Michael ashby capítulo 1 traducción 1 edición Chapter 1 Introduction: materials—history and carácter

1.1 Materiales, procesos y selección Ingenieros hacen cosas. Ellos les hacen fuera de los materiales. Los materiales tienen que soportar cargas, para aislar o conducir el calor y la electricidad, para aceptar o rechazar el flujo magnético, para transmitir o reflejar la luz, para sobrevivir en un entorno a menudo hostil, y para hacer todo esto sin dañar el medio ambiente o que cuesta demasiado. Y no es el socio en todo esto. Para hacer algo de un material también necesita un proceso. No cualquier proceso en el que usted elija tiene que ser compatible con el material que va a utilizar. A veces es el proceso que es el socio dominante y un compañero de material procede declarar que es compatible con ella. Se trata de un matrimonio. Compatibilidad no se encuentra fácilmente, muchos matrimonios de perecer; y la insuficiencia de material pueden ser catastróficas, con cuestiones de responsabilidad y compensación. Esto suena como alimento para los abogados, ya veces es: algunos especialistas se ganan la vida como peritos en los casos judiciales que involucran materiales fallidos. Pero nuestro objetivo aquí no es la contención; más bien, es para darle una visión del universo material (ya que, incluso en los planetas más remotos se encuentran los mismos elementos) y del universo de los procesos, y para proporcionar métodos y herramientas para la elección de ellos para garantizar un feliz y duradero sindicato. Pero, usted puede decir, los ingenieros han estado haciendo cosas fuera de los materiales durante siglos, y con éxito tan pensar Isambard Kingdom Brunel, Thomas Telford, Gustave Eiffel, Henry Ford, Karl Benz y Gottlieb Daimler, los hermanos Wright. ¿Por qué necesitamos nuevas formas de elegir ellos? Un poco de historia ayuda aquí. Vistazo al retrato con el que este capítulo comienza: muestra James Stuart, el primer profesor de Ingeniería en la Universidad de Cambridge desde 1875 hasta 1890 (nótese el cigarro). En su día el número de materiales disponibles para los ingenieros era pequeña de unos pocos cientos a más. No hubo sintéticos polímeros en la actualidad hay más de 45 000 de ellos. No hubo aleaciones ligeras (aluminio se estableció por primera vez como un material de ingeniería única en el siglo 20 -ahora hay miles. No hubo compuestos -ahora de alto rendimiento hay cientos de ellos. La historia se desarrolla además en la figura 1.1, los tiempo-eje que se extiende por 10 000 años. Se muestra más o menos cuando cada una de las principales clases de materiales de primera evolucionado. La escala de tiempo es lineal, casi todos los materiales que utilizamos hoy fueron desarrollados en los últimos 100 años. Y este número es enormes: más de 160 materiales 000 están disponibles para el ingeniero de hoy, nos presenta un problema que el profesor Stuart no tenía:. de que manera óptima selección de esta enorme menú Con la creciente unidad de rendimiento, economía y eficiencia, y el imperativo de evitar daños al medio ambiente, por lo que la elección correcta es muy importante. El diseño innovador significa la explotación imaginativa de las propiedades que ofrecen los materiales. Estas propiedades, hoy en día, son en gran parte conocido y documentado en los manuales; uno de los Materiales ASM Handbook-corre tales a 22 volúmenes de grasa, y es uno de muchos. ¿Cómo vamos a lidiar con este vasto cuerpo de información? Afortunadamente otra cosa ha cambiado desde el primer día del Prof. Stuart: ahora tenemos almacenamiento de información digital y la manipulación. Diseño asistido por ordenador es ahora una parte estándar de la formación de un ingeniero, y está respaldado por paquetes ampliamente disponibles para el modelado de sólidos, análisis de elementos finitos, optimización, y para el material y proceso de selección. Software para el último de ellos, la selección de materiales y procesos se basa en las bases de datos de los atributos de los materiales y procesos, que documentan su compatibilidad mutua, y les permite buscar y mostrar de manera que permiten a las selecciones que mejor se adapte a las exigencias de un diseño. Si usted viaja a pie, en bicicleta o en coche, se toma un mapa. El paisaje de materiales, como el terrestre, puede ser complejo y confuso; mapas, aquí, son también una buena idea. Este texto presenta un enfoque de diseño dirigido a los materiales y procesos de fabricación que hace uso de los mapas: nuevos gráficos para mostrar el mundo de los materiales y procesos de manera fácilmente accesible. Presentan las propiedades de los materiales en formas que dan una visión global, que revelan las relaciones entre las propiedades y que la selección de habilitación. 1.2 Propiedades de los materiales Entonces, ¿qué son estas propiedades? Algunos, como la densidad (masa por unidad de volumen) y el precio (el costo por unidad de volumen o peso) están familiarizados lo suficiente, pero otros no lo son, y lo que les permitió recta es esencial. Piense primero de los que tienen que ver con el transporte de carga de forma segura, las propiedades mecánicas. propiedades mecánicas Una regla de acero es fácil de doblar elasticall -'elastic 'significa que de que se devuelve cuando se suelta. Su rigidez elástica (aquí, la resistencia a la flexión) se ajusta en parte por sus tiras con forma de delgadas son fáciles de doblar-y en parte por una propiedad del acero en sí: su módulo elástico, E. Materiales con alta E, como el acero, son intrínsecamente tieso; aquellos con bajo E, como el polietileno, no lo son. Figura 1.2 (b) ilustra las consecuencias de la rigidez inadecuada.

