Introducción al estudio de la relación materiales y diseño de productos. Universidad de Guadalajara, 2010.

1. Diseño
Materiales y
ó diseño y materiales
(el orden no altera el producto)

2. Nuevas tecnologías
Nuevos materiales
Estructura
Función
Compuestos
Multi-materiales
Nuevos procesos
Formado
Uniones
Superficies
Nuevos productos
Menor peso
Menor costo
Mayor ciclo de vida
Nuevas funciones
Menor impacto ambiental
Apariencia visual
Apariencia táctil
El rol de la ciencia

3. Briefing de diseño
Concepto
Desarrollo
Detalle
Especificaciones del
producto
Producción, Uso y Residuo
Procesodediseño
100,000 materiales
Límites en atributos mecánicos,
térmicos y otros:
10-50 materiales
De acuerdo a su desempeño
reducir una lista corta
5-10 materiales
Prototipado virtual y real,AEF,
CAD y modelos físicos
1 o 2 materiales
Diseñotécnico
100,000 materiales
Estética deseada, percepciones
y asociaciones
10-50 materiales
Exploración en colecciones de
muestras y en otros productos
5-10 materiales
Prototipado de superficies en
renders 3D, prototipado
rápido, modelos tradicionales
1 o 2 materiales
Diseñoindustrial
Materiales en el proceso de diseño

4. Composites
Sandwiches
Híbridos
Estructuras segmentadas
Espumas
PE, PP, PET
PC, PS, PEEK
PA (nylons)
Polímeros
Poliésters
Fenólicos
Epóxicos
Isopreno
Neopreno
Caucho natural
Elastómeros
Caucho sintético
Siliconas
EVA
Cristales de soda
Borosilicatos
Caucho natural
Cristales
Cristal sílico
Cristales-cerámicos
Aluminas
Carburos de silicio
Cerámicos
Nitritos de silicio
Zirconias
Acero
Aleaciones de Al
Caucho natural
Metales
Aleaciones de Cu
Aleac. de Zn
Aleac. de Ti
Menú 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)
Vidrio
Fibras 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)
Corcho
Plásticos
Termoplásticos (PET, PVC, PE, PS, PMMA, etc.)
Termoestables (PU, Melamina)
Elastómeros (TPO, caucho, látex)
Compuestos (Fibra de vidrio, ablativos)

6. Clasificación de materiales
Clasificación de materiales basada en el una concepción científica de la naturaleza de los átomos que
contienen y la cohesión entre ellos.
La columna final muestra una lista de posibles atributos para un material específico
Familia
Metales
Polímeros
Cerámicos
Composites
Clase
Elastómeros
Termoplásticos
Termoestables
Miembro
ABS
Poliamida
Policarbonato
Polietileno
Polipropileno
Poliestireno
Poliuretano
PTFE
PVC
Perfil técnico
Propiedades físicas
Propiedades mecánicas
Propiedades térmicas
Propiedades eléctricas
Propiedades ópticas
Eco-propiedades
Propiedades de proceso
Propiedades acústicas
Propiedades tactiles

7. Caracterización del PP
Propiedades físicas
Densidad, kg/m3
Propiedades mecánicas
Módulo elástico, GPa
Módulo a cedencia, MPa
Módulo a tracción, MPa
Módulo a compresión, MPa
Elongación, %
Límite de fatiga, MPa
Dureza,Vickers
Propiedades térmicas
Temperatura máxima de uso, ºC
Conductividad térmica,W/m*C
Expansión térmica, /C*10-6
Temperatura de molde, ºC
Propiedades eléctricas
Constante dieléctrica
Pérdida dieléctrica, %
Resistencia, ohm*cm
900-910
1.14-1.55
31-35
33-36
37-45
100-350
10-11
11-15
9.2-11
90-105
0.11-0.12
145-180
210-250
2.2-2.3
0.05-0.08
3.1022-3.1023

8. Fecha
Importanciarelativa
Metales
Polímeros y
elastómeros
Cerámicos y
vítreos
Compuestos
Oro
Cobre
Bronce
Hierro
Acero
Aleaciones de acero
Aleaciones ligeras
Super aleaciones
Titanio
Zirconia
etc
Metales cristalinos
Al-Li
Aceros de fase dual
Aceros microaleados
Nuevas super aleaciones
Lento desarrollo:
Mejora en la calidad,
control y procesamiento
Madera
Pieles
Fibras
Adhesivos
Caucho
Bakelita
Nylon
PE PC
PMMA PS
PP
Acrílicos
Epóxis
Poliesteres
Pollímeros de
alto módulo
Pollímeros de
alta temperatura
Papel
GFRP
CFRP
Kevlar-FRP
Compuestos
Metal-matriz
Compuestos
Cerámicos
Piedra
Cerámica
Vidrio
Cemento
Refractarios
Cemento
portland Sílica
fundida
Pyro-cerámica
Cerámica de ingeniería
Evolución histórica de los materiales

