades de proceso Propiedades acústicas Propiedades tactiles
  • 7. Caracterización del PP Propiedades físicas Densidad, kg/m3 Propiedades mecánicas Módulo elástico, GPa Módulo a cedencia, MPa Módulo a tracción, MPa Módulo a compresión, MPa Elongación, % Límite de fatiga, MPa Dureza,Vickers Propiedades térmicas Temperatura máxima de uso, ºC Conductividad térmica,W/m*C Expansión térmica, /C*10-6 Temperatura de molde, ºC Propiedades eléctricas Constante dieléctrica Pérdida dieléctrica, % Resistencia, ohm*cm 900-910 1.14-1.55 31-35 33-36 37-45 100-350 10-11 11-15 9.2-11 90-105 0.11-0.12 145-180 210-250 2.2-2.3 0.05-0.08 3.1022-3.1023
  • 8. Fecha Importanciarelativa Metales Polímeros y elastómeros Cerámicos y vítreos Compuestos Oro Cobre Bronce Hierro Acero Aleaciones de acero Aleaciones ligeras Super aleaciones Titanio Zirconia etc Metales cristalinos Al-Li Aceros de fase dual Aceros microaleados Nuevas super aleaciones Lento desarrollo: Mejora en la calidad, control y procesamiento Madera Pieles Fibras Adhesivos Caucho Bakelita Nylon PE PC PMMA PS PP Acrílicos Epóxis Poliesteres Pollímeros de alto módulo Pollímeros de alta temperatura Papel GFRP CFRP Kevlar-FRP Compuestos Metal-matriz Compuestos Cerámicos Piedra Cerámica Vidrio Cemento Refractarios Cemento portland Sílica fundida Pyro-cerámica Cerámica de ingeniería Evolución histórica de los materiales
  • 9. Material Timeline From pre-historic times to the present National Academy of Engineering (US) and ‘Lightness: The Inevitable Renaissance of Minimum Energy Structures’ Ed van Hinte & Adriaan Beukers 010 Uitgeverij, 1998 Source: 70 — INGREDIENTS NO. 2 INGREDIENTS NO. 2 — 71 Línea de tiempo de uso de los materiales De la prehistoria al presente Metales Madera Otros naturales Cerámicos Vidrio Plásticos Composites Importancia relativa Fuente: Academia Nacional de Ingeniería (US) Traducción: Alberto Rosa Sierra, CA_381, UdeG Herramientas de piedra Terracota Arcilla Primeros textiles Herramientas de pedernal Anzuelos de hueso Grasa animal Cobre Latón Oro Loza de barro 500,000 AC 5000 AC 1000 AC 0 1000 1500 Carpintería Concreto Seda Níquel Bronce Aceites vegetales Papiro Cáñamo Vidrio Hierro Hule natural Ladrillo Chapa Acero Carbón Vidrio soplado Pergamino Plomo Papel Imanes Porcelana Mercurio Petróleo Loza de China Yeso Platino Tungsteno Molibdeno 1975 20001950192519001800 Grafito Magnesio Zirconia Aluminio Triplay Cemento Portland Electromagnetos Caucho vulcanizado Plástico sintético Titanio Baquelita Fibra sintética Acero inoxidable Vidrio de borosilicato Caucho sintético Poliestireno (PS) Polietileno (PE) Poliamida (PA) Fibra de Vidrio Super-aleaciones basadas en Níquel Poliesteres (PE) PET Acrílico Aramidas Siliconas HDPE Triplay curvado Plástico biodegradable Plástico de almidón (PLA) Transistor molecular Piel sintética Nanotecnología Imanes de tierras raras Superconductores Poliuretano (PU) Polipropileno ABS Aleaciones de metales amorfos Aleación NiTi Vidrio flotado Fibra de Ca Cristal de Silicio
  • 10. Interacción producto-medio ambiente Incremento en la educación Diseño industrialNuevas tecnologías Reuso al alza Mas largo el ciclo de vida Miniaturización Nuevas funcionalidades Mejora en el reciclaje Crecimiento poblacional Incremento en el nivel de salud Mejora en la calidad de vida Consumo de energía Gran requerimiento de nvos. materiales Consumo de materiales
  • 11. Energía consumida en los productos Producción Manufactur a Uso Residuo Silla sencilla de madera Bicicleta Automóvil sedán Aspiradora Dyson
  • 12. Relación producción-energía
  • 13. El problema de la selección de materiales Proceso Función FormaMaterial
  • 14. Selección de materiales determinada por la función Proceso Función Forma Material Familia de materiales, clases, sub-clases y miembros Atributos del material Límites del material
  • 15. Todos los materiales Trasladar los requerimientos de diseño Expresados como funciones, objetivos y variables independientes Filtrar usando límites Eliminar los materiales que no se ajusten al desempeño deseado Clasificar usando objetivos Listar los materiales que cumplen mejor el desempeño deseado Elección final Obtener información de soporte Investigar la historia de los materiales que mejor hemos clasificado Estrategia para selección de materiales
  • 16. Un ejemplo: Diseño de un sacacorchos 1 Cinco conceptos, siguiendo principios físicos, que cumplen con nuestras necesidades Principios de trabajo para los tres primeros conceptos mostrados arriba
  • 17. Un ejemplo: Diseño de un sacacorchos 2 Generar fuerza Transmitir fuerza Aplicar fuerza al corcho Presión del gas Mecanismo Tirabuzón Navajas cortantes Directa Jalar directamente Con una palanca Con una engrane Empujar directamente Empujar con una palanca Inyección de gas
  • 18. Un ejemplo: Diseño de un sacacorchos 3 Ideas para cuatro soluciones: a) Jalar directamente b) Usar una palanca c) Engrane y tornillo sin fin d) Jalar con ayuda de resorte
  • 19. Un ejemplo: Diseño de un sacacorchos 4 Sacacorchos IKEA

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