La regla de acero se dobla elásticamente, pero si es una buena idea, es difícil darle una curvatura permanente. Deformación permanente tiene que ver con la fuerza, no la rigidez. La facilidad con que una regla se puede doblar de forma permanente depende, de nuevo, en su forma y en una característica diferente de la de su límite elástico de acero, cuando s. Los materiales con gran cuando s, como las aleaciones de titanio, son difíciles de deformar permanentemente a pesar de su rigidez, procedente de E, puede no ser alta; aquellos con baja cuando s, como el plomo, puede deformarse con facilidad. Cuando los metales se deforman, por lo general se hacen más fuertes (esto se llama 'endurecimiento'), pero hay un límite último, llamó la resistencia a la tracción, σts, más allá del cual el material falla (la cantidad que se extiende antes de romperse se llama la ductilidad) . Figura 1.2 (c) da una idea de las consecuencias de la fuerza inadecuada. Hasta ahora, todo bien. Uno mas. Si la regla no se hicieron de acero, pero de vidrio o de PMMA (Plexiglas, Perspex), como gobernantes transparentes son, no es posible doblar permanentemente en absoluto. El gobernante se fractura repente, sin previo aviso, antes de que adquiera una curva permanente. Pensamos en los materiales que se rompen de esta manera tan frágil, y los materiales que no lo hacen tan difícil. No hay deformación permanente aquí, así que cuando s no es el derecho de propiedad. La resistencia de los materiales a la fisuración y la fractura se mide no por la tenacidad a la fractura, K1c. Aceros son difíciles así, la mayoría son (aceros se pueden hacer frágil) -tienen un alto K1c. Glass personifica fragilidad; tiene un muy bajo K1c. Figura 1.2 (d) sugiere consecuencias de la fractura inadecuada y tenacidad. Comenzamos con la densidad de los bienes materiales, la masa por unidad de volumen, símbolo ρ. Densidad, en una regla, es irrelevante. Pero para casi cualquier cosa que se mueve, de peso conlleva una pena de combustible, modesta para los automóviles, mayor para los camiones y trenes, más grande aún para los aviones, y enorme en vehículos espaciales. Minimizar el peso tiene mucho que ver con el diseño inteligente, vamos a llegar a eso más adelante, pero igualmente a la elección de material. El aluminio tiene una densidad baja, llevan una alta uno. Si nuestro pequeño avión fue hecha de plomo, nunca conseguir de la tierra en absoluto (Figura 1.2 (e)). Estas no son las únicas propiedades mecánicas, pero son los más importantes. Vamos a su encuentro, y los otros, en los capítulos 4-11. propiedades termicas Las propiedades de un cambio sustancial con la temperatura, por lo general para peor. Su fuerza cae, comienza a 'creep' (a hundirse lentamente en el tiempo), puede oxidarse, degradar o descomponer (Figura 1.3 (a)). Esto significa que hay una llamada temperatura límite de la temperatura máxima de servicio, Tmax, encima de la cual su uso es poco práctico. El acero inoxidable tiene un alto Tmáx-se puede utilizar hasta 800 ° C; mayoría de los polímeros tienen una baja Tmáx y rara vez se utilizan por encima de 150 ° C. La mayoría de los materiales se expanden cuando se calientan, pero por diferentes cantidades dependiendo de su coeficiente de expansión térmica, α. La expansión es pequeño, pero sus consecuencias puede ser grande. Si, por ejemplo, una varilla está limitado, como en la figura 1.3 (b), y luego se calienta, la expansión obliga a la varilla en contra de las restricciones, haciendo que la hebilla. Vía hebillas de esta manera si el suministro no está hecho para hacer frente a ella. Algunos materiales metálicos, por ejemplo, sensación de frío; otros, como la cálida sensación maderas. Esta sensación tiene que ver con dos propiedades térmicas del material: conductividad térmica y capacidad calorífica. El primero, conductividad térmica, λ, mide la velocidad a la que el calor fluye a través del material cuando un lado está caliente y el otro frío. Los materiales con alta λ son lo que usted desea si usted desea conducir el calor de un lugar a otro, como en sartenes de cocina, radiadores e intercambiadores de calor; Figura 1.3 (c) sugiere consecuencias de la alta y baja λ para el recipiente de cocción. Pero bajo λ es materiales λ demasiado bajos útiles aíslan hogares, reducir el consumo de energía de los refrigeradores y congeladores, y permitir que los vehículos espaciales para volver a entrar en la atmósfera de la Tierra. Estas aplicaciones tienen que ver con la de largo plazo, el flujo de calor constante. Cuando el tiempo es limitado, esa otra capacidad de alojamiento de calor, Cp asuntos. Mide la cantidad de calor que se necesita para hacer que la temperatura de la subida de material por un importe determinado. Elevada capacidad de calor de cobre, por ejemplo, requiere una gran cantidad de calor para cambiar su temperatura; materiales de baja capacidad de calor, como espumas de polímero, toman mucho menos. Flujo de calor constante tiene, como hemos dicho, que ver con la conductividad térmica. Hay una propiedad más sutil que describe lo que sucede cuando se aplicó por primera vez el calor. Piense en la iluminación del gas bajo una losa fría de material con un tronco de helados en la parte superior (en este caso, lima helados) como en la figura 1.3 (d). Un instante después de la ignición, la superficie inferior es caliente, pero el resto es frío. Después de un tiempo, el medio se calienta, a continuación, más tarde aún, la parte superior comienza a calentarse y el helado primero comienza a derretirse. ¿Cuánto tiempo dura esto? Para un espesor dado de la losa, el tiempo es inversamente proporcional a la difusividad térmica, una, del material de la losa. Se diferencia de la conductividad porque los materiales difieren en su capacidad de calor, de hecho, es proporcional a λ / Cp. Hay otras propiedades-nosotros térmicas cumplen en los capítulos 12 y 13, pero esto es suficiente por ahora. Pasamos ahora a asuntos eléctricos, magnéticos y ópticos.

Propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas empezamos con la conducción eléctrica y el aislamiento (Figura 1.4 (a)). Sin conducción eléctrica nos faltaría el fácil acceso a la luz, el calor, el poder, el control y la comunicación que-Toda -nos dar por sentado. Metales realizan de cobre y aluminio, así son los mejores de los que son asequibles. Pero la conducción no es siempre una buena cosa. Cajas de fusibles, carcasas de interruptores, las suspensiones para todas las líneas de transmisión requieren aisladores, y además de aquellos que pueden llevar a alguna carga, toleran algo de calor y sobreviven una chispa si había uno. Aquí la propiedad que queremos es la resistividad, ρe, la inversa de κe conductividad eléctrica. La mayoría de los plásticos y de vidrio tienen una alta resistividad (Figura 1.4 (a)) - Se utilizan como aislantes, aunque, por un tratamiento especial, que se pueden hacer para llevar a cabo un poco. Figura 1.4 (b) sugiere nuevas propiedades eléctricas: la capacidad de permitir el paso de la radiación de microondas, como en el radomo, o para reflejar ellos, como en el reflector pasivo de la embarcación. Ambos tienen que ver con las propiedades dieléctricas, en particular el εD constante dieléctrica. Los materiales con alta εD responden a un campo eléctrico por el cambio de sus electrones sobre, incluso la reorientación de sus moléculas; aquellos con baja εD son inmunes al campo y no responden. Exploramos esta y otras propiedades eléctricas en el capítulo 14. La electricidad y el magnetismo están estrechamente vinculados. Las corrientes eléctricas inducen campos magnéticos; un imán en movimiento induce, en cualquier conductor cercano, una corriente eléctrica. La respuesta de la mayoría de los materiales a los campos magnéticos es demasiado pequeño para ser de valor práctico. Pero unos pocos llamados ferroimanes y ferrimagnets-tienen la capacidad para atrapar un campo magnético permanente. Estos son los llamados materiales magnéticos "duros" porque, una vez magnetizado, que son difíciles de desmagnetizar. Se utilizan como imanes permanentes en los auriculares, motores y dinamos. Aquí la propiedad clave es la remanencia, una medida de la intensidad de la magnetismo retenido. A algunos otros-'soft imán 'materiales-son fáciles de magnetizar y desmagnetizar. Son los materiales de núcleos de transformadores y las bobinas de deflexión de un tubo de televisión. Tienen la capacidad para llevar a cabo un campo magnético, pero no retienen de forma permanente (Figura 1.4 (c)). Para éstos una propiedad clave es la magnetización de saturación, que mide qué tan grande un campo del material puede llevar a cabo. Estos nos volvamos a encontrar en el capítulo 15. Materiales responden a la luz, así como a la electricidad y magnetismo de extrañar, ya que la propia luz es una onda electromagnética. Los materiales que son opacos reflejan la luz; los que son transparentes refractar, y algunos tienen la capacidad de absorber algunas longitudes de onda (colores) mientras que permitir que otros pasan libremente (Figura 1.4 (d)). Estos son explorados con mayor profundidad en el capítulo 16. propiedades químicas Los productos a menudo tienen que funcionar en ambientes hostiles, expuestos a fluidos corrosivos, a los gases calientes o a la radiación. El aire húmedo es corrosivo, por lo que es el agua; Con el sudor de tu mano es particularmente corrosivo, y por supuesto no son entornos mucho más agresivos que éstos. Si el producto es de sobrevivir durante su vida de diseño debe ser de materiales, o al menos recubiertos con materiales que pueden tolerar el entorno en el que operan. Figura 1.5 ilustra algunos de los más comunes de estos: el agua dulce y salada, ácidos y álcalis, disolventes orgánicos, oxidantes llamas. y la radiación ultravioleta. Consideramos que la resistencia intrínseca de un material para cada una de estas propiedades como materiales, medido en una escala de 1 (muy mala) a 5 (muy bueno). Capítulo 17 trata de la durabilidad del material. 1.3 propiedades Diseño limitante El rendimiento de un componente está limitado por ciertas de las propiedades de los materiales de los que está hecho. Esto significa que, para lograr un nivel deseado de rendimiento, los valores de las propiedades de diseño limitante deben cumplir con ciertos objetivos, aquellas que no lo hacen no son adecuados. En la caricatura de la figura 1.2, rigidez, resistencia y tenacidad son diseño limitante, si cualquiera de ellos eran demasiado bajas, el avión no vuela. En el diseño de líneas de transmisión eléctrica resistividad eléctrica es el diseño limitante; en el diseño de una lente de cámara, que es la calidad óptica e índice de refracción. Los materiales son elegidos mediante la identificación de las propiedades del diseño y la aplicación de la limitación de límites a ellos, descartar a aquellos que no cumplan con los límites (capítulo 3). Procesos, también, tienen propiedades, aunque no los hemos cumplido todavía. Estos también pueden ser de diseño limitante, lo que lleva a un esquema paralelo para la elección de los procesos viables (Capítulos 18 y 19). 1.4 Resumen y conclusiones Diseño de ingeniería depende de los materiales que se forman, se unieron y terminaron por procesos. Los requisitos de diseño definen el rendimiento requerido de los materiales, expresado como valores objetivo para

