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Metodología general del diseño
Se inicia con una necesidad o con un problema que es necesario resolver.
Puede provenir de un cliente o de una empresa para la que el ingeniero trabaje.
Procedimiento del diseño
Para alcanzar el objetivo deseado, se pasa por distintas etapas. Estas son:
• Aclaración de la necesidad• Diseño conceptual • Diseño de formulación• Diseño en detalle• Manufactura/montaje
Procedimiento de diseño
Aclaración de la necesidadImplica analizar y enunciar el problema con claridad.
Diseño conceptual Genera posibles soluciones, planes o métodos para resolver el problema.
Se reúne la información para tomar un decisión.
Fases del diseño
Diseño de formulación Se formulan y evalúan a detalle las soluciones o planes conceptuales seleccionados.
Se hace la elección definitiva del plan o método que se utilizara.
Fases del diseño
Diseño en detalleConsidera los detalles que la elaboración del producto implica.La calidad del trabajo debe de ser buena
Fases del diseño
Actividades de diseño
Las actividades de análisis, síntesis y evaluación, son las actividades creativas que se esperan de un ingeniero, e implican un razonamiento deductivo.
Los resultados de estas actividades se cotejan constantemente con los requisitos y las restricciones.
Actividades de diseño
El producto del diseño rara vez alcanza la idealidad y perfección que se desearía lograr.
Actividades de diseño
Selección de materiales
El producto a de elaborarse con ciertos materiales, y es importante que la selección sea parte del procedimiento de decisión.
Ingeniería integral: consideración simultanea de todos los factores pertinentes a un producto en la etapa de mesa de dibujo.
Selección de materiales
Es importante decidir con anticipación los materiales que se utilizaran, por que esto puede afectar el diseño.
Selección de materiales
Selección de materiales
Etapa conceptual
Etapa de formulación
Etapa de diseño
Se identifican categorías muy amplias de los posibles materiales, a fin de decidir con suficiente anticipación los materiales que se utilizaran.
Etapa conceptual
Se examina con mayor detenimiento cual de los materiales es necesario utilizar.
Los diseños preliminares se pueden elaborar con base en la gama de propiedades que se publican en los manuales.
Etapa de formulación
Se realiza el diseño definitivo con base en los datos del material que se va a utilizar.
Puede ser aconsejable solicitar datos estadísticos que indiquen el intervalo de variación de las propiedades del material
Etapa de diseño a detalle
Factores que intervienen en la selección de materiales
Los factores de este grupo son el tamaño, la forma y el peso del material que se necesita, así como el espacio disponible para el componente. La forma del material determina si se necesita una pieza fundida o un producto forjado.
Factores físicos
Si su producto o componen es grande se tiene que tomar en cuenta su transporte.
El espacio disponible para el componente determina si considera la posibilidad de utilizar otros materiales.
Factores físicos
Los factores de este criterio tienen que ver con la capacidad del material para soportar los tipos de esfuerzos.
Propiedades mecánicas que se utilizan como criterios de falla en el diseño.
Resistencia Tenacidad a la fractura Resistencia a la fatiga Termofuencia
Factores Mecánicos
El ambiente a el que están expuestos los materiales también afecta las propiedades mecánicas.
Factores mecánicos
Procesamiento y fabricabilidad
Estos factores se relacionan con la capacidad para dar forma al material. Es común el uso de procesos
de fundición y de conformación.
A los metales dúctiles y a los materiales termoplásticos se les deforma de manera normal mediante procesos de deformación, por que son rápidos y apropiados para la producción en masa.
Fabricación de materiales metálicos
A los materiales cerámicos frágiles y de alto punto de fusión se les da forma mediante:
Sinterización tratamiento térmico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para incrementar la fuerza y la resistencia.
metalurgia de polvos proceso de fabricación que, parte de polvos finos y compactados, para darles una forma determinada, se calientan en atmósfera controlada.
Fabricación de materiales cerámicos
En los materiales compuestos se utilizan técnicas de formado por aspersión y de almacenamiento.
La fabricabilidad abarca los procedimientos de unión (como soldadura autógena, soldadura fuerte y soldadura blanda), de formado y de maquinado.
