PROBLEMAS EN LA SELECCIÓN DE MATERIALES Y DISEÑO 1. Considere el componente habitual de una bombilla en casa: a) identifique varios componentes críticos de este elemento, b) determine el material seleccionado para cada componente crítico y c) diseñe un procedimiento para montar la bombilla. a) -Capa exterior del cristal del bombillo -Gas inerte a baja presión (argón, neón, nitrógeno) -Filamento de wolframio -Alambre de Contacto -Tronco (hecho de cristal) -Tapa (casquillo) -Aislante de Vidrio -Contacto eléctrico b) - Vidrio del bombillo y Tronco: El vidrio se obtiene por fusión a unos 1.500 ºC de arena de silicio, carbonato de sodio y caliza. - Alambres de contacto: Cable de algún metal conductor eléctrico, el más común es el cable de cobre. - Alambre de tungsteno: se hacen del material seleccionado de la alta calidad del molibdeno, con las características de la conductividad termal excelente, procesadas finalmente, y la duración larga. c) Se toma el bote de cristal, que va a hacer las veces de la ampolla de vidrio en la bombilla, y se realizan dos agujeros en la tapa del mismo. En ellos se van a colocar los dos tornillos convenientemente aislados de la tapa con cinta aislante, si ésta es metálica. En las puntas de los tornillos se enrolla firmemente el hilo metálico, de forma que los tornillos con el hilo permanecerán en el interior del bote una vez que éste se haya cerrado. Los otros extremos se conectan a una pila a través de cable de cobre. Se observa que al cerrar el circuito el hilo metálico se pone incandescente, llegando incluso a quemarse y romperse. Esto hace que el circuito se abra y la bombilla deje de lucir, se ha fundido
2. La artroplastia total de cadera (THA) es el procedimiento de sustitución total de una cadera dañada por una prótesis artificial. a) Identifique los componentes reemplazados en la THA, b) Identifique el material o los materiales empleados en la fabricación de cada componente y las razones por las cuales se emplean. c) mencione cuáles son algunos de los factores que el ingeniero de materiales debe tomar en cuenta en la selección de materiales a) La prótesis consiste en componentes de metal, una cúpula ó recipiente, una bola ó cabeza y un vástago. La cúpula exterior del recipiente acetabular está fabricada de metal y el interior de la cúpula de plástico, o el cuenco entero podría ser de plástico. b) Se utilizan diversos metales, acero inoxidable, o aleaciones de cobalto, cromo y titanio. El plástico es polietileno que es extremadamente duradero y resistente al desgaste. Normalmente, se utiliza cemento para fijar el componente artificial al hueso
c) Para que el ingeniero pueda escoger los materiales debe realizar un análisis en el cual debe detallar que material no afecta ala salud y el medio ambiente, la facilidad de obtener este material por consiguiente su valor económico y sobre todo q este material debe adecuarse y soportar el medio donde será utilizado y de esta manera sea duradero
3. Se considera que los transistores han causado una revolución en la electrónica y, en consecuencia en muchas otras industrias. A) Identifique los componentes críticos de un transistor de unión. B) Identifique el material empleado en la fabricación de cada componente. a) Sus componentes son: - Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su
-
nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga. Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector. Colector, de extensión mucho mayor.