ciertas propiedades de diseño limitativo. Un material es elegido porque tiene propiedades que cumplan estos objetivos y es compatible con los procesos necesarios para dar forma, unirse y terminarlo. Este capítulo introduce algunas de las propiedades de diseño de limitar: propiedades físicas (como densidad), propiedades mecánicas (como módulo y límite de elasticidad) y propiedades funcionales (aquellos que describe el comportamiento térmico, eléctrico, magnético y óptico). Examinamos todos ellos con más profundidad en los capítulos que siguen, pero aquellos que acaba de presentar lo bastante para estar pasando con. Pasamos ahora a los propios materiales: las familias, las clases y los miembros. The history and evolution of materials A History of Technology (1954–2001) (21 volumes), edited by Singer, C., Holmyard, E.J., Hall, A.R., Williams, T.I. and Hollister-Short, G. Oxford University Press, Oxford, UK. ISSN 0307-5451. (A compilation of essays on aspects of technology, including materials.) Delmonte, J. (1985) Origins of Materials and Processes, Technomic Publishing Company, Pennsylvania, USA. ISBN 87762-420-8. (A compendium of information about materials in engineering, documenting the history.) Tylecoate, R.F. (1992) A History of Metallurgy, 2nd edition, The Institute of Materials, London, UK. ISBN 0-904357-066. (A total-immersion course in the history of the extraction and use of metals from 6000 BC to 1976, told by an author with forensic talent and love of detail.) Chapter 2 El proceso de diseño

2.1 Introducción y sinopsis Es el diseño mecánico con el que estamos principalmente preocupados aquí; se trata de los principios físicos, el buen funcionamiento y la producción de sistemas mecánicos. Esto no significa que ignoremos el diseño industrial, que habla de modelo, color, textura, y (sobre todo) la apelación, pero los consumidores que viene después. El punto de partida es un buen diseño mecánico, y las formas en que la selección de los materiales y procesos contribuyen a ella. Nuestro objetivo es desarrollar una metodología para la selección de los materiales y procesos que se diseño dirigido; es decir, la selección utiliza, como entradas, los requisitos funcionales del diseño. Para ello, primero debemos examinar brevemente el diseño en sí. Como la mayoría de los campos técnicos que tiene incrustaciones de su propia jerga especial, parte de ella rayana en lo incomprensible. Tenemos muy poco, pero no todos podemos ser evitado. Este capítulo presenta algunas de las palabras y frases, el vocabulario de diseño, las etapas de su aplicación, y las formas en que los materiales de selección con estos enlaces. 2.2 El proceso de diseño

