CLASE MATERIALES II PROCESOS - materias.fi.uba.armaterias.fi.uba.ar/7213/CLASE MATERIALES II...

Ingeniería en Materiales - en base al curso de Mike Ashby y David Cebon, Cambridge, Reino Unido, 2005.

Selección de Materiales

PROCESOSForma, unión, tratamiento superficial

www.grantadesign.com/education/resourcesM. F. Ashby

Reseña

• Procesos y sus atributos

• La estrategia de selección

• Discriminación por atributos

• Ordenamiento por criterios económicos

• Estudio de casos + demos

Más información:

• “Materials Selection in Mechanical Design”, M.F. Ashby, 2ªedición, Butterworth Heinemann, Oxford, 2004, caps. 11 y 12.


Procesos de manufactura

Proceso: método para dar forma, unir o tratar la superficie de un material.

Fundición en arena

Forma

Moldeo por soplado

Forma

Soldadura por fusión

Unión

Endurecimiento por inducción

Tratamientosuperficial


PROCESOS: Atributos

Material

Volumen de Producción

Tamaño

Precisión

Forma

Complejidad


Procesos: Tipos

Formado

Maquinado

Soldadura

Recubrimiento

Acabado

Tratamiento Térmico


Clasificación de formas

Algunos procesos sólo pueden producir formas simples, otros, formas complejas.

� Trefilado, extrusión, laminación:

formas prismáticas

Todas lasformas

Prismática Lámina 3-D

Circular No-circular Plana Acopada Sólida Hueca

� Fundición, moldeado, pulvimetalurgia:formas 3-D

� Estampado, plegado, repujado, estampado

profundo:formas en chapa


Procesos: Formado

Fundición – Colado

Moldeado

Laminación

Extrusión

Forja

Estampado

Plegado

Repujado

Rolado

Pultrusión

Pulvimetalurgia

Granallado

Explosivos

Prototipo Rápido

Electrolítico


Procesos: Maquinado

Herramienta de Corte

Rectificado

Lapidado

Electroerosión

Ultrasonido

Químico

Agua a Presión

Arenado

Electron Beam

Laser


Procesos: Unión y Soldadura

Remaches

Tornillos

Grampas

Clavos

Soldadura

Fusión alta temperatura

Fusión baja temperatura

Fricción

Explosión

“Stir weld”

Difusión

Presión

Adhesivos


Procesos: Recubrimiento

Soldadura

Proyección

Explosivos

Inmersión

Plasma

Químico

Electrolítico

Termoquímico

Anodizado

Esmaltado

Pintura

Calandrado

Colaminado


Procesos: Pulido

Granallas

Barro

Pasta

Tela

Piedra

Vibratorio

Centrífugo

Químico

Electrolítico


Procesos: Tratamiento Térmico

Clasificación por:

Modo de Calentamiento

Modo de Enfriamiento

Medio o Atmósfera

Objetivo y limitaciones:

Estructura (Propiedades)

Condición Superficial

Alteraciones Geométricas

Tensiones Internas


Organización de datos: ÁRBOL DE PROCESOS

Familia

Unión

Formado

Trat. superficial

Clase

Fundición

Deformación

Moldeado

Compuesto

Polvo

Maquinado

Prototipo rápido

Miembro

Compresión

Rotación

Inyección

RTM

Soplado

Atributos

Registro de un proceso

Material

Forma

Rango de tamaño

Sección mínima

Tolerancia

Rugosidad

Lote económico

Información adicional

-- específica

-- general

Material

Forma

Rango de tamaño

Sección mínima

Tolerancia

Rugosidad

Lote económico


-- específica

-- general

Informaciónestructurada

Información no estructurada

Difícil!

Reino

Procesos


Datos estructurados para moldeado por inyección*

INJECTION MOULDING of thermoplastics is the equivalent of pressure die casting of metals. Molten polymer is injected under high pressure into a cold steel mould. The polymer solidifies under pressure and the moulding is then ejected.

Injection Moulding (Thermoplastics)

*Using the CES 5 EduPack Level 1 DB

Process CharacteristicsDiscrete (typical) TruePrototyping (typical) False

ShapeCircular Prism TrueNon-circular Prism TrueSolid 3-D TrueHollow 3-D True

Physical AttributesMass range 0.01 - 25 kgRoughness 0.2 - 1.6 µmSection thickness 0.4 - 6.3 mmTolerance 0.1 - 1 mm

Economic AttributesEconomic batch size 1e+004 - 1e+006Relative tooling cost highRelative equipment cost high

Unit 3, Frame 3.5


Datos no estructurados de moldeado por inyección*

Design guidelines. Injection moulding is the best way to mass-produce small, precise, plastic parts with complex shapes. The surface finish is good; texture and pattern can be moulded in, and fine detail reproduces well. The only finishing operation is the removal of the sprue.

