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• Angel Jhoan

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Pontificia Universidad Católica Madre y Maestra Facultad de ciencias de las ingenierías Departamento de Ingeniería Electrónica y Electromecánica

Materiales de última generación Presentado por:

 Alvin García 2010-0109  Shamir Robinson 2010-1151  Laurie Lizardo 2010-0829

Para:

Ing. Carlos Ciriaco

Asignatura:

Fabricación Mecánica I

16 de Noviembre del 2011, Santiago Rep. Dom

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Índice Temas

página



Palabras claves

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

Resumen

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

Materiales de última generación

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o ¿Qué son? o ¿Cómo se clasifican? 

Algunos materiales de última generación o El kevlar 

7 7

Qué es, características principales, y aplicaciones

o La widia 

8

Qué es, características principales, y aplicaciones

o El titanio 

9

Qué es, características principales, y aplicaciones

o La fibra de carbono 

11

Qué es, características principales, y aplicaciones

o El diamante sintético 

12

Qué es, características principales, y aplicaciones

o El Nitinol 

13

Qué es, características principales, y aplicaciones



Maquinado del titanio

14



Conclusión

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

Bibliografía

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Palabras claves 1. Material: Los materiales son elementos que se pueden transformar para producir una obra con algún fin específico. 2. Aleación: Una aleación es una mezcla homogénea, de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal. 3. Metal de transición: son aquellos elementos químicos que están situados en la parte central del sistema periódico, en el bloque d. 4. Polímero: es una sustancia formada por una cantidad finita de macromoléculas que le confieren un alto peso molecular. 5. Fibras sintéticas: hebras largas y finas parecidas a cabellos que se emplean para fabricar tejidos. Se pueden obtener de la naturaleza, a partir de animales o plantas, pero otras muchas se producen en fábricas y laboratorios. 6. Nanotecnología: es un campo de las ciencias aplicadas dedicado al control y manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas. 7. Biomimética: es la ciencia que estudia a la naturaleza como fuente de inspiración, nuevas tecnologías innovadoras para resolver aquellos problemas humanos que la naturaleza ha resuelto, mediante los modelos de sistemas (mecánica), procesos (química) y elementos que imitan o se inspiran en ella. 8. Resina: es una secreción orgánica que producen muchas plantas, particularmente los árboles del tipo conífera. Es muy valorada por sus propiedades químicas y sus usos asociados. 9. Corrosión: se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. 10. Industria: es el conjunto de procesos y actividades que tienen como finalidad transformar las materias primas en productos elaborados. 11. Dureza: es la propiedad que tienen los materiales de resistir el rayado y el corte de su superficie.

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12. Compuesto químico: es una sustancia formada por la unión de dos o más elementos de la tabla periódica. Una característica esencial es que tiene una fórmula química. 13. Temperatura: es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente o frío. 14. Acero: es la denominación que comúnmente se le da en ingeniería metalúrgica a una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,1 y el 2,1. 15. Elemento químico: Un elemento por átomos de la misma clase.

químico es

un

tipo

de materia,

constituida

16. Biomaterial: es un compuesto diseñado para ser implantado o incorporado dentro del sistema vivo con el objeto de sustituir o regenerar tejidos vivientes y sus funciones. 17. Fabricación: La fabricación transforma las materias primas en productos. 18. Efecto térmico de memoria de forma: es un efecto propio de los materiales llamados inteligentes que producen una reacción ante un estímulo dado. 19. Elasticidad: propiedad mecánica sufrir deformaciones reversibles.

de

ciertos

materiales

de

20. Deformación: es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo. 21. Procesos tecnológicos: es el método que se utiliza para analizar un problema y diseñar o construir un objeto o máquina. 22. Termoplástico: es un plástico que, a temperatura caliente, es plástico o deformable, se derrite cuando se calienta y se endurece en un estado vítreo cuando se enfría lo suficiente. 23. Elemento sintético: son aquellos elementos químicos que la humanidad no conocía hasta que los sintetizó, esto es, que no los descubrió como tales en el espacio. 24. Punto de fusión: es el efecto de fundir un metal. 25. Maquinado: proceso de fabricación que comprende un conjunto de operaciones de conformación de piezas mediante la eliminación de material, ya sea por arranque de viruta o por abrasión.