El punto de partida es una necesidad del mercado o una nueva idea; el punto final es la especificación completa de productos de un producto que llena la necesidad o encarna la idea. Una necesidad debe ser identificada antes de que pueda cumplirse. Es esencial para definir la necesidad de precisión, es decir, formular una declaración de necesidad, a menudo en la forma: 'Se requiere un dispositivo para llevar a cabo la tarea X' '', expresó como un conjunto de requisitos de diseño. Escritores en el diseño hacen hincapié en que la declaración y su elaboración en los requisitos de diseño deben ser solución neutra (es decir, no deben implicar cómo se realizará la tarea), para evitar el pensamiento estrecho limitado por preconcepciones. Entre la declaración de necesidad y el pliego de condiciones se encuentran el conjunto de etapas que se muestran en la Figura 2.1: las etapas de conceptual, realización y los diseños detallados, se explica en un momento. El producto en sí se llama un sistema técnico. Un sistema técnico se compone de sub-conjuntos y componentes, juntos de una manera que lleva a cabo la tarea requerida, como en el desglose de la Figura 2.2. Es como describir un gato (el sistema) como compuesto por una cabeza, un cuerpo, una cola, cuatro piernas, etc. (los subconjuntos), cada uno compuesto de componentes de fémures, cuádriceps, garras, pelaje. Esta descomposición es una forma útil para analizar un diseño ya existente, pero no es de mucha ayuda en el propio proceso de diseño, es decir, en la síntesis de nuevos diseños. Mejor, para este propósito, es uno basado en las ideas de análisis de sistemas. Se piensa en las entradas y salidas, los flujos de información, energía y materiales, como en la Figura 2.3. El diseño convierte los insumos en las salidas. Un motor eléctrico convierte eléctrica en energía mecánica; una prensa de forja toma y da nueva forma material; una alarma antirrobo recoge la información y la convierte en ruido. En este enfoque, el sistema se divide en subsistemas conectados cada uno de los cuales realiza una función específica, como en la figura 2.3; la disposición resultante se llama la función-estructura o función descomposición del sistema. Es como describir un gato como un enlace apropiado de un sistema respiratorio, un sistema cardiovascular, el sistema nervioso, un sistema digestivo y así sucesivamente. Diseños alternativos enlazan las funciones de la unidad de maneras alternativas, combinan funciones, o ellos se separaron. La estructura de la función da una forma sistemática de evaluar opciones de diseño.

El diseño procede por conceptos en desarrollo para llevar a cabo las funciones en la estructura de la función, cada uno basado en un principio de trabajo. Ante esto, la etapa de diseño conceptual, todas las opciones están abiertas: el diseñador considera conceptos alternativos y las formas en que estos podrían ser separados o combinados. La siguiente etapa, forma de realización, toma los conceptos prometedores y busca analizar su funcionamiento a un nivel aproximado. Esto implica el dimensionamiento de los componentes, y la selección de materiales que llevarán a cabo correctamente en los rangos de la tensión, la temperatura, y el medio ambiente sugeridas por los requisitos de diseño, examinando las implicaciones para el rendimiento y el costo. La etapa de realización termina con un diseño factible, que luego se pasa a la etapa de diseño detallado. Aquí

especificaciones para cada componente se elaboran. Los componentes críticos pueden ser sometidos a análisis mecánico o térmico preciso. Métodos de optimización se aplican a los componentes y grupos de componentes para maximizar el rendimiento. A elección final de la geometría y el material se hace y se analizan y costó los métodos de producción. La etapa termina con una especificación detallada de la producción.

Todo eso suena muy bien. Si sólo fuera tan simple. El proceso lineal sugerido por la figura 2.1 oscurece el fuerte acoplamiento entre las tres etapas. Las consecuencias de decisiones tomadas en las etapas de concepto o de realización pueden no ser evidentes hasta que se examinó el detalle. Iteración, bucle de nuevo a explorar alternativas, es una parte esencial del proceso de diseño. Piensa en cada una de las muchas opciones posibles

que se podrían hacer como un conjunto de burbujas en el espacio de diseño como lo sugiere la Figura 2.4. Aquí C1, C2,. . . son posibles conceptos, y E1, E2,. . . , Y D1, D2,. . . son posibles realizaciones y elaboraciones detalladas de ellos. A continuación, el proceso de diseño se convierte en uno de los caminos que crean, que une manchas compatibles, hasta que una conexión se realiza desde la parte superior ('' necesidad del mercado '') a la parte inferior ('' especificaciones ''). Los caminos de los ensayos tienen callejones sin salida, y bucle. Es como encontrar una pista a través de terreno difícil, puede ser necesario volver muchas veces si, al final, vamos a seguir adelante. Una vez que se encuentra un camino, siempre es posible que se vea lineal y lógica (y muchos libros hacerlo), pero la realidad se parece más a la figura 2.4, no Figura 2.1. Así, una parte clave del diseño y de la selección de materiales para ello, es la flexibilidad, la capacidad de explorar alternativas rápidamente, manteniendo el panorama general, así como los detalles en foco. Nuestro enfoque en capítulos posteriores se encuentra en la selección de materiales y procesos, donde se plantea exactamente la misma necesidad. Esto requiere asignaciones simples de los reinos '' '' de los materiales y procesos que permiten encuestas rápidas de alternativas mientras que todavía proporciona detalle cuando se necesita. Las tablas de selección del capítulo 4 y los métodos del capítulo 5 ayuda hacen esto.