4. a) Mencione los factores más importantes que se deben tomar en cuenta en la selección de materiales para el cuadro de una bicicleta de montaña. b) Tome en cuenta que el acero, el aluminio y el titanio se han empleado como los metales principales en la estructura de una bicicleta y determine las principales ventajas y desventajas de cada uno de ellos. C) Las bicicletas más modernas se fabrican con materiales compuestos avanzados. Explique por qué y mencione los materiales compuestos específicos empleados en la estructura de una bicicleta. a) Para poder seleccionar los materiales los ingenieros deben tomar en cuenta los siguientes requerimientos: a. Resistencia y Comportamiento a Fatiga b. Extrusionabilidad c. Soldabilidad d. Resistencia a los Factores Atmosféricos e. Amortiguación de Vibraciones f. Resistencia al Impacto y a la Abrasión g. Coste del Material b) En el siguiente claro veremos las ventajas y desventajas del acero aluminio y titanio VENTAJAS DESVENTAJAS ACERO
Alta resistencia Uniformidad Durabilidad Ductilidad Tenacidad
ALUMINIO
Mantenimiento Sencillo No Inflamable
Costo de mantenimiento Costo de la protección contra el fuego Susceptibilidad al pandeo No posee desventajas
TITANIO
Material Ligero Aislamiento Térmico Excepcional Aislamiento Acústico Óptimo Resistente acero inoxidable
No posee desventajas
c) Los materiales con los que son fabricados las bicicletas modernas son: Aceros, Aleaciones de aluminio, Aleaciones de titanio Aleaciones de magnesio y Fibras de carbono y se utilizan actualmente estos materiales porque son los que cumplen totalmente con los requerimientos que nombramos en la anterior respuesta.
5. a) Mencione los criterios más importantes para seleccionar materiales que habrán de emplearse en un casco protector de uso deportivo. b) Identifique los materiales que podrían satisfacer estos criterios. C) ¿Por qué un casco de metal sólido no sería una buena elección? a) El ingeniero debe tener en cuenta los siguientes criterios para seleccionar el material para el casco deportivo:
Resistencia a impactos o golpes contra superficies duras (caídas o colisiones). Protección frente a la perforación. Ligereza para optimizar el desempeño deportivo. Poder moldear el material para que tenga un diseño aerodinámico. Permitir una ventilación adecuada.
b) Los materiales usados para su fabricación son los siguientes: Materiales termoplásticos (policarbonatos, ABS, polietileno y policarbonato con fibra de vidrio). Son resistentes a impactos, ligeros y se pueden diseñar aerodinámicamente. Poliestireno expandido (E.P.S.). Este material se sacrifica en un accidente, siendo machacado mientras que absorbe un impacto importante.
c) Los cascos de aleaciones metálicas ligeras no resisten bien la perforación por objetos agudos o de bordes afilados. Un casco de metal sólido significaría un exceso de peso para el deportista, con lo cual disminuiría su rendimiento también calentaría con facilidad y aumentaría la temperatura del deportista en la cabeza lo cuales perjudicial para el deportista. 6. a) Determine las propiedades que debe tener el material o los materiales empleados como protección térmica en la estructura de un transbordador espacial. b) Identifique los materiales que podrían satisfacer estos criterios. c) ¿Por qué las aleaciones de titanio no serían una buena elección para esta aplicación? a) Las propiedades de los materiales utilizados en el transbordador espacial son: - Resistencia de 100 lanzamientos - Poseer un sistema de protección térmica b) El material que satisface mejor estos criterios son los cerámicos a base de óxidos. c) La aleaciones son actualmente un compuesto ya utilizado en la fabricación de estos por sus propiedades de dureza parecidos al acero, pero el inconveniente más notables es el costo de este material.
7. a) ¿qué tipo de material es el cobre de alta conductividad exento de oxigeno (OFHC)?. b) ¿Cuáles son las propiedades deseables en el cobre de alta conductividad exentas de oxigeno?. c) ¿Cuáles son sus aplicaciones en la industria de eléctrica? a) El cobre libre de oxígeno se produce por la conversión directa de una selección de cátodos refinados y piezas fundidas bajo condiciones cuidadosamente controladas para evitar cualquier contaminación del metal puro libre de oxígeno durante el proceso. b) Las propiedades de este material es que posee una buena conductividad, es de ductilidad, alta conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia al impacto, buena resistencia a la
fluencia, la facilidad de la soldadura, y la baja volatilidad en alto vacío. c) Se utiliza en los cables de audio y ha comenzado a incursionar en el mercado del cable de vídeo, así, tira de cobre libre de oxígeno ampliamente utilizado en los sectores doméstico e Industrial tornos automáticos y tornos CNC tiene protección producedeco-ambientales y de salud de seguridad, aselectronics ejemplo, las telecomunicaciones , conector, conectores, componentes de hardware y otherengineering.