The economics. Capital cost are medium to high; tooling costs are high, making injection moulding economic only for large batch-sizes (typically 5000 to 1 million). Production rate can be high particularly for small mouldings. Multi-cavity moulds are often used. The process is used almost exclusively for large volume production. Prototype mouldings can be made using cheaper single cavity moulds of cheaper materials. Quality can be high but may be traded off against production rate. Process may also be used with thermosets and rubbers.

Typical uses. The applications, of great variety, include: housings, containers, covers, knobs, tool handles, plumbing fittings, lenses, etc.

The environment. Thermoplastic sprues can be recycled. Extraction may be required for volatile fumes. Significant dust exposures may occur in the formulation of the resins. Thermostatic controller malfunctions can be extremely hazardous.

The process. Most small, complex plastic parts you pick up – children’s toys, CD cases, telephones – are injection moulded. Injection moulding of thermoplastics is the equivalent of pressure die casting of metals. Molten polymer is injected under high pressure into a cold steel mould. The polymer solidifies under pressure and the moulding is then ejected.

Various types of injection moulding machines exist, but the most common in use today is the reciprocating screw machine, shown schematically here. Polymer granules are fed into a spiral press like a heated meat-mincer where they mix and soften to a putty-like goo that can be forced through one or more feed-channels (“sprues”) into the die.

Heater Screw

Granular PolymerMould

Nozzle

Cylinder

No.8-CMYK-5/01

*Using the CES 5 EduPack Level 2 DB


¿Dónde encontrar datos?

Encontrar datos usando CES

� BROWSE: localizar candidatos en PROCESS TREE o,

� SEARCH: entrar nombre (marca registrada o aplicación)

� 3 niveles de datos, con contenido creciente de información

� Manuales, recopilaciones (ver Cap. 13 del texto)

� Hojas de datos de fabricantes de equipos

� La Worldwide Web (e.g. www.DesignInSite.dk)

PERO: sin perspectiva, ni comparación con otras clases de procesos


Selección de procesos

Paso 2 Listado: eliminar procesos que no se adecuan a la tarea.

Paso 3 Ordenamiento: encontrar los procesos adecuados más baratos.

Paso 4 Información adicional: explorar cualidades y optimizar costo.

Paso 1 Traducción: expresar requerimientos de diseño como restricciones y objetivos.

La selección de procesos incluye 4 pasos básicos igual que para materiales.

Dado que existen miles de variantes para los procesos,

la información adicional juega un papel muy importante.


Traducir

Más info: Cebon, D. “Handbook of Vehicle-Road Interaction”, Swets and Zeitler, Netherlands,1999

Ejemplo: encapsulado para un sensor de presión para ruta

Función Encapsulado para un sensor de presión de ruta

RequerimientosMaterial: aleción de Al

Forma: prismática no-circular

Sección mínima: 2 ± 0.025 mm

Objetivos Minimizar costo

Variable libre Elección del proceso

El sensor yace en la ruta, cubierto por una capa de

goma. La presión del vehículo deflecta la cara

superior, modificando la capacidad entre la cara

superior y una lámina conductora de cobre.


Todos los procesos

Aplicar una serie de etapas de listado

Listado del subconjunto de procesos

Physical attributes Minimum Maximum

Mass range 0.6 kg

Section thickness mm

Tolerance mm

Roughness µµµµm

Batch size

Shape

Circular prismatic

Non-circular prismatic

Flat sheet

Dished sheet

Solid 3-D

Hollow 3-D

Etapa de límites

Cerámicos

Metales

Polímeros

Híbridos

Materiales

Etapa de árbol

Tam

año

de lo

teec

onóm

ico

B

B1 > B > B2

Etapa gráfica

Una combinación de selección por límites, por árbol y diagramas de barra esla mejor forma elegir un proceso.

• Diagrama de barras son mejores que los de burbujas (los rangos son muy grandes)


Procesos para la aislación de una bujía

Insulator

Bodyshell

Centralelectrode

• Clase de material Alúmina

• Forma 3-D, hueca

• Masa 0.05 kg

• Sección mínima 3 mm

• Tolerancia < 0.5 mm

• Rugosidad < 100 µµµµm

• Tamaño de lote >1,000,000

Requerimientos

Especificación

Función Aislador

Variables libres

Elección del proceso

Objetivo Minimizar costo


Physical attributes Minimum Maximum

Mass range 0.6 kg

Section thickness mm

Tolerance mm

Roughness m

Shape

Circular prismatic

Non-circular prismatic

Flat sheet

Dished sheet

Solid 3-D

Hollow 3-D

0.05 0.06

3

��

0.5

100

Listado: etapa de árbol y etapa de límites

Etapa de árbol: Seleccionar un CERÁMICO (o Alúmina)

Ordenamiento: diagrama de barras por TAMAÑO DE LOTE ECONÓMICO.