Descrito en abstracto, estas ideas no son fáciles de entender. Un ejemplo ayudará a-se trata en la Sección 2.6. En primer lugar, un vistazo a los tipos de diseño. 2.3 Tipos de diseño No siempre es necesario empezar, por así decirlo, a partir de cero. Diseño original hace: se trata de una nueva idea o principio de funcionamiento (el bolígrafo, el disco compacto). Nuevos materiales pueden ofrecer nuevas combinaciones únicas de propiedades que permiten diseño original. Así silicio de alta pureza activar el transistor; vidrio de alta pureza, la fibra óptica; altos imanes de fuerza coercitiva, el auricular miniatura, láseres de estado sólido del disco compacto. A veces, el nuevo material sugiere que el nuevo producto; a veces en lugar del nuevo producto exige el desarrollo de un nuevo material: la tecnología nuclear condujo el desarrollo de una serie de nuevas aleaciones de circonio y aceros inoxidables bajos en carbono; tecnología espacial estimuló el desarrollo de materiales compuestos ligeros; tecnología de turbinas de las unidades actuales de desarrollo de aleaciones de alta temperatura y cerámica. Diseño adaptable o de desarrollo toma un concepto existente y busca un avance gradual en el rendimiento a través de un refinamiento del principio de funcionamiento. Esto, también, a menudo es posible gracias a la evolución de los materiales: polímeros sustitución de metales en los aparatos domésticos; fibra de carbono sustituyendo la madera en artículos deportivos. El aparato y el mercado de artículos deportivos son grandes y competitivos. Mercados aquí con frecuencia se han ganado (y perdido) por el modo en que el fabricante ha adaptado el producto mediante la explotación de nuevos materiales. Variante del diseño implica un cambio de escala o dimensión o detallando sin cambio de función o el método de lograrlo: la ampliación de las calderas o de recipientes a presión, o de las turbinas, por ejemplo. Cambio de escala o las circunstancias de uso puede requerir el cambio de material: pequeñas embarcaciones están hechas

de fibra de vidrio, grandes barcos están hechos de acero; pequeñas calderas están hechos de cobre, los grandes de acero; aviones subsónicos están hechos de una aleación, supersónico de otro; y por buenas razones, se detalla en los capítulos posteriores. 2.4 Diseño de herramientas y materiales de datos Para implementar las etapas de la figura 2.1, se hace uso de herramientas de diseño. Ellos se muestran como entradas, que se adjunta a la izquierda de la columna vertebral principal de la metodología de diseño en la Figura 2.5. Las herramientas permiten el modelado y la optimización de un diseño, aliviando los aspectos rutinarios de cada fase. Función-modeladores sugieren estructuras funcionales viables. Optimizadores de configuración sugieren o perfeccionar las formas. Paquetes de modelado de sólidos geométricos y 3D permiten la visualización y crear archivos que se pueden cargar hacia abajo a los sistemas de prototipado y fabricación controlada numéricamente. Optimización, software DFM, DFA, 1 y estimación de costes permite a los aspectos de fabricación para ser refinado. Elementos finitos (FE) y la dinámica de fluidos computacional paquetes (CFD) permiten el análisis mecánico y térmico preciso, incluso cuando la geometría es compleja y las deformaciones son grandes. Hay una progresión natural en el uso de las herramientas como el diseño evoluciona: análisis aproximado y modelado en la etapa conceptual; modelado más sofisticado y optimización en la etapa de realización; y precisa ('' exacta '' - pero nada es eso) el análisis en la etapa de diseño detallado.

Selección de materiales entra en cada etapa del diseño. La naturaleza de los datos necesarios en las primeras etapas difiere en gran medida en su nivel de precisión y amplitud de la que se necesita más adelante (Figura 2.5, lado derecho). En la etapa de concepto, el diseñador requiere de propiedad valores aproximados, pero para la gama más amplia posible de los materiales. Todas las opciones están abiertas: un polímero puede ser la mejor opción para un concepto, un metal por otro, a pesar de que la función es la misma. El problema, en esta etapa, no es de precisión y detalle; es la amplitud y velocidad de acceso: ¿cómo se puede presentar la gran variedad de datos para dar al diseñador de la mayor libertad en la consideración de alternativas? En la etapa de realización, el paisaje se ha reducido. Aquí necesitamos datos para un subconjunto de los materiales, pero a un nivel más alto de precisión y detalle. Estos se encuentran en los manuales más especializadas y software que tienen que ver con una sola clase o subclase de materiales de metales o aleaciones de aluminio solo, por ejemplo. El riesgo ahora es que de perder de vista la propagación mayor de materiales a los que hay que devolver si los detalles no funcionan; es fácil quedar atrapado en una sola línea de pensamiento de un único conjunto de '' conexiones '' en el sentido descrito en el apartado anterior, cuando otras combinaciones de conexiones ofrecen una mejor solución al problema de diseño. La etapa final de diseño detallado requiere un nivel aún mayor de precisión y detalle, pero por sólo una o unas muy pocos materiales. Dicha información se encuentra mejor en las fichas de datos emitidos por los productores de materias ellos mismos, y en las bases de datos detallados para las clases de materiales restringidos. Un material dado (polietileno, por ejemplo) tiene una serie de propiedades que se derivan de las diferencias en las maneras diferentes productores lo hacen. En la etapa de diseño detallado, un proveedor debe ser identificado, y las propiedades de su producto usado en los cálculos de diseño; que de otro proveedor puede tener propiedades ligeramente diferentes. Y a veces incluso esto no es lo suficientemente bueno. Si el componente es crítico (lo que significa que su fracaso podría, en algún sentido u otro, ser desastroso), entonces puede ser

