Introducción al programaCES‐Edupacken 10 ejercicios

¿Qué contiene?

• Bases de datos de:– Elementos– Materiales– Procesos

• Notas sobre ciencia e ingeniería• Herramientas para crear gráficas interactivas• Herramienta para realizar Eco‐auditorías

Nivel 1

• Dirigido a: estudiantes de nivel básico• Propósito: Presentar el mundo de los materiales y los procesos y estimular la exploración de sus propiedades y el origen de las mismas.

• Contenido y herramientas: 69 materiales y 77 procesos, con conjuntos de datos limitados.

http://www.grantadesign.com

Nivel 2

• Dirigido a: estudiantes de nivel intermedio• Propósito: Ayudar a desarrollar la compresión de la función de los materiales y los procesos en el diseño, así como proporcionar una metodología estructurada para seleccionarlos. Facilitar investigaciones de mayor profundidad.

• Contenido y herramientas: 100 materiales y 109 procesos con información aumentada sobre la durabilidad y las propiedades ecológicas.

http://www.grantadesign.com

Nivel 3

• Dirigido a: estudiantes avanzados y graduados• Propósito: Enseñanza avanzada, proyectos de diseño y de investigación.

• Contenido y herramientas: 3900 materiales y 230 procesos.

• Solo en inglés.

http://www.grantadesign.com

Al inicio…

Ejercicio 1.Explorar Materiales.

Seleccionar:• Nivel 1• Universo materiales• Edu Nivel 1

1a) Encontrar la ficha del acero inox.1b) Encontrar la ficha del concreto.1c) Encontrar la ficha del polipropileno (PP).1d) Explorar la ficha del PP en el Nivel 2.1e) Encontrar procesos para fabricar objetos con PP.

Michael F. Ashby

Ejercicio 2.Explorar Procesos.

Seleccionar:• Nivel 2• Universo Procesos• Edu Nivel 2: Todos los procesos

2a) Encontrar la ficha de moldeo por inyección.2b) Encontrar la ficha del endurecimiento superficial por laser.

2c) Encontrar la ficha de la soldadura por fricción.2d) Encontrar los materiales que puede ser colados en molde.

Ejercicio 3.Búsqueda de materiales y procesos.

Seleccionar:• Search

3a) Encontrar la ficha del ácido poliláctico (PLA).3b) Encontrar materiales para fabricar herramientas de corte.

3c) Encontrar información sobre el proceso RTM.

Ejercicio 4.Elaborar graficas de propiedades.

Seleccionar:• Select• Nivel 2• Universo Materiales• Graph4a) Hacer una gráfica de barras del módulo de Young 

(E→y; vacío→x). Ubicar algunos materiales.4b) Borrar esta etapa (seleccionar etapa, botón derecho, 

delete).4c) Hacer una gráfica de globos de E vs. densidad (ρ) (E →y;ρ→ x).

4b) Borrar esta etapa.

Ejercicio 5.Selección mediante la etapa límite.

Seleccionar:• Select• Nivel 2• Universo Materiales Edu Nivel 2• Limit

5a) Encontrar materiales con las siguientes propiedades y comportamientos:

Máx. temperatura de servicio >1000°C.Conductividad térmica >25 Wm‐1°C‐1.Buen conductor térmico.

5b) Borrar esta etapa.

Seleccionar:• Select• Nivel 2• Universo Materiales• Graph

6a) Hacer una gráfica de limite de fluencia (σy→ y, vacío→x)6b) Usar la caja de selección para encontrar  los materiales con 

los valores de σy más altos.6c) Añadir ρ en el eje x (2 posibilidades:  seleccionar etapa, 

botón derecho editar etapa, añadir eje ó doble click en eje x).6d) Usar la caja de selección para encontrar los materiales con 

alta σy y baja ρ.6e) Reemplazar la caja con la línea de selección para encontrar 

materiales con valores altos de resistencia específica (σy / ρ) .6f) Borrar esta etapa.

Ejercicio 6.Selección mediante la etapa gráfica.

Seleccionar:• Select• Nivel 2• Universo Procesos Edu Nivel 2 Conformado• Tree

6a) Encontrar materiales que pueden moldearse. (Seleccionar conformado, insert, ok, show).

6b) Borrar esta etapa.6c) Encontrar procesos para unir aceros. (Seleccionar Nivel 

2, procesos de unión, tree, universo materiales, metales y aleaciones, ferrosas, insert, ok).

6d) Borrar esta etapa.

Ejercicio 7.Selección mediante árboles.

Seleccionar:• Select• Nivel 2• Universo Materiales Nivel 2

Encontrar materiales que reúnan las siguientes propiedades y comportamientos:

6a) ρ<2000 kg m‐3; σy > 60 MPa; <10 W m‐1 °C‐1 (Etapa límite).6b) que puedan ser moldeados (Etapa árbol, universo procesos, conformado, 

moldeo, moldeo termoplástico).6c) Que sean baratos (etapa gráfica), (Precio→y)6d) Ubicar los materiales que pasaron las 3 etapas en el recuadro resultados.6e) Borrar de la gráfica los materiales que no pasaron alguna de las etapas 

(hide failed records).6f) Etiquetar los materiales más baratos.6g) Borrar esta etapa.