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Resumen ¿Alguna vez has visto un material tan duro como el diamante o que pueda retomar su forma anterior después de ser deformado? Pues estos materiales, por más increíble que parezca, se encuentran a todo nuestro alrededor, y son utilizados en un sin fin de aplicaciones como antenas para celulares, gomas de automóviles, mechas y brocas, entre otras. El conjunto de todos estos materiales se denomina “materiales de última generación”. En el siguiente trabajo hablaremos de su importancia, utilidad y aplicaciones para conocer más sobre ellos. Para poder entender lo que explicaremos en este trabajo primero hay que saber qué es un material de última generación. En resumidas palabras es cualquier material hecho por el hombre que tiene un comportamiento inusual, distinto a los otros materiales. Estos se dividen en tres partes: el grupo de la nanotecnología, que se encuentra la fibra de carbono; el grupo de los materiales inteligentes, en la que se destaca el Nitinol y por último el grupo de los materiales biomiméticos, como el titanio. En nuestro trabajo hablaremos de los materiales de última generación más importantes y conocidos, como son: El Kevlar: que no es más que una fibra sintética de alta resistencias, muy utilizada en chalecos antibalas; la widia que es un material extremadamente duro, más que el diamante, pero de gran fragilidad. Utilizada para recubrir brocas y mechas; El titanio se conoce como metal de transición y este se tiene un sinfín de aplicaciones, especialmente a nivel industrial; La fibra de carbono, un compuesto entre carbono y resina con gran resistencia, utilizada en la industria automovilística y aeronáutica; Diamante sintético, diamantes producidos por procesos sintéticos utilizados en las amoladoras y sierras; Nitinol es una aleación con memoria de forma, con aplicaciones en diversos campos como son la aeronáutica, medicina y la robótica. Por último, conoceremos el maquinado del titanio, que dependerá básicamente de la dureza de la aleación de titanio que se esté maquinando, y cómo debe refrigerarse. Los materiales de ultima generación es un tema de investigación muy interesante, ya que te da a conocer lo que te rodea. Un sinnúmero de materiales que utilizamos dia a dia, pero que no estamos conscientes de la forma particular que están creados. A pesar de todo, el trabajo presento algunas dificultades respecto a la poca información que hay sobre los mismos. 5

Material de última generación ¿Qué es? Un material de última generación es un material creado por el hombre, derivado de aleaciones de elementos ordinarios. Estos poseen diversas propiedades que pueden ser

controladas y

cambiadas a petición. Se diferencian de los materiales ordinarios por su comportamiento inusual con relación al comportamiento de los anteriores.

¿Cómo se clasifican? Estos nuevos materiales se clasifican en tres grupos, dependiendo de sus características, como veremos a continuación: 

El grupo de la nanotecnología: Se fabrican materiales, novedosos y poco costosos, y maquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas, que hace que la materia, manipulada a esa escala minúscula, demuestre fenómenos y propiedades totalmente nuevos. Por ejemplo: nanotubos de carbón, pequeños instrumentos para el interior del cuerpo humano, materiales más fuertes que el acero pero mucho más livianos o componentes informáticos mucho más rápidos.



El grupo de los materiales inteligentes: están diseñados para responder a estímulos externos, extender su vida útil, ahorrar energía o simplemente ajustarse para ser más confortables al ser humano. Otra de sus características, auto-reparables, e incluso si es necesario auto-destruibles, reduciéndose con ellos los residuos y aumentando su eficiencia.



El grupo de los materiales Biomimeticos: buscan replicar los procesos y materiales biológicos, tanto orgánicos como inorgánicos con el fin de desarrollar materiales ultraduros y, a la vez, ultraligeros.

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Algunos materiales de última generación Existen numerosos materiales de última generación, pero hay algunos que se destacan de los demás debido al uso que se le puede dar, el área en que se puede aplicar, su necesidad e incluso su valor económico. Aquí veremos seis materiales que se destacan por su gran uso. Conoceremos que son, cuáles son sus características principales y algunas de sus aplicaciones.