Fabricación de materiales compuestos
Soldadura autógena Esta soldadura se
realiza llevando hasta la temperatura de fusión de los bordes de la pieza a unir mediante el calor que produce la combustión de un gas.
Soldadura fuerte Proceso de unión de
dos metales a través del calentamiento de estos y la posterior adición de un metal, el cual debe tener una temperatura de fusión superior a 450 °C y menor al del metal base
Soldadura blanda Consiste en realizar
uniones en las que el material de aportación tiene menor punto de fusión (y distintas características químico-físicas) que el material base
Factores de duración de los componentes
Estos factores tienen que ver con el tiempo durante el cual los materiales desempeñan las funciones a las que han sido destinados, en el ambiente al que están expuestos
Factores de duración
Las propiedades pertenecientes a este grupo son:
Resistencia a la corrosión Resistencia la oxidación Resistencia al desgaste Termo fluencia Propiedades de fatiga
Factores de duración
Costos y disponibilidad Estos factores son importantes en la economía. El costo se relaciona con la cantidad y
estandarización del material. Los costos son mayores cuando son artículos fuera
de serie o que requieren tratamientos especiales.
Códigos, factores estatutarios y otros factores.
Códigos: conjunto de requisitos técnicos que se imponen al material.
Factores estatutarios: se relacionan con los reglamentos locales, estatales y federales, referentes a los materiales y a los procedimientos que se utilizan, o a la forma de deshacerse de ellos.
ASME ha generado un código de diseño, construcción, inspección y pruebas para equipos.
ASTM o ASTM International es un organismo de normalización de los Estados Unidos de América.
SAE Internacional El principal objetivo de la sociedad es el desarrollo de los estándares para todos los tipos de vehículos.
Criterios y herramientas para la selección de
materiales
Perfil propiedades
Duración de los componentes
Mecánicos
Perfil proceso
Físicos
Procesamiento y fabricabilidad
Costos y disponibilidad
Perfil ambiente códigos, factores
estatutarios y otros factores
Rendimiento y eficiencia de los
materiales
Uno de los factores que intervienen en la selección de un material con base en su perfil de propiedades es su índice de rendimiento o de eficiencia.
Rendimiento de un material estructural Eficiencia para desempeñar la función para
la que fue proyectado.Eficiencia Cociente de la carga que un material puede
soportar entre la masa o el peso del material
Eficiencia =
Carga sobre el elemento =
P
Peso del material m
Se tira de un material por tensión o tracción, el material se alarga mientras soporta la carga. El criterio de falla es el esfuerzo de fluencia después de la cual el material sufre una deformación
Eficiencia de tensión axial
Eficiencia de tensión axial, rigidez máxima por unidad de masa.
Podemos definir la economía del material como:
Rendimiento en cuanto a costo
Donde Cm, es el costo del material por unidad de masa y m es la masa
Son graficas de las propiedades que constituyen los factores de un material.
Fueron ideados para emplearse en la etapa conceptual de la selección de materiales.
Diagrama de materiales
Muestran que las propiedades de cada una de las diferentes clases de materiales, los cuales se muestran dentro de zonas o campos en los diagramas.
Los campos representan las clases de materiales, y dentro de ellas hay zonas mas pequeñas que representan la variación de las propiedades de los materiales.
Diagrama de materiales
Factores de forma
El rendimiento de una material también es función de la forma de su sección y de la modalidad de carga.
Factor de forma: es un numero adimensional que caracteriza la eficiencia mecánica dela sección con respecto a una barra maciza de sección circular e igual masa.
Tiene dos criterios de rendimiento, rigidez y resistencia. Para cada uno de ellos existe un factor de forma.
La resistencia al fallo puede ser el esfuerzo de fluencia o el esfuerzo máximo de fluencia.
Modalidad de flexión
Se calculan a partir de la geometría de la forma.
Estos factores de introducen a través del segundo momento de área, I, en torno al eje de flexión.
Factores de forma
Aspectos prácticos del diseño de
ingeniería
Es necesario reducir al mínimo o eliminar el riesgo de la innovación en especial si pensamos en términos de casos de responsabilidad por productos defectuosos.
