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Materiales y sustentabilidad 2013
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Materiales y sustentabilidad 2013

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Presentación para la UdeG donde se expone la importancia del conocimiento de materiales y sustentabilidad para el diseño de productos

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  • 1. DiseñoMaterialesSustentabilidad yCuerpo Académico 381_Innovación Tecnológica para el DiseñoAlberto Rossa Sierra, Dr. Ing.
  • 2. Nuevas tecnologíasNuevos materialesEstructuraFunciónCompuestosMulti-materialesNuevos procesosFormadoUnionesSuperficiesNuevos productosMenor pesoMenor costoMayor ciclo de vidaNuevas funcionesMenor impacto ambientalApariencia visualApariencia táctilEl rol de la ciencia
  • 3. Briefing de diseñoConceptoDesarrolloDetalleEspecificaciones delproductoProducción, Uso y ResiduoProcesodediseño100,000 materialesLímites en atributos mecánicos,térmicos y otros:10-50 materialesDe acuerdo a su desempeñoreducir una lista corta5-10 materialesPrototipado virtual y real,AEF,CAD y modelos físicos1 o 2 materialesDiseñotécnico100,000 materialesEstética deseada, percepcionesy asociaciones10-50 materialesExploración en colecciones demuestras y en otros productos5-10 materialesPrototipado de superficies enrenders 3D, prototipadorápido, modelos tradicionales1 o 2 materialesDiseñoindustrialMateriales en el proceso de diseño
  • 4. CompositesSandwichesHíbridosEstructuras segmentadasEspumasPE, PP, PETPC, PS, PEEKPA (nylons)PolímerosPoliéstersFenólicosEpóxicosIsoprenoNeoprenoCaucho naturalElastómerosCaucho sintéticoSiliconasEVACristales de sodaBorosilicatosCristalesCristal sílicoCristales-cerámicosAluminasCarburos de silicioCerámicosNitritos de silicioZirconiasAceroAleaciones de AlCaucho naturalMetalesAleaciones de CuAleac. de ZnAleac. de TiMenú 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) VidrioFibras 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) CorchoPlásticos Termoplásticos (PET, PVC, PE, PS, PMMA, etc.) Termoestables (PU, Melamina) Elastómeros (TPO, caucho, látex)Compuestos (Fibra de vidrio, ablativos)
  • 6. Clasificación de materialesClasificación de materiales basada en el una concepción científica de la naturaleza de los átomos quecontienen y la cohesión entre ellos.La columna final muestra una lista de posibles atributos para un material específicoFamiliaMetalesPolímerosCerámicosCompositesClaseElastómerosTermoplásticosTermoestablesMiembroABSPoliamidaPolicarbonatoPolietilenoPolipropilenoPoliestirenoPoliuretanoPTFEPVCPerfil técnicoPropiedades físicasPropiedades mecánicasPropiedades térmicasPropiedades eléctricasPropiedades ópticasEco-propiedadesPropiedades de procesoPropiedades acústicasPropiedades tactiles
  • 7. Caracterización del PPPropiedades físicasDensidad, kg/m3Propiedades mecánicasMódulo elástico, GPaMódulo a cedencia, MPaMódulo a tracción, MPaMódulo a compresión, MPaElongación, %Límite de fatiga, MPaDureza,VickersPropiedades térmicasTemperatura máxima de uso, ºCConductividad térmica,W/m*CExpansión térmica, /C*10-6Temperatura de molde, ºCPropiedades eléctricasConstante dieléctricaPérdida dieléctrica, %Resistencia, ohm*cm900-9101.14-1.5531-3533-3637-45100-35010-1111-159.2-1190-1050.11-0.12145-180210-2502.2-2.30.05-0.083.1022-3.1023
