Cada producto comienza con una idea, pero para poder implementarla hay innumerables etapas que tenemos que pasar.

Uno de los primeros pasos es elegir el material con el que queremos fabricar un artículo. A menudo, al pensar en un producto, ya sabemos desde la fase de concepción de qué estará hecho, si será de metal o de plástico. El material que utilicemos dependerá de los siguientes factores:

• resistencia del producto
• cantidad de pieza de trabajo
• costo
• dimensión
• complejidad de la forma
• posibilidades de producción

Si nuestro producto está compuesto de varios elementos diferentes que tienen funciones diferentes (carcasa, mecanismo, elemento de conexión), entonces a menudo en un solo producto incluimos varias piezas diferentes hechas de diferentes materiales de ingeniería que tienen las características necesarias para realizar una función determinada.

En este artículo, queremos mostrarte los materiales básicos con los que fabricamos diversos tipos de productos, cuáles son las características de cada material y cómo pueden ser útiles en tus productos. Además, te explicaremos algunas reglas para elegir el material adecuado.

Comencemos con algo obvio: qué es un material de ingeniería. Se trata de sustancias condensadas (sólidas) cuyas propiedades las hacen útiles para el ser humano, ya que se utilizan para fabricar productos de trabajo complejos. A continuación, se describen los materiales más comunes utilizados en la industria.

¿MATERIALES BÁSICOS DE INGENIERÍA? COMENCEMOS CON LOS METALES

Fuente: http://hart-metale.pl/

Los metales son sustancias que, en estado condensado, se caracterizan por la presencia de electrones libres, no asociados a ningún átomo, capaces de moverse en toda su capacidad. Incluimos la mayoría de los elementos químicos y sus aleaciones como metales. Los metales son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio, que es líquido en estas condiciones).

El metal más importante desde un punto de vista tecnológico es el hierro-Fe, que es el componente más importante del acero. Los otros metales técnicamente importantes se llaman metales no ferrosos. Los metales con una densidad inferior a 4,5 g*cm³ se clasifican como metales ligeros (magnesio, aluminio, sodio, potasio y berilio), y aquellos con una densidad superior a 4,5 g*cm³ se clasifican como los llamados metales pesados. Entre ellos, un grupo importante consiste en metales no ferrosos (cobre, estaño, plomo, zinc), utilizados para la producción de diversas aleaciones y los metales preciosos más resistentes químicamente (oro, plata y platino). La clasificación de metales en: metales ferrosos (acero, hierro, hierro fundido, acero fundido) y metales no ferrosos (otros metales) o metales que refinan el acero también se utiliza a menudo.

Una de las características más importantes de los metales es su alto módulo de elasticidad: sus propiedades pueden modificarse (aumentarse) no solo mediante tratamientos térmicos y mecánicos, sino también durante el proceso de fundición, introduciendo aditivos de aleación adecuados. Su característica distintiva es la ductilidad, la cual debe considerarse la razón de su resistencia a la fatiga. De todos los materiales de ingeniería, los metales son los menos resistentes a la corrosión.

CERÁMICAS Y VIDRIOS COMO MATERIALES DE INGENIERÍA

Los materiales cerámicos son compuestos inorgánicos de metales con nitrógeno, oxígeno, boro, carbono y otros elementos. Tras su conformación, se someten a un recocido a temperaturas elevadas. La cerámica está hecha de masa cerámica, que incluye:

• materiales de enfriamiento (por ejemplo arena) que reducen la contracción durante la cocción y el secado;
• materiales plásticos (por ejemplo caolines, arcillas) que facilitan el moldeo; fundentes, que facilitan el proceso de unión de partículas.

Las materias primas utilizadas en la producción de cerámica se pueden dividir en:

• básicas (sustancias con alto contenido de carbono puro, como: carbón vegetal, hollín, grafito natural);
• aglutinantes (su función es unir una mezcla de partículas finamente molidas); adicionales (se utilizan para dar a los materiales propiedades especiales).

Las propiedades de la cerámica son:

• tienen valores altos de módulo de elasticidad (como los metales), pero son frágiles (a diferencia de los metales),
• Por lo general, no son fáciles de utilizar como plásticos de ingeniería (a diferencia de los metales),
• Alta rigidez, dureza, resistencia a la abrasión (por eso se utilizan para herramientas de corte),
• Excelente resistencia a la corrosión.

LOS PLÁSTICOS Y SU POPULARIDAD ENTRE LOS MATERIALES DE INGENIERÍA

Los plásticos son materiales de ingeniería que se obtienen a partir de polímeros, mediante la combinación de estos con diversos aditivos. La función de los aditivos poliméricos es modificar sus propiedades y crear un nuevo material utilizable.

Los plásticos se utilizan ampliamente en diversas industrias, desde la automotriz hasta la minera y la farmacéutica. Cada vez se utilizan más como sustitutos de materiales de origen natural. Hoy en día, rara vez se dan situaciones en las que un material natural no pueda ser reemplazado por el tipo de plástico adecuado. Esto se debe a la gran cantidad de plásticos disponibles, que actualmente alcanza los setecientos.