8. a) ¿A qué clase de materiales pertenece el politetrafluoretileno? b) ¿Cuáles son sus propiedades deseables?. c) ¿Cuáles son sus aplicaciones en la industria de fabricación de utensilios de cocina? a) El Teflón es un polímero similar al polietileno, en el que los átomos de hidrógeno han sido sustituidos por átomos flúor. La fórmula química del monómero, tetrafluoroeteno, es CF2=CF2. Bajo el nombre de Teflon, también llamado teflón en algunas regiones. b) Una de sus propiedades principales de este material es que es prácticamente inerte, no reacciona con otras sustancias químicas excepto en situaciones muy especiales. Esto se debe básicamente a la protección de los átomos de flúor sobre la cadena carbonada. Esta carencia de reactividad hace que su toxicidad sea prácticamente nula, y es, de hecho, el material con el coeficiente de rozamiento más bajo conocido. Otra cualidad característica es su impermeabilidad, manteniendo además sus cualidades en ambientes húmedos. Es también un gran aislante eléctrico y sumamente flexible, no se altera por la acción de la luz y es capaz de soportar temperaturas desde -270°C (3,15 K) hasta 270 °C (543,15 K), momento en que puede empezar a agrietarse y producir vapores tóxicos. Su cualidad más conocida es la antiadherencia. c) El PTFE tiene múltiples aplicaciones, aunque no se le dio salida en un principio (no se empezó a vender hasta 1946). Algunas de ellas se citan a continuación:
* En revestimientos de aviones, cohetes y naves espaciales debido a las grandes diferencias de temperatura que es capaz de soportar. * En la industria se emplea en elementos articulados, ya que su capacidad antifricción permite eliminar el uso de lubricantes como el Krytox. * En medicina, aprovechando que no reacciona con sustancias o tejidos y es flexible y antiadherente se utiliza para prótesis, creación de tejidos artificiales y vasos sanguíneos, en incluso operaciones estéticas (body piercing). * En electrónica, como revestimiento de cables o dieléctrico de condensadores por su gran capacidad aislante y resistencia a la temperatura. Los capacitores o condensadores con dieléctrico de teflón se utilizan en equipos amplificadores de sonido de alta calidad. Son los que producen menores distorsiones de audiofrecuencias. Un poco menos eficientes, les siguen los de poliester metalizado (MKP). * En utensilios de cocina, como sartenes y ollas por su capacidad de rozamiento baja, así son fáciles de limpiar y mantiene un grado menor de toxicidad. * En pinturas y barnices. * En estructuras y elementos sometidos a ambientes corrosivos, así como en mangueras y conductos por los que circulan productos químicos. * Como recubrimiento de balas perforantes. El teflón no tiene efecto en la perforación del misil, sino que reduce el rozamiento con el interior del arma para disminuir su desgaste.
9. a) ¿A qué clase de materiales pertenece el nitruro de boro cúbico (cBN)?. b) ¿Cuáles son sus propiedades deseables? c) ¿Cuáles son sus aplicaciones en la industria metalmecánica?
a) El nitruro cúbico de boro (c-BN) pertenece al grupo de los materiales semiconductores. Es un material artificial extremadamente duro, aunque de una dureza menor a la del diamante. Al igual que el diamante, el c-BN es un aislante eléctrico y un excelente conductor del calor. Es ampliamente utilizado como un abrasivo para herramientas industriales, en especial para el mecanizado de aceros aleados y materiales de gran dureza. b) Cada alótropo posee diferentes características: Hexagonal: - Propiedades lubricantes - Es maquinable en el estado prensado en caliente - Es muy resistente al ataque químico, no se moja por la mayoría de metales fundidos, vidrios o sales; - Posee además resistencia dieléctrica y es inerte ante muchos compuestos químicos. Cúbico: - Es el segundo material más duro - Gran conductividad térmica - Excelente resistencia al mojado - Es inerte a gran cantidad de compuestos químicos. c) Su aplicación se da e en la industria metalmecánica la cual consiste en la fabricación de aisladores eléctricos, crisoles y contenedores para reacciones, moldes y barcos de evaporación, máquinas cortadoras y abrasivos, materiales electrónicos, recubrimientos especiales, compactación isostática en caliente. 10. a) ¿Qué son las aramidas?. b) ¿Cuáles son sus propiedades deseables?. c) ¿cuáles son sus aplicaciones en las industrias del equipo deportivo? a) Aramidas son un tipo de fibra sintetica. pertenecen a una familia de nylons, incluyendo el Nomex y el Kevlar. El Kevlar se utiliza para hacer objetos tales como chalecos a prueba de balas y neumáticos de bicicleta resistentes a las pinchaduras. b) Sus Propiedades son: 1. Sensible al ultravioleta. 2. Buena resistencia a choques, a la abrasión, a los disolventes orgánicos y al calor. 3. Sensible a la humedad. c) Por sus propiedades se usa como tejido en la construcción naval. 11. a) ¿A qué clase de materiales pertenece el arseniuro de galio (GaAs)?. b) ¿Cuáles son sus propiedades deseables?. c) ¿cuáles son sus aplicaciones en las industrias electronica?