  • 8. FechaImportanciarelativaMetalesPolímeros yelastómerosCerámicos yvítreosCompuestosOroCobreBronceHierroAceroAleaciones de aceroAleaciones ligerasSuper aleacionesTitanioZirconiaetcMetales cristalinosAl-LiAceros de fase dualAceros microaleadosNuevas super aleacionesLento desarrollo:Mejora en la calidad,control y procesamientoMaderaPielesFibrasAdhesivosCauchoBakelitaNylonPEPCPMMA PSPPAcrílicosEpóxisPoliesteresPollímeros dealto móduloPollímeros de altatemperaturaPapelGFRPCFRPKevlar-FRPCompuestosMetal-matrizCompuestosCerámicosPiedraCerámicaVidrioCementoRefractariosCementoportland SílicafundidaPyro-cerámicaCerámica de ingenieríaEvolución histórica de los materiales
  • 9. MaterialTimelineFrom pre-historic times to the present National Academy of Engineering (US) and‘Lightness: The Inevitable Renaissance ofMinimum Energy Structures’Ed van Hinte & Adriaan Beukers010 Uitgeverij, 1998Source:70 — INGREDIENTS NO. 2 INGREDIENTS NO. 2 — 71Línea de tiempo deuso de los materialesDe la prehistoria al presenteMetalesMaderaOtros naturalesCerámicosVidrioPlásticosCompositesImportancia relativaFuente: Academia Nacional de Ingeniería (US)Traducción: Alberto Rosa Sierra, CA_381, UdeGHerramientasde piedraTerracotaArcillaPrimeros textilesHerramientasde pedernalAnzuelosde huesoGrasaanimalCobreLatónOroLoza de barro500,000 AC 5000 AC 1000 AC 0 1000 1500CarpinteríaConcretoSedaNíquelBronceAceitesvegetalesPapiroCáñamoVidrio HierroHule naturalLadrilloChapaAcero CarbónVidrio sopladoPergaminoPlomoPapelImanesPorcelanaMercurioPetróleoLoza de China YesoPlatinoTungstenoMolibdeno1975 20001950192519001800GrafitoMagnesioZirconiaAluminioTriplayCementoPortlandElectromagnetosCaucho vulcanizadoPlásticosintéticoTitanioBaquelitaFibrasintéticaAceroinoxidableVidrio deborosilicatoCaucho sintéticoPoliestireno (PS)Polietileno (PE)Poliamida (PA)Fibra de VidrioSuper-aleacionesbasadas en NíquelPoliesteres (PE)PETAcrílicoAramidasSiliconasHDPETriplaycurvadoPlástico biodegradablePlástico dealmidón (PLA)Transistor molecularPiel sintéticaNanotecnologíaImanes de tierras rarasSuperconductoresPoliuretano (PU)PolipropilenoABSAleaciones demetales amorfosAleación NiTiVidrio flotadoFibra de CaCristalde SilicioLínea de tiempo de uso de materiales
  • 10. Date100,000 BC10,000 BC1,000 BC0 BC / AD1000 AD500 AD1500 AD1800 AD1900 AD1850 AD1920 AD1940 AD1960 AD1980 AD2000 ADDependence on non-renewable materials0% 100%Dependence on non-renewable materials0% 100%Oil-based polymersdisplace natural fibers,pottery and woodCast iron, steel displacewood and stone instructuresThe “dark ages” —little materialdevelopmentStart of theindustrial revolutionConcrete displaceswood in large structuresMetals become thedominant materialsof engineeringTotal dependenceon renewablematerialsNear-totaldependence onnon-renewablematerialsCopper, bronzedisplace boneand stone toolsWrought irondisplaces bronzeAluminum displaceswood in light-weightdesignMFA 08Silicon-basedcommunicationcontrols all commerceand life
