Las propiedades de los materiales se pueden clasificar de la siguiente manera:
Propiedades físicas
La densidad es importante en relación con el peso y el tamaño del producto (por ejemplo, para su transporte). La comida envasada se vende por peso o volumen, y se requiere una consistencia concreta.
La resistividad eléctrica es importante para elegir materiales conductores o aislantes.
La conductividad térmica es importante para los objetos que se van a calentar, los que son conducto ares o los que se deben aislar de ganancias o pérdidas de calor.
La expansión térmica (expansividad) cobra importancia cuando se unen dos materiales distintos. Estos pueden experimentar posteriormente grandes cambios de temperatura mientras permanecen unidos.
La dureza es importante cuando se requiere resistencia frente a la penetración o los arañazos. Las baldosas de cerámica son extremadamente duras y resistentes a los arañazos.
Propiedades mecánicas
La tensión de rotura (resistencia a la tracción) es importante a la hora de elegir materiales para cuerdas y cables, por ejemplo, en un ascensor.
La rigidez es importante cuando mantener la forma resulta fundamental para el rendimiento, por ejemplo, en el ala de un avión.
La dureza es importante en caso de abrasión o cortes.
La ductilidad es importante en la extrusión de materiales (no confundir con la maleabilidad, que es la capacidad de moldearse plásticamente).
Características estéticas
Algunas características estéticas son solo pertinentes para los alimentos, mientras que otras se pueden aplicar a más de un grupo de materiales. Aunque estas propiedades activan los sentidos humanos, las respuestas ante ellas varían de una persona a otra y resultan muy difíciles de cuantificar científicamente, a diferencia de las otras propiedades.
Materiales inteligentes
Piezoelectricidad . Cuando se deforma un material piezoeléctrico , emite una pequeña descarga eléctrica. Cuando lo atraviesa una corriente eléctrica, aumenta su tamaño hasta un máximo del 4% de su volumen. Estos materiales se usan ampliamente como sensores en distintos entornos. No se requieren detalles específicos de la estructura cristalina. Los materiales piezoeléctricos se pueden usar para medir la fuerza de un impacto, por ejemplo, en el sensor del airbag de un vehículo. El material siente la fuerza de un impacto en el vehículo y envía una carga eléctrica para activar el airbag.
Las aleaciones con memoria geométrica son metales que tienen pseudoelasticidad y un efecto de memoria geométrica debido a la reorganización de sus moléculas. La pseudoelasticidad se produce sin que cambie la temperatura. La carga en las aleaciones con memoria geométrica genera una reorganización molecular, que se invierte cuando disminuye la carga y el material vuelve a su forma original. El efecto de memoria geométrica permite deformaciones extremas en un material, que puede volver a su forma original mediante su calentamiento. Entre las aplicaciones de la pseudoelasticidad se incluyen las monturas para gafas, herramientas médicas y antenas para teléfonos móviles. Algunas aplicaciones del efecto de memoria geométrica son las extremidades robóticas (manos, brazos y piernas). Es difícil replicar cualquier movimiento simple del cuerpo humano, por ejemplo, la fuerza de sujeción necesaria para tomar distintos objetos (huevos, bolígrafos, herramientas, etc.). Las aleaciones con memoria geométrica son fuertes y compactas, y se pueden usar para crear movimientos suaves y realistas. El control informático del tiempo y el tamaño de la corriente eléctrica que viaja a través de una aleación de memoria geométrica puede controlar el movimiento de una articulación artificial. Otros desafíos de diseño en cuanto a articulaciones artificiales incluyen el desarrollo de software informático para controlar sistemas musculares artificiales que sean capaces de movimientos suficientemente amplios y similares en velocidad y precisión a los reflejos humanos.
El fotocromatismo hace referencia a un material que puede experimentar un cambio reversible de color cuando se expone a la luz. Una de las aplicaciones más populares son las lentes para gafas que cambian de color, que se pueden oscurecer cuando brilla el sol. Un componente químico, ya sea en la superficie de la lente o dentro del vidrio, reacciona a la luz ultravioleta, lo que provoca el cambio de forma y, por tanto, de sus espectros de absorción de luz.
Los materiales electroreostáticos y magnetoreostáticos son fluidos que pueden experimentar cambios drásticos en su viscosidad. Estos materiales pueden variar de fluido espeso a sólido en una fracción de segundo al exponerse a un campo magnético (materiales magnetoreostáticos) o eléctrico (materiales electroreostáticos), y el efecto se invierte cuando desaparece el campo. Los fluidos magnetoreostáticos se están desarrollando para su uso en amortiguadores de choque, amortiguadores de lavadoras, miembros protésicos, equipamiento para ejercicios y pulido de superficies en piezas de maquinarias. Los fluidos electroreostáticos se han desarrollado fundamentalmente para su uso en embragues y válvulas, así como soportes para motores diseñados para reducir el ruido y las vibraciones en los vehículos.
La termoelectricidad es, en su forma más simple, la electricidad generada directamente a partir del calor. Requiere la unión de dos conductores distintos que, al calentarse, generan una corriente directa. Los circuitos termoeléctricos se han usado en zonas remotas y sondas espaciales para alimentar transmisores y receptores.