prudente realizar pruebas internas para medir las propiedades críticas, utilizando una muestra del material que se utilizará para hacer que el producto en sí. Todo es un poco como la elección de una bicicleta. En primer lugar, decidir qué concepto más adaptado a sus necesidades (bici de la calle, en bicicleta de montaña, carreras, plegables, compras, descanso,...), Lo que limita la elección de un subconjunto. Luego viene el siguiente nivel de detalle. ¿Qué marco material? Qué engranajes? ¿Qué tipo de frenos? ¿Qué forma de manillar? En este punto se tiene en cuenta el equilibrio entre rendimiento y coste, la identificación (por lo general con algún compromiso) un pequeño subconjunto que cumplan tanto sus deseos y su presupuesto. Por último, si la bicicleta es importante para usted, busque más información en las revistas de la bici, la literatura de los fabricantes o los puntos de vista de los aficionados, y probar candidatos-bikes ti mismo. Y si no te gusta que te vuelves uno o más pasos. Sólo cuando un partido entre su necesidad y un producto disponible se encuentra usted hace una selección final. La entrada de materiales no termina con el establecimiento de la producción. Productos fallan en el servicio, y los fallos contienen información. Es un fabricante de imprudencia que no recopilar y analizar datos sobre las fallas. A menudo, esto apunta a la mala utilización de un material, que rediseñar o volver a la selección puede eliminar. 2.5 Función, el material, la forma y proceso de La selección de un proceso de material y no se puede separar de la elección de la forma. Usamos la palabra '' forma '' para incluir el, macro-forma externa, y- cuando sea necesario, la forma de micro interno, o, como en un panal o estructura celular. Para hacer la forma, el material es sometido a procesos que, en conjunto, vamos a llamar a la fabricación: se incluyen los procesos primarios de formación (como fundición y forja), procesos de eliminación de material (mecanizado, taladrado), procesos de acabado (como el pulido) y uniéndose procesos (por ejemplo, soldadura). Función, material, forma y interactúan proceso (Figura 2.6). Función dicta la elección de los materiales y la forma. Proceso está influenciada por el material: por su conformabilidad, maquinabilidad, soldabilidad, el calor-tratabilidad, y así sucesivamente. Proceso obviamente interactúa con forma-el proceso determina la forma, el tamaño, la precisión y, por supuesto, el costo. Las interacciones son de dos vías: la especificación de la forma restringe la elección del material y el proceso; pero igualmente la especificación del proceso limita los materiales que puede utilizar y las formas que pueden tomar. Cuanto más sofisticado sea el diseño, la más estricta de las especificaciones y la mayor de las interacciones. Es como hacer vino: hacer vino de cocina, casi cualquier proceso de fermentación de uva y lo hará; hacer champán, tanto de uva y el proceso deben ser fuertemente limitados. La interacción entre la función, material, forma, y el proceso se encuentra en el centro del proceso de selección de materiales. Pero en primer lugar, un estudio de caso para ilustrar el proceso de diseño.

2.6 Estudio de caso: dispositivos para abrir las botellas con corcho Vino, como el queso, es una de las mejoras del hombre sobre la naturaleza. Y desde que el hombre se ha preocupado sobre el vino, que se ha preocupado por el corcho para mantenerla cerrada con seguridad en

frascos y botellas. '' Corticum. . . ánforas demovebit. . . '' - '' Uncork el ánfora. . . '' Cantó Horace2 (27 aC) para celebrar el aniversario de escapar hismiraculous de la muerte por un árbol que cae. Pero, ¿cómo lo hizo? Una botella con corcho crea una necesidad de mercado: es la necesidad de tener acceso a la vino en el interior. Podríamos decirlo así: '' Se necesita un dispositivo para sacar corchos de botellas de vino. '' Pero espera. La necesidad debe ser expresada en forma de solución neutral, y esto no es. El objetivo es obtener acceso al vino; nuestra declaración implica que esto se hará mediante la eliminación de la corcho, y que se retira tirando. Podría haber otras maneras. Así que vamos a intentarlo de nuevo: '' Se necesita un dispositivo para permitir el acceso al vino en una botella con corcho '' (Figura 2.7) y uno podríamos añadir, '' 'con la conveniencia, a un costo reducido, y sin contaminar el vino. "

Cinco conceptos para hacer esto se muestran en la Figura 2.8. En fin, son para quitar el corcho mediante tracción axial (¼ tirando); para eliminarlo por tracciones cortantes; para empujar hacia fuera desde abajo; para pulverizarla; y por pasar por completo por la anulación del cuello de la bottle3 quizás.