Aspectos de riesgo
Reducción del numero de materiales y la intensificación del uso de materiales para diversas aplicaciones.
El proyectista debe considerar las consecuencias de la falla del componente.
Aspectos de riesgo
El rendimiento y el costo desempeñan papeles dominantes.
Las consideraciones principales son: la propiedad del material que determina su rendimiento y el tratamiento, para determinar el costo del componente o estructura.
Rendimiento y costo
En las industrias motivadas por el rendimiento, se elige el rendimiento en primer termino y el costo tiene una importancia secundaria.
En industrias movidas por el costo, pasa todo lo contrario.
Rendimiento y costo
Fallas de materiales y de componentes como fuentes de experiencia
de ingeniería.
Un fuente para fines de diseño es la información referente a como fallo un componente después de haber sido puesto en servicio.
Fuentes de falla
Las fuentes de falla de materiales o componentes se puede clasificar en:
Deficiencias de diseño Deficiencias en la selección de materiales Imperfecciones del material Deficiencias de fabricación y tratamiento. Errores de montaje Condiciones de servicio inadecuado
Fuente de falla de materiales.
Se observa con mayor frecuencia, la presencia de muescas que son fuente de concentración de esfuerzos, lo que genera fracturas.
Otra deficiencia puede ser la aplicación de un número insuficiente de criterios, nace de no hacer cálculos de esfuerzo y no contar con información de los tipos y magnitudes de las cargas.
Deficiencias de diseño
Se deben elegir los materiales en función de:
• Posibles mecanismos de falla• Tipos de cargas y esfuerzos• Condiciones ambientalesoTemperatura oAmbiente de corrosión
Deficiencias en la selección de materiales.
Imperfecciones del material
Un problema en la selección de materiales es la suposición de que los materiales de la misma clase tienen propiedades idénticas.
Las imperfecciones pueden surgir como resultado del tratamiento, fabricación o manejo del material.
Durante las operaciones de moldeo y conformado, pueden surgir laminaciones, patrones de línea de flujo, solapa duras y costuras.
El manejo incorrecto de los materiales durante el montaje o la fabricación puede crear defectos de superficie.
Imperfecciones del material
Los materiales deben ser seleccionados no solo en base a las cargas y esfuerzos.
Se debe de tomar en cuenta, la modalidad de carga y la calidad, tratamiento, fabricación, manejo y condiciones de servicio del material.
Imperfecciones del material
Además de los defectos antes mencionados, la susceptibilidad a la falla puede ser consecuencia de condiciones inadecuadas de tratamiento de cambios realizados en las especificaciones, que no fueron evaluados.
Fallas derivadas del tratamiento y la fabricación
El formado en frio El alargamiento La expansión La reducción El doblado
Producen esfuerzos residuales y a vece alteran las propiedades mecánicas en masa o locales.
La descarburación durante el tratamiento térmico induce fallas:
Por fatiga: reduce el limite de aguante de la superficie
Distorsión en piezas pequeñas: reduce la resistencia media de la sección transversal.
Fallas derivadas del tratamiento y la fabricación
Un problema común de los aceros es la formación de martensita templada, muy frágil, que puede originar grietas en la zona afectada por el calor.
Martensita: nombre que recibe la fase cristalina, en aleaciones ferrosas.
Fallas derivadas del tratamiento y la fabricación
Fallas en el servicio pueden ser consecuencia de errores de montaje no identificados durante la inspección.
Estos errores dan como resultado una menor duración en piezas móviles de sistemas mecánicos o eléctricos.
Fallas debidas a errores de manejo y montaje.
Estos errores tienen que ver con especificaciones de montaje inexactas, incompletas o ambiguas, ocurren mas a menudo a consecuencia de errores del operador.
Fallas debidas a errores de manejo y montaje.
Estas fallas tienen que ver con la operación incorrecta del componente o pieza.
Las condiciones de velocidad, temperatura y ambiente, la operación sin mantenimiento, inspección y vigilancia suelen contribuir a las fallas en servicio.
Fallas debidas a las condiciones de servicio.
Fuentes de información y
especificacionesLas mejores fuentes de información son los
manuales sobre materiales, física y química.
