Tema 2. Metodologia en La Selección de Materiales

TEMA 2 METODOLOGÍA EN LA SELECCIÓN DE MATERIALES

Estrategia en el diseño de producto Diseño Condiciones de servicio Funciones y forma Coste

Materiales

Procesado

Propiedades Disponibilidad Coste

Equipos para procesar Influencia en propiedades Coste

No se puede seleccionar un material sin tener en cuenta la interrelación: Diseño, Material, Procesado Procesado

Estrategia en el diseño de producto Diseño Condiciones de servicio Funciones y forma Coste

Materiales

Procesado

Propiedades Disponibilidad Coste

Equipos para procesar Influencia en propiedades Coste

No se puede seleccionar un material sin tener en cuenta la interrelación: Diseño, Material, Procesado Procesado

Requerimientos del diseño Sistema a diseñar (sobre qué estamos haciendo el diseño) Condiciones (objetivos) del sistema Restricciones Restricciones (acotaciones) a los objetivos

Criterios de selección

Elementos para la selección de materiales Criterios de selección • Saber Saber en base a qué propieda propiedades des o característic características as vamos vamos a escoger un material u otro  criterios criterios.. • Saber priorizar los criterios.

Candidatos o alternativas de material • Quiénes son los posibles materiales, materiales, es decir, decir, quienes son los candidatos potenciales potenciales..

Información sobre los materiales • Buen comprensión sobre el significado de las propiedades y características de los materiales. • Di Disp spon oner er de información completa sobre los materiales candidatos (bases de datos, handbooks, etc.)

Métodos de selección recomendados Selección gráfica • Se necesita: • Cartas de propiedades de los materiales • Criterios cuantitativos: M = P1 • Índice de materiales o de prestaciones M = P1m / P2n • Se obtiene la ecuación de una recta • Se lleva a la gráfica • Se determinan los materiales seleccionados

Matrices de decisión • La selección se hace con matrices (en general: filas de criterios, columnas de candidatos o alternativas) • Se necesita: • Matriz de datos • Matriz de decisión (evaluación individual) • Matriz de evaluación (evaluación global)

Cartas de propiedades de los materiales

When data for a given material class such as metals are plotted on these axes, it is found that they occupy a field which can be enclosed in a ‘balloon’. Ceramics also occupy a field, and so do polymers, elastomers, composites, and so on. The fields may overlap, but are nonetheless distinct. Almost always, further information can be plotted onto the diagram. The longitudinal wave speed vl (essentially the speed of sound in the material) is plotted on figure 1:

log E  2 log v 1  log ρ Because of the logarithmic scales, lines of constant wave speed form a family of parallel lines of slope 1.

Cartas de propiedades

Índice de prestaciones Fuerza (F) y longitud (l) constantes Sección (S) variable e l b a i r a v S

Se busca barra de masa mínima (m) con máxima resistencia (σR) e t c l

σ

F

 S R S

F σ

 d   m ld  (F) (l)  σ  σ R  R  F

R

m  Vd  Sld

Minimizar m significa maximizar: I  Se toman logaritmos: log I  log σ R  log d

F cte

σ R d

log  R  log I  log d y  b  m x

ecuación de una recta con b = log I y m = 1

Índice de prestaciones

log  R  log I  log d

Índices

Figure 2.1 The specification of function, objective and constraint leads to a materials index. The combination in the highlighted boxes leads to the index ( E1/2)/ .

Performance Index for a light, stiff beam with fixed section-shape Suppose a material is required for a light, stiff beam. The beam has a length L and a square, solid cross-section with second moment of area I (figure 2.2a and table 2.3). We wish to minimise the mass of the beam while still giving it a prescribed stiffness.

————————————————————————————————————— Function Beam Objective Minimise the mass Constraints (a) Length L specified(b) Support bending load F without deflecting too much —————————————————————————————————————

Table 2.3 Design Requirements for the Light Stiff Beam

Carta de propiedades E vs.

ρ

Ejemplo de selección gráfica de materiales ———————————————————————————————————— FUNCTION Column (support compressive loads) OBJECTIVE (a)Minimise mass (b)Maximise slenderness CONSTRAINTS Must not buckleMust not fracture if accidentally struckCost of material is of interest, but not a constraint ————————————————————————————————————

Table M4.1 The design requirements Table M4.1 lists the design brief. This is a problem with two design objectives: weight is to be minimised, and slenderness maximised. There is one constraint: resistance to buckling. Consider minimising weight first. A leg is a slender column of material with density  and modulus E. Its length, , and the maximum load, P, it must carry are fixed by the design. The radius r of the leg is a free variable. We wish to minimise the mass m of the leg, given by the objective function , (M4.1) subject to the constraint that it supports a load P without buckling. The elastic load Pcrit of a column of length and radius r is

,

(M4.2)

where I = r 4/4 is the second moment of area of the column. The load P must not exceed Pcrit. Solving for the free variable, r , and substituting it into equation M4.1 gives m=

. (M4.3)

Ejemplo de selección gráfica de materiales

Figure M4.2(b) The E-r chart. The horizontal line shows the M2= 100 GPa buckling constraint.

Selección mediante matrices de decisión Comparativa entre los métodos más comunes

Método

Tipo

Factores de peso en los criterios

Pugh

Cualitativo

No

Dominic

Cualitativo

Si (cualitativos)

Pahl y Beitz

Cuantitativo

Si (cuantitativos)

Selección mediante matrices de decisión

Método de Pugh s o t a d e d z i r t a M

Rediseño de un muelle helicoidal para un tren de juguete

n ó i s i c e d e d z i r t a M

Matriz de evaluación

s o i r e t i r C

Alternativas


Método de Dominic Conductor térmico bajo carga estática: • • • • • •

s o t a d e d z i r t a M

producción en masa forro cilíndrico (una hoja curvada conteniendo el elemento calefactor) T trabajo cercana a la ambiente soporta carga a compresión puede abollarse en el manejo (dent resistance) considerar el procesado en cuanto a coste herramienta y recuperación elástica de la hoja (springback)


Método de Dominic

n ó i s i c e d e d z i r t a M

n ó i c a u l a v e e d z i r t a M


Método de Pahl y Beitz

s o t a d e d z i r t a M

Engranaje epicíclico para un destornillador a batería


Método de Pahl y Beitz Árbol de objetivos

Se debe obtener factores de peso cuantitativos: { Factor de peso global del nivel i } = { Factor de peso local del nivel i } x { Factor de peso global del nivel i-1 }


Método de Pahl y Beitz

Matriz de decisión Matriz de evaluación

Ejemplos de cartas de propiedades
















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