  • 11. Annualworldproduction(tonnes/year)104102103105106107108109101010111012SteelAl-alloysZn alloysCu alloysPb alloysMg alloysSilverWoodGlassBrickPEPPPVCC-fiberAsphaltOil and coalNi alloysGoldTi alloysConcretePETMFA 08Man-madefibersNaturalfibersMetals Polymers Ceramics Other.1 The annual world production of 23 materials on which industrialized society depends. The scale is logarithmic.Producción anual mundial de los principales 23 materiales de los que depende la sociedad industrializada.La escala es logarítmicaMetales Polímeros Cerámicos OtrosProducciónanualmundial(Tons/año)Producción mundial de los materiales
  • 12. 10-210-1110102103104105106Precio por kg de materiales de ingenieríaPreciodelmaterialporunidaddemasa($/kg)DiamantePlatinoOroExóticosZafiroIridioBerilioPlataCFFPCompositesestructuralesGFRPNitrito-AlCarburoCarburo de boroCarburo desilicioCerámicastécnicas yvidrioAluminaPyrexVidrioPEEKPTFESiliconasPolímerosEpoxiesNylonsPMMAEVA, PSPP, PEAleac. de TiAleac. de NiAcero inoxidableAleac. de Mg.MetalesAleac. de AlAcerosHierrosVidrioAcero estructuralConstrucciónLadrilloConcretoPetróleoCombustiblesCarbónCosto típico delos materialesestructurales
  • 13. 10-210-1110102103104105106Lentes decontactoVálvulacardíacaAros degafasBiomedicosImplante decaderaCepillo dedientesPrecio por kg de producto manufacturadoPrecioporkgunidaddemasa($/kg)Nave espacialAvión militarAeroespacialAvióncomercialAvionetaCaña depescarRaqueta debadmintonEquipodeportivoRaqueta detenisPalos degolfZapatostenisSkiesLaptopLámpara deescritorioejecutivaElectrodomésticosSecador depeloAspiradorLavaropasRefrigeradorFerrariRolls-RoyceAutomóvilesMinivanSedánSubcompactoYate de lujoLancha rápidaMarinosBotePlataformaHoja de metalVidrioEnvasesPlásticoPapelEdificiointeligenteCasaparticularConstrucciónBodegaParkingCosto típico delos materialesestructurales
  • 14. Interacción producto-medio ambienteIncremento en la educaciónDiseño industrialNuevas tecnologíasReuso al alzaMas largo el ciclo de vidaMiniaturizaciónNuevas funcionalidadesMejora en el reciclaje Crecimiento poblacionalIncremento en el nivel de saludMejora en la calidad de vidaConsumo de energíaGran requerimiento de nvos. materialesConsumo de materiales
  • 15. Energía consumida en los productosProducción Manufactura Uso ResiduoSilla sencilla demaderaBicicletaAutomóvil sedánAspiradora Dyson
  • 16. Relación producción-energía15Resource consumption andits drivers2.1 Introduction and synopsisYou can’t understand or reach robust conclusions about human influenceon the environment without a feel for the quantities involved. This chapterThe Bingham Canyon copper mine in Utah, now 1.2km deep and 4km across, and a Caterpiller truckthat is part of the excavation equipment. (Images courtesy of Kennecott Utah Copper.)2.1 Introduction andsynopsis2.2 Resourceconsumption2.3 Exponentialgrowth and doublingtimes2.4 Reserves, theresource base, andresource life2.5 Summary andconclusion2.6 Further reading2.7 ExercisesCONTENTS15Resource consumption andits drivers2.1 Introduction and synopsisYou can’t understand or reach robust conclusions about human influenceon the environment without a feel for the quantities involved. This chapterThe Bingham Canyon copper mine in Utah, now 1.2km deep and 4km across, and a Caterpiller truckthat is part of the excavation equipment. (Images courtesy of Kennecott Utah Copper.)2.1 Introduction andsynopsis2.2 Resourceconsumption2.3 Exponentialgrowth and doublingtimes2.4 Reserves, theresource base, andresource life2.5 Summary andconclusion2.6 Further reading2.7 ExercisesCONTENTS