El Kevlar ¿Qué es? El Kevlar es un polímero altamente cristalino formado por poliparafenileno tereftalamida. Fue sintetizado en 1965 por la química Stephanie Kwolek. Sus fibras son tan fuertes como los cables de acero, pero tienen sólo cerca del 20% de su peso. Existen dos tipos de fibras de Kevlar: El Kevlar 29 que es la fibra tal y como se obtiene de su fabricación. Se usa para fabricar cables, crear chalecos antibalas, etc. El Kevlar 49 se emplea cuando las fibras se unen a una resina para formar un material compuesto. Se emplea como equipamiento para deportes extremos, industria aeronáutica, aviones y satélites de comunicaciones y cascos para motos. Características principales El Kevlar posee características que son las que lo hacen entrar en el grupo de “última generación”. A continuación veremos las principales: 

Alta fuerza extensible;



Alargamiento bajo o rigidez estructural;



Conductividad eléctrica baja;



Alta resistencia química;



Contracción termal baja; 7



Alta dureza;



Estabilidad dimensional excelente;



Alta resistencia al corte.

Aplicaciones El Kevlar lo podemos encontrar en numerosos objetos como chaquetas, e impermeables; cuerdas de pequeño diámetro, hilo para coser; neumáticos que funcionan desinflados; kayaks con resistencia de impacto, sin peso adicional; chaleco antibalas, compuesto de CD / DVD por su resistencia tangencial de rotación, construcción de motores, cascos de Fórmula 1, veleros de regata de alta competición, tanques de combustible de los F1, alas de aviones.

La widia ¿Qué es? La Widia, también conocida como carburo de wolframio o carburo de tungsteno es un compuesto cerámico formado por wolframio y carbono. Fue descubierto por el químico y Premio Nobel francés Henri Moissan. Características principales Entre sus características principales, encontramos que este tiene: 

Elevada dureza, ideal en la fabricación de maquinarias y utensilios que trabajan con acero.



Escasa ductilidad, que evita la deformación.



Resiste a altas temperaturas



Permite un mecanizado más rápido, debido a su gran resistencia al desgaste.



Da mejor acabado a la pieza

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Aplicaciones La Widia se emplea mayormente en la elaboración de utensilios para trabajar con metales o acero, dándole recubrimiento, con capas finísimas del material, en la punta de herramientas para tornos y fresadoras. También para la fabricación de piezas que necesiten soportar altas temperaturas, como cojinetes de ejes. También se usa muy frecuentemente en matricería. Su empleo en la fabricación moderna de todo tipo de máquinas y automóviles permite obtenerlos a un coste relativamente bajo.

El titanio ¿Qué es? El titanio es un elemento químico. Se trata de un metal de transición de color gris plata. A pesar sus numerosas ventajas, tiene un costo elevado y esto limita su uso industrial. Se considera el cuarto metal estructural más abundante en la naturaleza y se encuentra en forma de oxido. Características principales Entre las numerosas características del titanio, encontramos que: 

Es mucho más ligero que el acero



Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica



Soporta condiciones extremas de frio y de calor



Es resistente al ataque de muchos ácidos



Posee propiedades biocompatibles



Es capaz de formar aleaciones con otros elementos.



Mecanizado por arranque de viruta similar al acero inoxidable.



Permite fresado químico.



Maleable, permite la producción de láminas muy delgadas.



Dúctil, permite la fabricación de alambre delgado. 9



Duro. Escala de Mohs 6.



Muy resistente a la tracción.



Gran tenacidad.



Permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo.



Material soldable.



Permite varias clases de tratamientos tanto termoquímicos como superficiales.



Mantiene una alta memoria de su forma.

Aplicaciones El titanio se puede considerar como el que tiene más aplicaciones a nivel industrial, ya que al alearse con otros elementos como aluminio, hierro, vanadio y otros, para producir aleaciones muy resistentes y poder ser utilizados en industrias. En la industria automovilística están incorporando componentes de titanio en los vehículos que fabrican, con el fin de aligerar el peso de los mismos. En la industria energética es muy utilizado en la construcción de sistemas de intercambio térmico en las centrales térmicas eléctricas, debido principalmente a sus características de resistencia mecánica, ya que la maquina no se desgasta por vibraciones y por otro lado también facilita el intercambio de calor. Como aplicación biomédica, está el titanio quirúrgico, compatible con los tejidos del organismo humano que toleran su presencia sin reacciones alérgicas del sistema inmunitario. Se utiliza en la fabricación de prótesis de cadera y en utensilios quirúrgicos. En la industria militar el titanio se emplea como material de blindaje, en la carrocería de vehículos ligeros, en la construcción de submarinos nucleares y en la fabricación de misiles. En construcción naval, por ser resistente a la corrosión, se fabrican hélices y ejes de timón, cascos de cámaras de presión submarina, componentes de botes salvavidas y plataformas petrolíferas, así como intercambiadores de calor, condensadores y conducciones en centrales que utilizan agua de mar como refrigerante, porque el contacto con el agua salada no le afecta.