Fuente: https://www.cheminst.ca/magazine/article/green-chemistry-brings-its-virtues-to-the-classroom/

Las propiedades básicas de los plásticos incluyen:

• facilidad de formar productos con formas complejas en la forma final,
• una resistencia química bastante alta, y a menudo incluso muy alta,
• Buenas propiedades mecánicas y también, a menudo, muy buenas propiedades eléctricas.
• Baja densidad y generalmente asociada con una relación muy favorable entre resistencia mecánica y densidad.
• la capacidad de obtener fácilmente productos con una apariencia estética
• Posibilidad de teñir y obtener productos transparentes.

Otra ventaja de los plásticos es su diversidad de usos. Se pueden emplear como materiales de recubrimiento, plásticos de ingeniería, adhesivos y masillas, fibras sintéticas y aglutinantes. Sin embargo, su uso más importante es como material de construcción para la producción de elementos de dispositivos y máquinas, así como de objetos cotidianos. Sin embargo, los plásticos también presentan desventajas que limitan su uso. En comparación con los metales, se caracterizan por una menor resistencia mecánica y dureza, además de fluir bajo una carga mucho menor (proceso de fluencia) y presentar, en general, una baja resistencia térmica.

COMBINACIÓN DE MATERIALES DE INGENIERÍA - COMPUESTOS

Un compuesto es un material que se obtiene combinando dos o más materiales. Uno de ellos actúa como aglutinante, mientras que los demás desempeñan una función de refuerzo y se introducen en forma fibrosa, granular o estratificada. Como resultado de este proceso, se obtiene una combinación de propiedades (generalmente mecánicas) imposible de conseguir con los materiales de partida. Una propiedad valiosa de los compuestos es la capacidad de planificar su estructura para obtener las propiedades deseadas. Por ello, los compuestos se utilizan ampliamente en la tecnología moderna y se espera un mayor desarrollo dinámico.

Los compuestos constan de una matriz y un segundo componente con propiedades de resistencia mucho mayores o mayor dureza, llamado refuerzo, ubicado en ella.

Finalidad de los materiales compuestos:

• Construcción (fácil de montar, ligero, resistente a la corrosión, libre de mantenimiento y de fácil mantenimiento),
• artículos para el hogar (aislamiento, estabilidad dimensional, resistencia a la temperatura),
• aviación (rigidez, resistencia mecánica, bajo peso).

Fuente: http://www.archidemat.com/materialy-kompozytowe-kompozyty/

PROCESO DE DISEÑO Y SELECCIÓN DE MATERIALES DE INGENIERÍA

El proceso de selección de materiales se basa en el análisis de las propiedades funcionales del producto. Consiste en seleccionar, del conjunto de materiales de ingeniería, un subgrupo, un conjunto reducido de materiales y, finalmente, un material específico que cumpla los criterios establecidos.

Los principales factores que determinan la selección de materiales:

• General: coste relativo, densidad;
• Propiedades mecánicas: módulo de elasticidad, resistencia, tenacidad a la fractura, índice de fatiga;
• Propiedades térmicas: conductividad térmica, difusividad, capacidad calorífica, punto de fusión, temperatura de transición vítrea, coeficiente de expansión térmica, resistencia al choque térmico, resistencia a la fluencia;
• Desgaste: indicador de desgaste;
• Resistencia a la corrosión: indicador de corrosión;
• Comparación de la posibilidad de utilizar materiales de ingeniería en condiciones de desgaste.

La selección de materiales de ingeniería para su funcionamiento en condiciones de desgaste se basa en varios principios:

• El material debe ser química, mecánica o térmicamente estable en condiciones de funcionamiento.
• Las tensiones de contacto nominales no deben superar el límite,
• elasticidad del material,
• En condiciones de desgaste abrasivo, la dureza del material debe ser mayor que la del abrasivo,
• Las condiciones de uso deberán adaptarse a las capacidades del material utilizado.

Selección de materiales de ingeniería asistida por computadora

Hasta la fecha, un factor fundamental en la selección de materiales de ingeniería para aplicaciones específicas es la experiencia y la intuición del diseñador, e incluso sus hábitos. Hoy en día, dentro de los sistemas CAD (diseño asistido por computadora) y CAM (fabricación asistida por computadora), los sistemas de selección de materiales asistida por computadora (CAMS) también ocupan un lugar destacado.

CONCLUSIÓN

Resumiendo el artículo anterior, podemos observar que el mercado actual de materiales de ingeniería es muy amplio. De hecho, muchos productos pueden fabricarse con un tipo de material similar, y el factor decisivo para elegir un tipo en particular puede ser el precio o la facilidad de fabricación.

Esperamos que después de leer esta breve guía sobre materiales de ingeniería, pueda comenzar a implementar el producto de sus sueños con mayor conciencia.

Mateusz Szczerbetka
Diseñador junior