  • 17. Análisis del ciclo de vida (LCA)The materials life cycleCHAPTERCONTENTS3.1 Introduction andsynopsis3.2 The material lifecycle3.3 Life-cycleassessment: detailsand difficulties3.4 Streamlined LCA3.5 The strategyfor eco-selection ofmaterials3.6 Summary andconclusion3.7 Further reading3.8 Appendix:software for LCA3.9 Exercises3.1 Introduction and synopsisMaterialManufactureUseDisposalResourcesManufacturaUsoMaterialDisposiciónRecursos
  • 18. MaterialproductionProductmanufactureProductuseProductdisposalNaturalresourcesCO2, NOx, SOxParticulatesToxic wasteLow grade heatEmissionsEnergyFeedstocksTransportFIGURE 3.1 The material life cycle. Ore and feedstock are mined and processed to yield a mate-rial. This material is manufactured into a product that is used, and at the end of its life, it is discarded,recycled, or, less commonly, refurbished and reused. Energy and materials are consumed in eachThe material lifRecursosMateria primaTransporteEnergíaRecursos naturalesProducción deMaterialesManufactura deproductosUso de losproductosDisposiciónfinalCO2 NOx SOxPartículasBasura tóxicaCalorEmisiones
  • 19. ?greatly in weight and volume. What we need are values per unit of functionSo let’s start again and do the job properly, listing the design requirementThe material must not corrode in mildly acidic (fruit juice) or alkali (milkfluids. It must be easy to shape, and—given the short life of a container—must be recyclable. Table 9.1 lists the requirements, including the objectivof minimizing embodied energy per unit volume of fluid contained.Glass PE PET Aluminum SteelFIGURE 9.1 Containers for liquids: glass, polyethylene, PET, aluminum, and steel; all can brecycled. Which carries the low penalty of embodied energy?Vidrio PE PET Aluminio AceroCuál de estos envases implicarámenor gasto energético
  • 20. lacquers.Embodiedenergy(MJ/kg)100Energy/unitvol(MJ/liter)1002005015002468PEPETSteelGlassAluminumPEPETSteelGlassAluminumEnergy per kgEnergy per liter2 Top: the embodied energy of the bottle materials. Bottom: the material energy perntained.EEnergy/unitvol(MJ/liter)1005002468GlaPEPETSteelGlassAluminumEnergy per literFIGURE 9.2 Top: the embodied energy of the bottle materials. Bottom: the materliter of fluid contained.Table 9.1 Design requirements for drink containersFunction Drink containerConstraints Must be immune to corrosion in the drinMust be easy and fast to shapeMust be recyclableObjective Minimize embodied energy per unit capFree variables Choice of materialEnergía por kg Energía por ltAluminioAluminioVidrioAceroVidrioAceroEnergía/unidaddevolumen(MJ/lt)Gastoenergético(MJ/kg)Tipo de contenedorBotella PET 400 mlBotella PE 1 ltBotella vidrio 750 mlLata Al 440 mlLata acero 440 mlMaterialPETPE HDVidrio de sodaAl serie 5000Acero planoMasa, gms25383252045Gasto energéticoMJ/kg848115.520832Energía/litroMJ/lt5.33.86.79.53.3
  • 21. Hipócritas!!Hipócritas!!