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Los pigmentos de dióxido de titanio se utilizan principalmente en la producción de pinturas y plásticos, así como en papel, tintas de impresión, cosméticos, productos textiles, farmacéuticos y alimentarios. El dióxido de titanio es el pigmento más habitualmente utilizado en el mundo, que proporciona a los productos finales una brillante blancura, opacidad y protección.

Fibra de carbono ¿Qué es? La fibra de carbono es un material compuesto, constituido principalmente por carbono. Básicamente se combina un tejido de hilos de carbono, el cual aporta flexibilidad y resistencia con una resina termoestable que se solidifica gracias a un agente endurecedor y actúa uniendo las fibras, protegiéndolas y transfiriendo la carga por todo el material. Naturalmente las fibras de carbono son negras, pero recientemente hay disponible fibra coloreada. La fibra de carbono tiene un elevado precio debido a que requiere un largo y caro proceso de producción realizado a altas temperaturas que puede durar semanas o meses, dependiendo de la calidad que se desee obtener. Por otro lado, el elevado precio se debe a que al usar materiales termoestables se dificulta el proceso de creación de la pieza final.

Características principales Características principales de la fibra de carbono: 

Resistencia mecánica, tenacidad y densidad.



Logra conservar su forma



Amortiguación de vibraciones, resistencia y tenacidad.



Resistencia química y térmica



Alta conductividad eléctrica



Compatibilidad biológica

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Aplicaciones La fibra de carbono tiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en barcos y en bicicletas, donde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes. También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como patines en línea, raquetas de tenis, edificios, ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pesca e incluso en joyería. Además, en la industria química y nuclear, en componentes y equipos electrónicos, equipos de audio y brazos de robot, entre otros.

El diamante sintético ¿Qué es? Los diamantes sintéticos son diamantes producidos en procesos tecnológicos, en oposición a los diamantes naturales, que son creados en procesos geológicos. Los diamantes sintéticos también son conocidos como diamantes HPHT o diamantes CVD. Tanto los diamantes CVD y HPHT pueden ser cortados en gemas y pueden ser producidos varios colores: blanco claro, amarillo, marrón, azul, verde y anaranjado. Características principales Las propiedades del diamante sintético dependen de los detalles de los procesos de manufactura, y pueden ser inferiores o superiores a las de los diamantes naturales: 

la dureza, conductividad térmica y movilidad electrónica son superiores en algunos diamantes sintéticos (tanto HPHT o CVD).



Alta transparencia óptica en un rango espectral amplio

Aplicaciones Los diamantes sintéticos son ampliamente usados en abrasivos, cortado y herramientas de pulido, y en disipadores térmicos. Están siendo desarrolladas aplicaciones electrónicas de los diamantes sintéticos, incluyendo interruptores de alto poder en centrales eléctricas, transistores de efecto de campo de

alta

frecuencia,

y LEDs.

Se

usan

detectores

de

diamante

sintético

de

luz ultravioleta (UV) o de partículas de alta energía en centros de investigación de alta energía, y

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están disponibles comercialmente.

Es un material popular para la fabricación de ventanas

ópticas en láser de CO2 de alta potencia, y girotrones.

El Nitinol ¿Qué es? El Nitinol es el ejemplo más conocido de las llamadas aleaciones con memoria de forma. Fue descubierto en Estados Unidos por William Beuhler. Es una aleación de níquel y titanio que tiene propiedades de memoria de forma espectaculares. La memoria de forma se manifiesta cuando, después de una deformación plástica, el material recupera su forma tras un calentamiento suave. El nombre de este material, politetrafluoroetileno, también se usa como sinónimo de otras aleaciones de este tipo. Características principales 

Por encima de su temperatura de transformación, es superelástico, capaz de soportar enormes deformaciones, y muy duro, aguantando grandes cargas y retornando a su forma original una vez haya cesado la causa que originó la deformación.