9. Material
Timeline
From pre-historic times to the present National Academy of Engineering (US) and
‘Lightness: The Inevitable Renaissance of
Minimum Energy Structures’
Ed van Hinte & Adriaan Beukers
010 Uitgeverij, 1998
Source:
70 — INGREDIENTS NO. 2 INGREDIENTS NO. 2 — 71
Línea de tiempo de
uso de los materiales
De la prehistoria al presente
Metales
Madera
Otros naturales
Cerámicos
Vidrio
Plásticos
Composites
Importancia relativa
Fuente: Academia Nacional de Ingeniería (US)
Traducción: Alberto Rosa Sierra, CA_381, UdeG
Herramientas
de piedra
Terracota
Arcilla
Primeros textiles
Herramientas
de pedernal
Anzuelos
de hueso
Grasa
animal
Cobre
Latón
Oro
Loza de barro
500,000 AC 5000 AC 1000 AC 0 1000 1500
Carpintería
Concreto
Seda
Níquel
Bronce
Aceites
vegetales
Papiro
Cáñamo
Vidrio Hierro
Hule natural
Ladrillo
Chapa
Acero Carbón
Vidrio soplado
Pergamino
Plomo
Papel
Imanes
Porcelana
Mercurio
Petróleo
Loza de China Yeso
Platino
Tungsteno
Molibdeno
1975 20001950192519001800
Grafito
Magnesio
Zirconia
Aluminio
Triplay
Cemento
Portland
Electromagnetos
Caucho vulcanizado
Plástico
sintético
Titanio
Baquelita
Fibra
sintética
Acero
inoxidable
Vidrio de
borosilicato
Caucho sintético
Poliestireno (PS)
Polietileno (PE)
Poliamida (PA)
Fibra de Vidrio
Super-aleaciones
basadas en Níquel
Poliesteres (PE)
PET
Acrílico
Aramidas
Siliconas
HDPE
Triplay
curvado
Plástico biodegradable
Plástico de
almidón (PLA)
Transistor molecular
Piel sintética
Nanotecnología
Imanes de tierras raras
Superconductores
Poliuretano (PU)
Polipropileno
ABS
Aleaciones de
metales amorfos
Aleación NiTi
Vidrio flotado
Fibra de Ca
Cristal
de Silicio

10. Interacción producto-medio ambiente
Incremento en la educación
Diseño industrialNuevas tecnologías
Reuso al alza
Mas largo el ciclo de vida
Miniaturización
Nuevas funcionalidades
Mejora en el reciclaje Crecimiento poblacional
Incremento en el nivel de salud
Mejora en la calidad de vida
Consumo de energía
Gran requerimiento de nvos. materiales
Consumo de materiales

11. Energía consumida en los productos
Producción
Manufactur
a
Uso Residuo
Silla sencilla de
madera
Bicicleta
Automóvil sedán
Aspiradora Dyson

12. Relación producción-energía

13. El problema de la selección de materiales
Proceso
Función
FormaMaterial

14. Selección de materiales determinada por la función
Proceso
Función
Forma
Material
Familia de materiales,
clases, sub-clases y
miembros
Atributos del material
Límites del material

15. Todos los materiales
Trasladar los requerimientos de diseño
Expresados como funciones, objetivos y
variables independientes
Filtrar usando límites
Eliminar los materiales que no se ajusten
al desempeño deseado
Clasificar usando objetivos
Listar los materiales que cumplen
mejor el desempeño deseado
Elección final
Obtener información de soporte
Investigar la historia de los materiales que
mejor hemos clasificado
Estrategia para selección de materiales

16. Un ejemplo: Diseño de un sacacorchos 1
Cinco conceptos, siguiendo
principios físicos, que
cumplen con nuestras
necesidades
Principios de trabajo para los
tres primeros conceptos
mostrados arriba

17. Un ejemplo: Diseño de un sacacorchos 2
Generar
fuerza
Transmitir
fuerza
Aplicar fuerza
al corcho
Presión del gas
Mecanismo
Tirabuzón
Navajas cortantes
Directa
Jalar directamente
Con una palanca
Con una engrane
Empujar directamente
Empujar con una palanca
Inyección de gas

18. Un ejemplo: Diseño de un sacacorchos 3
Ideas para cuatro soluciones:
a) Jalar directamente
b) Usar una palanca
c) Engrane y tornillo sin fin
d) Jalar con ayuda de resorte

19. Un ejemplo: Diseño de un sacacorchos 4
Sacacorchos IKEA