  • 22. ABS allows detailed moldings, accepts color well, and is nontoxic and tough.Ecoproperties: materialAnnual world production *5.6 ϫ 106– 5.7 ϫ 106tonne/yrReserves *1.48 ϫ 108– 1.5 ϫ 108tonneEmbodied energy, primary production *91 – 102 MJ/kgCO2 footprint, primary production *3.3 – 3.6 kg/kgWater usage *108 – 324 l/kgEco-indicator 380 – 420 millipoints/kgEcoproperties: processingPolymer molding energy *10 – 12 MJ/kgPolymer molding CO2 footprint *0.8 – 0.96 kg/kgPolymer extrusion energy *3.2 – 4.6 MJ/kgPolymer extrusion CO2 footprint *0.31 – 0.37 kg/kgRecyclingEmbodied energy, recycling *38 – 43 MJ/kgCO2 footprint, recycling *1.39 – 1.5 kg/kgRecycle fraction in current supply 0.5 – 1 %Recycle mark7OtherTypical uses. Safety helmets; camper tops; automotive instrument panelsand other interior components; pipe fittings; home-security devices and hous-ings for small appliances; communications equipment; business machines;plumbing hardware; automobile grilles; wheel covers; mirror housings; refrig-erator liners; luggage shells; tote trays; mower shrouds; boat hulls; large com-ponents for recreational vehicles; weather seals; glass beading; refrigeratorbreaker strips; conduit; pipe for drain-waste-vent (DWV) systems.The material. Acrylonitrile butadiene styrene, or ABS, is tough, resilient,and easily molded. It is usually opaque, although some grades can now betransparent, and it can be given vivid colors. ABS-PVC alloys are tougherthan standard ABS and, in self-extinguishing grades, are used for the cas-ings of power tools.Composition(CH2—CH—C6H4)nGeneral propertiesDensity 1010 – 1210 kg/m3Price 2.3 – 2.6 USD/kgMechanical propertiesYoung’s modulus 1.1 – 2.9 GPaYield strength (elastic limit) 18.5 – 51 MPaTensile strength 27.6 – 55.2 MPaElongation 1.5 – 100 %Hardness—Vickers 5.6 – 15.3 HVFatigue strength at 107cycles 11 – 22.1 MPaFracture toughness 1.19 – 4.29 MPa.m1/2Thermal propertiesGlass temperature 88 – 128 °CMaximum service temperature 62 – 77 °CThermal conductor or insulator? Good insulatorThermal conductivity 0.188 – 0.335 W/m.KSpecific heat capacity 1390 – 1920 J/kg.KThermal expansion coefficient 84.6 – 234 µstrain/°CElectrical propertiesElectrical conductor or insulator? Good insulatorElectrical resistivity 3.3 ϫ 1021– 3 ϫ 1022µohm.cmDielectric constant 2.8 – 3.2Dissipation factor 0.003 – 0.007Dielectric strength 13.8 – 21.7 106V/mRecoveryWaste, whether melt or used parts, consisting solely of Terlux®can berecovered, i.e. can be fed back to the process as regrind (cf. Repro-cessing, above). Depending on the age and wear of the used parts tobe mechanically recycled, certain properties may have changed. It istherefore important to check whether the recycled material is suitablefor the intended application.C smetics packa inVacuum cleaner housingABSacrilonitrilo-butadieno-estirenoNueva caracterización de materiales
  • 23. Population. For most of the history of man the population has been smalland rising only very slowly (Figure 1.3), but in the last 70 years of the 20thConcern-driveninfluencesConcern-driveninfluencesOpportunity-driveninfluencesOpportunity-driveninfluencesApproaching energy,water and food crisisMarketneedMaterialsand designNew orredesignedproductGlobal warmingand climate changeDiminishingland resourcesTerrorism andnational securityThe populationexplosionIncreased wealthof nationsThe digitaleconomyPredicitive modelling,anticipate, not reactEconomics ofcarbon-free energyAdvancing scienceand technologyMFA 09
  • 24. Ok....y nosotrosque podemoshacer?
  • 25. Diseñar materiales?Gracias al desarrollo de la tecnología es posiblediseñar nuevos materiales....aunque no senecesita ser químico (ni premio nobel) paraesta nueva frontera del diseño.