Por debajo de dicha temperatura se deforma plásticamente y presenta el fenómeno conocido como memoria de forma: cuando es calentado por encima de su temperatura de transformación recupera su forma original, sea cual sea la magnitud de la deformación que haya sufrido.



Fuerza de extensión 200.000 PSI



Punto de fusión 1.250° C



Resistencia eléctrica 0,5 ohm/cm. (alambre .006")



Es resistente a la corrosión

Aplicaciones Las buenas propiedades de esta aleación hacen de ella una buena candidata para muchas aplicaciones en diversos campos como lo son la medicina, la aeronáutica o la robótica. Ejemplos de ello son las sondas -tubos para cirugía vascular, sistemas de reparación ósea, termostatos y 13

válvulas de control, brackets de ortodoncia, monturas de gafas elásticas,

uniones en

canalizaciones de submarinos o actuadores mecánicos, entre otras. En la robótica, se usa debido a su baja conductividad eléctrica, a pesar de ser un metal.

Maquinado del titanio El maquinado de piezas de titanio en máquinas herramientas normales se realiza en condiciones parecidas a las que se utiliza para mecanizar acero o aleaciones de aluminio. Las condiciones tecnológicas del mecanizado dependerán de la dureza que tenga la aleación de titanio que se mecanice. Hay que refrigerar el mecanizado con un refrigerante adecuado teniendo en cuenta que el titanio es mal conductor térmico y por tanto difícil de refrigerar, pudiendo deteriorar el filo de corte de las herramientas a consecuencia de las altas temperaturas en la zona de corte. Por otro lado, las piezas de titanio permiten el fresado químico de tal manera que se puede conseguir una gran precisión en dicha operación. Para esta tarea se utiliza un ataque de ácido de superficie, selectivo y controlado.

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Conclusión A menudo que crece la preocupación social de la ciencia por el medio ambiente y el desarrollo sostenible se buscan nuevas tecnologías para la generación de energía, dispositivos energéticamente más eficientes y materiales reciclables y menos tóxicos. Por otro lado, se buscan nuevas aplicaciones en el campo de la salud, como el desarrollo de huesos y tejidos artificiales biocompatibles, o sistemas de liberación de fármacos más eficientes y seguros. Los materiales de última generación son muy importantes y poseen diversas aplicaciones que poco a poco se han introducido en nuestro diario vivir, facilitándonos trabajos, procesos de producción, proporcionándonos energía, etc. A través de nuestro trabajo, vimos como los materiales de última generación suplen numerosas necesidades y cumplen con muchas funciones que otros materiales comunes no podrían hacer. A todo esto se debe su importancia en las industrias. A medida que surgen necesidades, estos materiales van a ir desarrollándose y vamos a ver como al mismo tiempo nuestro mundo va a ir desarrollando.

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Bibliografía Wikipedia, 5 noviembre 2011, material inteligente, (online), http://es.wikipedia.org/wiki/Material_inteligente. Fundación Wikipedia, inc., 7 noviembre 2011, widia, (online), http://es.wikipedia.org/wiki/Widia Carolina Ll. U, 7 noviembre 2011, Fibra de carbono- presente y futuro de un metal revolucionario, PDF en línea, http://www.metalactual.com/revista/11/materialescarbono.pdf Nacho A., 10 noviembre 2011, Nitinol: Metal con increíble memoria, (en línea), http://www.soygik.com/nitinol-metal-con-increible-memoria/. Wikipedia, 10 noviembre 2011, Fibra carbono, (en línea), http://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_de_carbono. ENNIVS, 10 noviembre de 2011, Widia, (en línea), http://etimologias.dechile.net/?widia Wikipedia, 5 noviembre 2011, Diamante sintético, (en línea), http://es.wikipedia.org/wiki/Diamante_sint%C3%A9tico Fundación Wikimedia, 8 noviembre de 2011, Nitinol, (en línea), http://es.wikipedia.org/wiki/Nitinol David V. F. 11 noviembre 2011, Nitinol, (en línea), www.wikipedia.org, www.wikilearning.com, www.robots-argentina.com.ar Luis F. A, 11 noviembre 2011, Nuevos procesos de producción de estructuras de fibra de carbono, (PDF- en línea), http://www.scribd.com/mobile/documents/6113530/download?secret_password=z72e4s9ps2kg4e dbyhd

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