a) Pertenece al grupo de materiales de los semiconductores porque tienen conductividad eléctrica intermedia. b) Sus propiedades a. Densidad y estado b. Solubilidad en agua c. Punto de fusión d. Ancho de banda prohibida a 300 K c) Sus aplicaciones para la industria se utiliza trabajar con circuitos que permitan actuar a mayores frecuencias tiene su origen en las industrias de defensa y espacial, en el uso de radares, comunicaciones seguras y sensores. Tras el desarrollo por parte de programas federales, pronto el GaAs se extendió a los nuevos mercados comerciales, como redes de área localinalámbricas (WLAN), sistemas de comunicación personal (PCS), transmisión en directo por satélite (DBS), transmisión y recepción por el consumidor, sistemas de posicionamiento global (GPS) y comunicaciones móviles.
12. La superaleaciones con base en níquel se emplean en la estructura de los motores de turbina de los aviones. ¿Cuáles son las propiedades principales de este metal que lo hacen deseable para esta aplicación? Porque poseen elevada resistencia a altas temperaturas, resistencia al ataque del medio ambiente (incluyendo nitruración, carbonización, oxidación y sulfuración), excelente resistencia al creep, resistencia a la ruptura por estrés, estabilidad metalúrgica, características de expansión térmica muy útiles y resistencia a la fatiga térmica y a la corrosión.
13. Identifique varios equipos deportivos que podrían beneficiarse con los materiales inteligentes o con la tecnología de los MEM. Mencione las razones concretas de la idoneidad de la aplicación Los equipos deportivos que podrían beneficiarse con los materiales inteligentes serian: Ropa deportiva. Las zapatillas.
La razón principal seria que estos materiales se encuentran en constante contacto con el cuerpo y que mantengan la frescura corporal del deportista y le brinden una gran comodidad como es el caso de la ropa. Recientemente se desarrollo ropa con airbags su uso sería ideal en la práctica de deportes extremos como el motocross el descenso u otros. 14. ¿Qué son los nanotubos? Mencione algunos ejemplos de su aplicación a materiales Los nanotubos tienen diferentes aceptaciones en las diferentes ramas como veremos acontinuación: En química, se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del orden del nanómetro. Existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono. En electroquímica se utilizan para producir supercondesadores, almacenamiento de hidrogeno y como células solares. En la electrónica son utilizados para la producción de transistores, memorias Otras aplicaciones industriales: Al agregar pequeñas cantidades de nanotubos a polímeros, cambian sus propiedades eléctricas y esto da lugar a las primeras aplicaciones industriales: Biomedicina: Investigadores de universidades italianas han hecho crecer células nerviosas en sustratos, cubiertos por redes de nanotubos de carbono, encontrado un aumento de la señal neuronal transferida entre células. Como los CNTs son similares en forma y tamaño a las células nerviosas pueden ayudar a reestructurar y reconectar neuronas dañadas. Automóviles: Mangueras antiestáticas de combustible Automóviles: Partes plásticas conductoras para pintado spray electrostático Aeroespacio: Partes de aviones Packaging: Antiestático para electrónicos