  • 26. Diseñar materiales?Estrategia dediseño a travésde nuevosmaterialesFUTUROTENDENCIASESCENARIOSINNOVACIÓN
  • 27. FuentesAdaptación de otros ambientes/usosCreación de nuevos compuestosNuevas aplicaciones a materiales conocidosReciclaje de materiales
  • 28. Adaptación de otros ambientes/usos
  • 29. Creación de nuevos compuestosEco-c1
  • 30. Nuevas aplicaciones a materiales conocidos
  • 31. Nuevas aplicaciones a materiales (poco) conocidosKenafGuadua
  • 32. Reciclaje de materialesAlkemi
  • 33. Reciclaje de materialesBici-rug
  • 34. KovalexReciclaje de materiales
  • 35. El Futuro de los MaterialesNanomaterialesInteligentesBiomiméticos
  • 36. NanomaterialesNanotubos de carbónE= 1,3 a 1,8 TpaAcero alta resistencia = 0.2Tpa
  • 37. Materiales inteligentesCierre craneal fabricado con material conmemoria de forma (nitinol, Ni-Ti)
  • 38. 38Materiales inteligentes
  • 39. 39Materiales inteligentes
  • 40. Materiales inteligentesPintura absorvente de la radiaciónelectromagnética, contiene microhilos magnéticos
  • 41. DEFAULT STYLESBioMaterialesObtención de material biocompatible a partir de la reacción de lasproteinas globulares del plasma y un agente entrecruzante
  • 42. Para ir conociendo...Lammax
  • 43. Para ir conociendo...Hularo
  • 44. Para ir conociendo...Corian
  • 45. Sifón PermaFlowABS+caucho sintéticoEvita el uso de destapa-caños
  • 46. 46Espuma de AlAlusion©100% reciclablePuede ser post-formada usando calorDensidades variables
  • 47. 47Extrusión por impactoProceso desarrollado por Sigg©, 2004Tolera variaciones de espesores de paredesProducción rápidaBajo costo unitarioBajo costo de herramental
  • 48. Renault DesignAvantime, 2001Primer automovil comercial de carrocería de composite
  • 49. Philippe Starck2002, GF+PP
  • 50. Zirconia +AluminaMás ligero que el acero50% más duro que el aceroQuímicamente inerteLa hoja se puede obtener por variedad de procesos
  • 51. Drip popsy, Silicone Zone2006, Silicona
  • 52. Black honey, Materialise2005, Epoxi
  • 53. Accoya©Madera especialpara exteriores50 años de vida
  • 54. 54Drivable grass©Fabricado de piezas de concreto de 2 x 2Flexible, se adapta a la topografía
  • 55. 55Armstrong© TierraPlafones bio-acústicosFabricados de plantas cosechadas a los 90 díasSin formaldehídos, diseñadas para reciclarse 100%
  • 56. 56Uruku™ Cosmetic Packaging | Aveda Estée LauderAn unexpected material leads to an award-winning sustainable packagingFbased products that are healthy for consumers as well as for the planet. When it developed the Urukuor over thirty years, Aveda has been providing the beauty industry with high performance, botanicallyUruku©PP de post-consumo con fibras naturalesTextura “terrenal”
  • 57. 57Espuma de AlNaoron ©RPF (Recycled PET Fiber), papel con textura de piel,fabricado usando la técnica “ washi-suki”, ya en fasecomercial por ONAO, Co.
  • 58. Para ir conociendo...02materialexplorer.com
  • 59. 59MaterialOther naturalsCountry of originUnited StatesProduct codeONA017SensorialGlossiness GlossyTranslucence 0 %Structure OpenTexture CoarseHardness SoftTemperature WarmAcoustics ModerateOdeur NoneTechnicalFire resistance NoneUV Resistance ModerateWeather resistance ModerateScratch resistance ModerateWeight LightChemical resistance PoorRenewable YesNo rights can be claimed on the basis of this document. Materia and the manufacturers will not accept any
  • 60. 60ecolect.com
  • 61. 61
  • 62. A modo de conclusiónAquí no hay conclusión.....Hay una invitación a adentrarse almundo de los materiales ydesarrollar nuevas aplicaciones, omejor aún nuevos materiales....
  • 63. Gracias por su atención

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