Figure 2.10 Cork removers that employ the working principles of Figure 2.9: (a) direct pull; (b) gear lever, screw-assisted pull; (c) spring-assisted pull (a spring in the body is compressed as the screw is driven into the cork; (d) shear blade systems; (e) pressure-induced removal systems. Existen numerosos dispositivos para lograr la primera de tres de estos. Los otros se utilizan también, aunque por lo general sólo en momentos de desesperación. Vamos a eliminar éstos con el argumento de que pudieran contaminar el vino, y examinar los otros más de cerca, la exploración de los principios de trabajo. Figura 2.9 muestra una para cada uno de los tres primeros conceptos: en el primero, un tornillo se enrosca en el corcho al que se aplica una tracción axial; en el segundo, láminas elásticas delgadas insertados por los lados del corcho aplican tracciones de corte cuando se tira; y en el tercero el corcho es perforado por una aguja hueca a través del cual un gas se bombea a empujar hacia fuera. La figura 2.10 muestra ejemplos de los removedores de corcho que utilizan estos principios de trabajo. Todos son descritos por la estructura función esbozado en la parte superior de la figura 2.11: crear una fuerza, transmitir una fuerza, aplicar la fuerza para el corcho. Se diferencian en el principio de funcionamiento por los que estas funciones se consiguen, como se indica en la parte inferior de la figura. Los removedores de corcho en las fotos se combinan los principios de trabajo en los caminos indicados por las líneas que unen. Otros podrían concebirse haciendo otros enlaces. Figura 2.12 muestra bocetos de realización para dispositivos basados en un solo concepto: el de tracción axial. El primero es un tirón directa; los otros tres el uso de algún tipo de ventaja mecánica de la palanca-pull, tirón orientado y primavera asistida tirón; las fotos muestran ejemplos de todos estos. Las formas de realización de la figura 2.9 se identifican los requisitos funcionales de cada componente del dispositivo, que puede ser expresado en frases como: ? un tornillo barato para transmitir una carga prescrita para el corcho;

? una palanca de la luz (es decir, un rayo) para llevar un momento de flexión prescrito; ? una lámina elástica delgada que no hebilla cuando se maneja entre el corcho y el cuello de botella; ? una aguja hueca delgada, rígida y lo suficientemente fuerte como para penetrar en un corcho; etcétera. Los requisitos funcionales de cada componente son las entradas al proceso de selección de materiales. Ellos conducen directamente a los límites de la propiedad y los índices de materias del capítulo 5: son el primer paso en la optimización de la elección del material para llenar un requisito dado. El procedimiento desarrollado no tiene requisitos tales como '' haz de luz fuerte '' o '' hoja elástica delgada '' y los utiliza para identificar un subgrupo de materiales que llevarán a cabo esta función particularmente bien. Eso es lo que se entiende por materiales de selección de diseño dirigido. 2.7 Resumen y conclusiones El diseño es un proceso iterativo. El punto de partida es una necesidad del mercado capturada en un conjunto de requisitos de diseño. Conceptos para unos productos que satisfagan la necesidad se conciben. Si las estimaciones iniciales y la exploración de alternativas sugieren que el concepto es viable, el diseño procede a la fase de realización: se seleccionan principios de trabajo, el tamaño y el diseño se deciden, y las estimaciones iniciales de rendimiento y coste se hacen. Si el resultado es satisfactorio, el diseñador procede a la fase de proyecto: optimización del rendimiento, análisis completo de componentes críticos, preparación de planos de fabricación detallados (por lo general como un archivo CAD), la especificación de la tolerancia, la precisión, la unión y métodos de acabado y así sucesivamente. Selección de materiales entra en cada etapa, pero en diferentes niveles de amplitud y precisión. En la etapa conceptual todos los materiales y procesos son candidatos potenciales, que requieren un procedimiento que permite el acceso rápido a los datos para una amplia gama de cada uno, aunque sin la necesidad de una gran precisión. La selección preliminar pasa a la etapa de realización, los cálculos y las optimizaciones de los cuales requieren de información en un mayor nivel de precisión y detalle. Eliminan todos excepto un pequeño corto lista de candidatos-materiales y procesos para la etapa final, detallada del diseño. Para estos pocos, los datos de la más alta calidad son necesarios. Existen datos en todos estos niveles. Cada nivel requiere su propio plan de gestión de datos, que se describe en los siguientes capítulos. La gestión es la habilidad: debe ser de diseño dirigido, sin embargo, debe reconocer la riqueza de elección y abrazar la compleja interacción entre el material, su forma, el proceso mediante el cual se da que la forma y la función que se requiere para llevar a cabo . Y debe permitir una rápida iteración de regreso bucle cuando una cadena particular de razonamiento demuestra ser rentable. Herramientas ahora existen para ayudar con todo esto. Vamos a cumplir con uno -el materiales CES y selección del proceso plataforma más adelante en este libro. Pero teniendo en cuenta esta complejidad, ¿por qué no optar por la apuesta segura: atenerse a lo que usted (u otros) usado antes? Muchos han optado por esa opción. Pocos todavía están en el negocio. 2.8 Para leer más Existe un abismo entre libros sobre metodología de diseño y los de selección de materiales: cada gran medida ignora la otra. El libro de francés es notable por sus ideas, pero la palabra "material" no aparece en su índice. Pahl y Beitz tiene de pie casi bíblica en el campo del diseño, pero va pesada. Ullman y Cruz adoptan un enfoque más relajado y son más fáciles de digerir. Los libros de Budinski y Budinski, de Charles, Crane y Furness y por Farag presentan el caso materiales bien, pero son menos bueno en el diseño. Lewis ilustra la selección de materiales a través de estudios de casos, pero no se desarrolla un procedimiento sistemático. El mejor compromiso, tal vez, es Dieter.