Etapa de límites:


Tamaño de lote

deseado

Listado según tamaño de lote*

*Usando el CES EduPack 5 Nivel 2 DB

Eco

nom

ic b

atc

h s

ize (

units

)

1

10

100

1000

10000

100000

1e+006

1e+007

1e+008

Blow Moulding

Powder methods

Injection Moulding

Sheet forming

Die Casting

Compression Moulding

Expanded foam molding

Rotational Moulding

Rolling and forging

Resin transfermolding (RTM)

Electro-discharge machining

Thermoforming Rapid prototyping

Lay-Up methods

Sand castingPolymer Casting

Economic batch size


Organización de datos: Tratamientos de unión y superficiales

Registro del proceso

Trat. térmico

Pintura/impresión

Recubrimiento

Pulido

Textura ...

Electroplat.

Anodizado

Rec. polvo

Metalizado...

Material

Propuesta del tratamiento

Espesor del recubrimiento

Dureza superficial

Costo relativo ...


Material

Propuesta del tratamiento

Espesor del recubrimiento

Dureza superficial

Costo relativo ...


Adhesivos

Soldadura

Bulonería

Brazing

Soldar

Gas

Arco

e -beam ...

Material

Geometría de la unión

Rango de tamaño

Espesor de la sección

Costo relativo ...


Material

Geometría de la unión

Rango de tamaño

Espesor de la sección

Costo relativo ...


Clase AtributosMiembro

Trat. superficial

Unión

Familia

Forma

Reino

Procesos


Registro de un proceso de soldadura*

Gas Tungsten Arc (TIG)Tungsten inert-gas (TIG) welding, the third of the Big Three (the others are MMA and MIG) is the cleanest and most precise, but also the most expensive. In one regard it is very like MIG welding: an arc is struck between a non-consumable tungsten electrode and the work piece, shielded by inert gas (argon, helium, carbon dioxide) to protect the molten metal from contamination. But, in this case, the tungsten electrode is not consumed because of its extremely high melting temperature. Filler material is supplied separately as wire or rod. TIG welding works well with thin sheet and can be used manually, but is easily automated.

Physical AttributesComponent size non-restrictedWatertight/airtight TrueProcessing temperature 870 - 2250 KSection thickness 0.7 - 8 mm

Joint geometryLap TrueButt TrueSleeve TrueScarf TrueTee True

Materials Ferrous metals

Economic AttributesRelative tooling cost lowRelative equipment cost mediumLabor intensity low

Typical usesTIG welding is one of the most commonly used processes for dedicated automatic welding in the automobile, aerospace, nuclear, power generation, process plant, electrical and domestic equipment markets.

*Usando el CES EduPack Nivel 1 DB

+ links to materials


Registro de un tratamiento superficial*

Induction and flame hardeningTake a medium or high carbon steel -- cheap, easily formed and machined -- and flash its surface temperature up into the austenitic phase-region, from which it is rapidly cooled from a gas or liquid jet, giving a martensitic surface layer. The result is a tough body with a hard, wear and fatigue resistant, surface skin. Both processes allow the surface of carbon steels to be hardened with minimum distortion or oxidation. In induction hardening, a high frequency (up to 50kHz) electromagnetic field induces eddy-currents in the surface of the work-piece, locally heating it; the depth of hardening depends on thefrequency. In flame hardening, heat is applied instead by high-temperature gas burners, followed, as before, by rapid cooling. Both processes are versatile and can be applied to work pieces that cannot

readily be furnace treated or case hardened in the normal way.Physical AttributesCoating thickness 300 - 3e+003 µmComponent area restrictedProcessing temperature 727 - 794 KSurface hardness 420 - 720 Vickers

Economic AttributesRelative tooling cost lowRelative equipment cost mediumLabor intensity low

Typical usesThe processes are used to harden gear teeth, splines, crankshafts, connecting rods, camshafts, sprockets and gears, shear blades and bearing surfaces.

MaterialCarbon steel

Purpose of treatmentFatigue resistanceFriction controlWear resistanceHardness

*Usando el CES EduPack Nivel 2 DB

+ links to materials


Eligiendo procesos de unión y tratamiento superficial

Unión – los criterios más importantes son:

� El/los material/es a ser unidos

� La geometría de la unión

Aplicar estos criterios primero, Luego agregar los demás requerimientos.

Tratamiento superficial – los criterios más importantes son:

� El propósito de los tratamientos

� El material al cual se aplicará

Aplicar estos primero, luegoagregar los demás requerimientos.

INFORMACIÓN ADICIONAL

� Matdata.net (“Search web” button)

� Kelly’s Register, Thomas Register.


Demo – selección de procesos con CES

Browse Select SearchToolbar Print Search web

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Matdata.net

¿Qué encontrar?

¿Cuál tabla?

Seleccionar qué se desea

explorar (materiales,

procesos..)

ProcesosFundiciónMoldeadoPolvoetc.


Los puntos principales

• Los procesos pueden organizarse en estructura de árbol, incluyendoregistros de datos estructurales e información adicional.

• La estructura permite una sencilla búsqueda de los datos del proceso.

• Seleccionar primero en base a las restricciones primarias

• Forma: material y forma

• Unión: material(es) y geometría de la unión

• Tratamiento superficial: material y función del tratamiento

• Luego agregar las restricciones secundarias necesarias.

� Información adicional en CES, y http://matdata.net

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