Ejercicio 8.Selección mediante las 3 etapas.

Ejercicio 9Un ejemplo de selección de 

materiales con CES Edupack 2014

J. Ramírez

La constante del resorte…

LkP Δ=

Ley de Hooke

Un cilindro funciona como un resorte…

… entre ciertos límites

4

22

0DrA ππ ==

0L

P

P

Nuevas variables

• Esfuerzo ingenieril o convencional

σ=0A

P

eLL=

Δ

0

LkF Δ= Ee=σ

• Deformación ingenieril o convencional

El problema• Se requiere sostener un objeto que pesa 5,000 kg 

mediante una varilla cilíndrica de 2.5 cm de diámetro y 1.0 m 

de longitud, sujeta a una estructura. El estiramiento 

elástico de la varilla debe ser mínimo. ¿De qué material debería fabricarse si no se 

quiere gastar mucho dinero?

5,000 kg

Un breve paréntesis

El desempeño (D) de un material depende de:• Exigencias funcionales (F, temperatura, fuerzas aplicadas, etc.)

• Exigencias geométricas (G, dimensiones, superficies, etc.)

• Propiedades de los materiales (M, densidad, precio, resistividad eléctrica, módulo de elasticidad)

),,( MGFfD =

)()()( 321 MfGfFfD ⋅⋅=

De vuelta la problema

Ee=σ

00 LLE

AP Δ

=

EP

ALL

0

0=Δ

)(2 Gf

)(1 Ff

)(3 Mf

¿Qué se requiere?

ΔL mínima, es decir…

E máxima

En CES Edupack:

• Construir una gráfica de materiales (cerámicos, híbridos y naturales, metálicos y polímeros, como árboles) contra Módulo de elasticidad.

Material L0 (cm) D0 (cm) A0 (cm2) F (kg) F (kN) E (GPa) ΔL (cm)

Carburo de Tungsteno 625 0.0160Carburo de Silicio 400 0.0250Aleaciones de Tungsteno 310 0.0322

Acero de baja aleación 205 0.0487

Acero de bajo carbono 100 2.5 4.91 5000 49.05 200 0.0500Aleaciones de níquel 190 0.0526

Hierro gris 80 0.1249CFRP 69 0.1448PET 2.76 3.6204

Neopreno 7.00E‐04 14275

Observando se concluye que…• Los materiales cerámicos y metálicos tienen alto módulo 

de elasticidad. Los híbridos y los polímeros, no.

En CES Edupack:

• Establecer el límite deE mínima = 190 GPapara los todos losmateriales.

• Esto lo cumplen 11 delos 69 materiales quehay en la base dedatos.

También se requiere bajo costo

• El costo del material por unidad es función de la densidad y de su precio.

• Hacer una gráfica de densidad contra costo del material por unidad.

Observando la gráfica…• Un cilindro fabricado con aleación de tungsteno es lo más caro.

• Un cilindro fabricado con acero de bajo carbono es lo más barato.

Material V (m3) ρ (kg m‐3) m (kg) Precio ($/kg) Costo ($)

Carburo de Tungsteno

4.91E‐04

1.53E+04 7.51 241.00 1810.46

Carburo de Silicio 3.10E+03 1.52 188.00 286.15Aleaciones de Tungsteno 1.78E+04 8.74 707.00 6179.04

Acero de baja aleación 7.80E+03 3.83 7.37 28.23

Acero de bajo carbono 7.80E+03 3.83 6.86 26.27

Aleaciones de níquel 8.83E+03 4.34 224.00 971.16

Respuesta

• Con acero de bajo carbono.

Ejercicio 10Un ejemplo de

eco‐auditoría conCES Edupack 2014

Michael F. Ashby. Materials and environment: eco‐informed material choice,

Butterworth‐Heinemann, Oxford, 2013.

Considera lo siguiente:100 botellas (de 40 g de peso c/u, fabricadas con PET virgen, por moldeo, con tapas de polipropileno moldeado, de 1g de peso) serán llenadas con agua en Francia y llevadas al Reino Unido, a 550 km, en un camión de 14 ton.  Al final de su vida útil (1 año) las botellas serán recicladas. Las botellas se refrigeran por 2 días antes de su venta.

SeleccionarEco‐audit

Completarla información.Generar el reporte.Contrastarsegún el caso.

a) ¿Cuál es la contribución del material a la huella de carbono de su ciclo de vida?

b) Si en lugar de reciclarse éstos se quemaran, ¿cuánto CO2 se liberaría a la atmósfera?

c) Si las botellas llenas de agua se transportaran en un vuelo corto en lugar de por tierra, ¿cuánto 

más carbono se liberaría a la atmósfera?

d) Si se cambia el material de las botellas de PET por vidrio (con un peso de 430 g por botella), ¿cuál es la contribución 

del material a la huella de carbono?