1.2 Diseño y selección de materiales

en el cumplimiento de muchas funciones estructurales, sin embargo, tales limitaciones pueden superarse ampliamente mediante el uso refuerzos de fibras de alto desempeño, como es el caso de los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras de vidrio o de carbono, los cuales son utilizados ampliamente en la industria actual. Como mencionan Gholizadeh [2] y Gdoutos [3], entre otros autores, los materiales compuestos reforzados con fibras han ganado popularidad en las últimas décadas y son considerados materiales esenciales en la industria aeronáutica, aeroespacial y automotriz, dadas sus excelentes características y capacidad de absorber energía (tenacidad), peso ligero, resistencia a la corrosión, flexibilidad para obtener las propiedades mecánicas y físicas deseadas, en especial en el desarrollo de formas complejas que, además, requieren relaciones de alta resistencia y rigidez/peso. 1.2 DISEÑO Y SELECCIÓN DE MATERIALES Actualmente, en el diseño en ingeniería se requiere la selección y utilización de materiales de forma optimizada, empleando modernos y novedosos métodos de producción, teniendo presente las solicitaciones a las que van a estar expuestos los equipos, máquinas y maquinaria, así como las propiedades específicas de los materiales a ser utilizados, su comportamiento en servicio, la geometría requerida y su factibilidad de procesamiento, enmarcados en un adecuado diseño de ingeniería (con seguridad y responsabilidad legal), para lo cual se deben tener en cuenta variables, como son la relación costo/beneficio y la disponibilidad de materias primas y elementos químicos, las propiedades mecánicas, superficiales y físicas, las características de fabricación, la función estética del producto final y sus propiedades ecológicas (ver Figura 2). Como se mencionó anteriormente, dentro del proceso de diseño, la selección de un material para construir un componente o parte de una máquiSOLO PARA USO ACADÉMICO na o elemento estructural es una de las decisiones más importantes y trascendentales que debe tomar el diseñador. La selección de un material para alguna aplicación particular, dependiendo de las condiciones, puede ser un proceso sencillo (cuando existen aplicaciones previas) o muy complejo

(nuevas condiciones de servicio o aplicación con muchos parámetros físicos, tecnológicos, económicos y de procesamiento del material). Hoy por hoy los ingenieros se encuentran familiarizados con materiales tradicionales, como el acero y las aleaciones de aluminio, contando con herramientas de diseño y bases de datos bien detalladas para este tipo de materias primas (especialmente en los libros de cálculo y diseño mecánico, estructural, civil, etc.). Sin embargo, actualmente se enfrentan al desafío de trabajar con materiales compuestos, los cuales no solo tienen un comportamiento mecánico y características físicas diferentes a los materiales tradicionales, sino que también se procesan de manera diferente [4]. Estas diferencias han llevado al desarrollo de prácticas de diseño, métodos de prueba y técnicas de fabricación que son nuevas y únicas, las cuales difieren a los utilizados en los sistemas de procesamiento de los materiales tradicionales, además que cada vez surgen nuevos y novedosos materiales compuestos y aplicaciones. Figura 2. Factores y características que influyen en la selección y utilización de materiales utilizados en el diseño en ingeniería actual. Fuente: el autor. SOLO PARA USO ACADÉMICO El óptimo diseño de una máquina, equipo o componente (pieza), demanda un conjunto de propiedades y características de desempeño. La selección de materiales juega un papel importante, resaltando que el tipo de

material influye sobre el desempeño y durabilidad, pero también sobre el peso de los componentes y, por ende, sobre los gastos energéticos que implica el mover grandes masas. En este sentido, una de las propiedades de diseño de mayor importancia es la resistencia específica [5], la cual es el resultado de dividir la resistencia mecánica sobre la densidad (σf ⁄ρ). Sobre un gráfico resistencia vs. densidad (ver Figura 3) es posible trazar algunas líneas de diseño o líneas guías para la selección de materiales en función de un valor de resistencia específica. Al respecto, cuando la prioridad en el diseño es la densidad, se toma la línea de diseño representativa a σf 1⁄2ρ, que implica una gran prioridad sobre el peso del material. De igual forma, dependiendo de la aplicación se debe tener en cuenta la rigidez específica [5], la cual es la relación entre el Módulo de elasticidad (Módulo de Young) y la densidad E ⁄ρ (ver Figura 4). De forma similar, si la prioridad es la densidad, se debe tomar como referencia la línea E1⁄3 ⁄ρ. En general, las Figuras 3 y 4 demuestran que los materiales compuestos cobran gran importancia en aplicaciones en donde se pretenda reducir el peso. En ambas figuras se puede observar que los materiales compuestos presentan alta resistencia y alto módulo de elasticidad con un peso relativamente bajo. Con base en lo anterior, y en los grandes avances respecto al desarrollo de nuevos materiales y tecnologías de fabricación, se han desarrollado nuevos materiales compuestos de ingeniería. Un ejemplo de aplicación de los desarrollos en materiales compuestos se encuentra en el diseño de aviones militares, los cuales requieren de altas prestaciones mecánicas con un bajo peso para garantizar una alta velocidad y maniobrabilidad, asegurando una gran estabilidad estructural y una elevada seguridad de operación. Como el ejemplo anterior, existen desarrollos y aplicaciones de materiales compuestos para aplicaciones específicas, es decir, materiales diseñados para cada aplicación particular. Este es el caso, por ejemplo, de la industria aeroespacial, en donde el desarrollo de los materiales compuestos carbono/carbono, SOLO PARA USO ACADÉMICO o materiales compuestos ablativos, usados en el desarrollo de aeronaves espaciales y componentes de propulsión, ha jugado un rol importante en la evolución de esta industria. Al respecto, se hará énfasis en estas aplicaciones en el capítulo 3.

Figura 3. Resistencia específica de diversos materiales. Fuente: adaptada de [5]. SOLO PARA USO ACADÉMICO Figura 4. Módulo de elasticidad específico de diversos materiales. Fuente: adaptada de [5].