Se espera que los alumnos sean capaces de interpretar gráficos de tensión y deformación y diagramas de selección de materiales para identificar adecuadamente los materiales según el contexto.
Los materiales tienen una función primordial en el diseño, fabricación y utilización de todos los productos. En este tema se estudia el desarrollo histórico de materiales no solo en lo que respecta a los avances científicos realizados durante el descubrimiento de un material concreto, sino también a cómo distintos desarrollos en campos no relacionados convergen posteriormente y conducen al desarrollo de nuevas técnicas y materiales de fabricación. Estos desarrollos no deben tenerse en cuenta solo por su desarrollo tecnológico, sino también por su impacto social en las industrias de diseño y de consumo.
Al elegir una escala de producción adecuada para un producto, los alumnos deben tener en cuenta varios factores, entre ellos:
Características del producto
Características de los materiales
Tamaño del mercado
Naturaleza del mercado
Procesos de fabricación deseados
Sistema de producción deseado
Los alumnos deben saber explicar la elección de la escala de producción, así como las ventajas y desventajas de las distintas escalas.
Los procesos de fabricación se pueden clasificar en cuatro categorías comunes a todos los tipos de fabricación:
Técnicas aditivas
Técnicas de desgaste o sustractivas
Técnicas de conformación
Técnicas de unión
Los alumnos deben comprender los procesos de fabricación con la profundidad suficiente como para poder elegir las técnicas adecuadas para fabricar productos y componentes. Deberán ser capaces de explicar las ventajas y las desventajas de cada una, así como de identificar dónde se han usado en distintos contextos de diseño.
Se espera que tengan un nivel de comprensión suficiente sobre los sistemas de producción como para ser capaces de tomar buenas decisiones a la hora de determinar qué sistemas son adecuados para un trabajo concreto. Esto incluye saber explicar las ventajas y desventajas de los distintos sistemas de producción, el impacto que tienen en la mano de obra y el medioambiente y los criterios de selección.
La producción artesanal es un proceso de producción a pequeña escala que se centra en las habilidades manuales.
La producción mecanizada es un proceso de producción en volumen que requiere máquinas controladas por personas.
La producción automatizada es un proceso de producción en volumen que requiere máquinas controladas por computadores.
La producción en línea de ensamblaje es un proceso de producción en volumen en el que los productos y componentes se mueven continuamente a lo largo de una cinta transportadora. A medida que el producto va de una estación de trabajo a otra, los componentes se añaden hasta que se ensambla el producto final.
La producción masiva es la producción de grandes cantidades de productos estandarizados en las líneas de producción, lo que permite obtener elevadas tasas de producción por trabajador.
La adaptación masiva es un sistema complejo de fabricación integrado por computador que fabrica productos para pedidos individuales. Los beneficios de la economía de escala se obtienen tanto si el pedido es de un único artículo o si son miles de unidades.
El control numérico por computador está relacionado con el control de máquinas con el propósito de fabricar piezas complejas de metal y otros materiales. Las máquinas están controladas por un programa denominado comúnmente “código G”. Cada código se asigna a una operación o proceso concretos. Los códigos controlan los movimientos X, Y y Z y las velocidades de avance.
En el diseño para fabricación los profesionales diseñan específicamente para usar óptimamente las capacidades de fabricación existentes. El diseño para fabricación comprende cuatro aspectos:
Diseño para materiales : diseñar en relación con los materiales durante el procesamiento
Diseño para proceso : diseñar para permitir que el producto sea fabricado usando un proceso de fabricación concreto, por ejemplo, moldeado por inyección
Diseño para montaje : diseñar de modo tal que se tenga en cuenta el montaje en diversos niveles, por ejemplo, de componente a componente, componentes en subconjuntos y subconjuntos en productos completos
Diseño para desmontaje : diseñar un producto para que cuando se vuelva obsoleto se pueda desarmar (o desmontar) fácil y económicamente, que los componentes se puedan reutilizar o reparar, y que los materiales se puedan readaptar o reciclar
Envolvente de trabajo : espacio tridimensional en el que puede operar un robot, teniendo en cuenta el espacio libre y el alcance
Capacidad de carga : en este contexto, el peso que puede manipular un robot
Los alumnos deberán saber resumir las diferencias entre robots monotarea y multitarea, y distinguirlos.
Máquina a máquina hace referencia a las comunicaciones con y sin cable entre dispositivos similares.
Un robot de primera generación es un brazo mecánico simple que tiene la capacidad de realizar movimientos precisos a una gran velocidad. Necesitan constantemente la supervisión de un operario humano.
Los robots de segunda generación están equipados con sensores que pueden proporcionar información sobre su entorno. Se pueden sincronizar entre ellos y no requieren la supervisión constante de una persona, aunque están controlados por una unidad de control externo.
Los robots de tercera generación son autónomos y pueden funcionar en gran medida sin supervisión humana. Tienen su propia unidad de control central. También entran en esta categoría los enjambres de pequeños robots autónomos.
Al estudiar los robots en la producción automatizada, se espera que los alumnos comprendan los contextos en los que se usan los robots y las ventajas y desventajas de usarlos en la producción automatizada.