Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales

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El problema del diseño y selección de materiales Alberto Rossa Sierra, Dr. Ing. Francisco J. González Madariaga, Dr. Ing. Laboratorio de Innovación Tecnológica para el Diseño

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Descripción de la metodología para selección de materiales para el diseño y desarrollo de productos

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El problema del diseño y selección de materiales

Alberto Rossa Sierra, Dr. Ing.Francisco J. González Madariaga, Dr. Ing.

Laboratorio de Innovación Tecnológica para el Diseño

Page 2: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales

Aplicación: se debe cumplir unas

funciones específicas

¿Qué material cumple dichas funciones y de todos aquellos que las

cumplen cuál es el óptimo?

A este proceso se le llama diseño y selección de materiales y existen metodologías específicas para poder realizar la selección de forma sistemática.

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Principal dificultadEl número de materiales disponibles es enorme; metales, cerámicas, plásticos y compuestos conforman un vasto menú (entre 50.000 y 100.000 materiales) que están a disposición de las personas que diseñan objetos e instrumentos.

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Diagrama de bloques del proceso de diseño

Necesidad del mercado

Diseño inicialDefinición general

Diseño Detallado. Análisis detallado de componentes

Especificaciones de producto. Prototipo

Ɣ Definir especificacionesƔ Determinar las funciones del sistemaƔ Definir el principio de funcionamientoƔ Definir componentes y requerimientos científico-tecnológicos, económicos y sociales de cada uno de ellos

Ɣ Modelar y analizar cada componenteƔ Seleccionar los materiales de cada componente que cumplen los requerimientos definidos previamenteƔ Modelar y analizar las ligaduras

Ɣ Analizar los componentes en detalleƔ Seleccionar proceso de fabricaciónƔ Optimizar prestaciones y costoƔ Especificar planos de diseño

Análisis inicial de cada componente

Ɣ Fabricación de un prototipoƔ Verificación de si el prototipo cumple las especificaciones definidas inicialmente

ƔEn caso afirmativo, definir proceso de producción

ƔEn caso negativo volver a las etapas anteriores y modificar el diseño o la selección de materiales

Parte fundamental del proceso y es la que vamos a

analizar en este tema

Parte fundamental del proceso

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Ɣ Dificultad de moldeoƔ Elevado costoƔ Elevada fluencia (matrices poliméricas)

Ɣ Rigidez (E>50 GPa)Ɣ Resistencia mecánica (Vf§ 200 MPa)Ɣ Tenacidad (KIC>50 MPa m1/2)Ɣ Resistencia a la fatigaƔ Resistencia a la corrosiónƔ Baja densidad

Materialescompuestos

Ɣ Baja rigidez (E§2 GPa)Ɣ Elevada Fluencia (Vf§ 2-100 MPa)Ɣ Baja temperatura de transición vítrea (Tg§100ºC) �fluyen a baja temperaturaƔ Tenacidad media (KIC§1 MPa m1/2)

Ɣ Ductilidad y moldeabilidadƔ Resistencia a la corrosiónƔ Baja densidadƔ Bajas conductividades eléctricas y térmicas

Polímeros

Ɣ Muy baja tenacidad (KIC§2 MPa m1/2)Ɣ Baja resistencia al choque térmico ('T§200ºC)Ɣ Dificultad de moldeo� métodos de polvo

Ɣ Rigidez (E§200 GPa)Ɣ Elevada resistencia a la fluencia y duras(Vf§ 3 GPa)ƔElevado punto de fusión (Tm§2000ºC)Ɣ Densidad moderadaƔ Resistencia a la corrosión

Cerámicas

Ɣ Se deforman plásticamente(Vf§ 1MPa) �AleacionesƔ Baja dureza (H§ 3Vf) � AleacionesƔBaja resistencia a la fatiga (Ve§ 1/2Vf)ƔElevada resistencia a la corrosión� recubrimientos

Ɣ Rigidez (E§100 GPa)Ɣ Ductilidad � MoldeabilidadƔ Tenacidad (KIC>50 MPa m1/2)Ɣ Elevado punto de fusión (Tm§1000ºC)Ɣ Elevada resistencia al choque térmico ('T§500ºC)Ɣ Elevadas conductividades eléctricas y térmicas.

Metales

DebilidadesPuntos FuertesMateriales

Propiedades generales de los diferentes tipos de materialesPropiedades generales de los diferentes tipos de materiales

Esta es la variada carta de la que deberemos seleccionar el material idóneo.

Propiedades generales de los diferentes tipos de materiales

De esta variada carta de la que debemos seleccionar el material idóneo.

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El proceso consta de tres etapas:

Definición de requerimientos para la aplicación considerada

Cálculo del índice o índices del material para la aplicación

Selección del material usando el índice de material y los mapas de selección de materiales

123

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RequerimientosRequerimientos científico-tecnológicos.

Requerimientos específicos debe cumplir el material: Cargas, temperaturas, condiciones atmosféricas, conductividades térmica y eléctricas requeridas, aspecto superficial, etc.

Requerimientos económicos: Coste por unidad de peso o volumen, su importancia depende del sector en el que esté. Se debe tener en cuenta coste de la materia prima, del proceso de fabricación y del transporte

Requerimientos socio-ecológicos: Aspectos medioambientales, seguridad, normativa específica, reciclabilidad, biodegradabilidad, etc.

1

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Índice de material para una barra, rígida ligera

Requerimientos científico-tecnológicos de diseño para una barra ligera.

La longitud (l) de la barra está especificada

Se debe minimizar la masa

Barra sometida a esfuerzos en flexión.Debe soportar una carga F en flexión deformándose menos de un cierto valor �

carga F

longitud l

Sección A�

l

Barra cargada en flexión

2. Índice de material para una barra, rígida y ligera. 2

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La rigidez (RI) de una barra de sección cuadrada cargada en flexión es:

3

21

12lEAC

RI � (9.1)

donde E es el módulo de Young y C1 es una constante que depende de la distribución de lacarga a lo largo de la barra. En la ecuación previa la rigidez RI y la longitud l son fijas por lo queel único parámetro libre es la sección A.

Una de las ligaduras impone que F/� sea mayor que la rigidez de la barra. Se tiene portanto.

��F

3

21

12lEAC

(9.2)

Por otra parte la masa de la barra es:

Alm �� (9.3)

Despejando de esta última ecuación el parámetro libre A y sustituyéndolo en laecuación previa se obtiene.

���

� �

����

��

213

21

1

12/E

llC

RIm (9.4)

donde se han agrupado por una parte los términos que dependen de los requerimientos de laaplicación (RI, l, C1) y por otra aquellos propios del material (� y E). Es obvio que los mejores materiales para una barra rígida y ligera son aquellos con un valor máximo del cociente (E1/2/�) que será el índice de material (M) para esta aplicación:

��

2/1EM (9.5)

ya que de este modo se minimiza la masa del sistema, asegurando a su vez una rigidez mayorque la que específica el diseño.

Se debe maximizar este

índice (combinación de

propiedades)

Se debe maximizar éste índice

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2. Índice de material para un aislante térmico de bajo coste

foco calientetemperatura

T1

foco fríotemperatura

T2

Material aislante

Material para aislamiento térmico

Requerimientos científico-tecnológicos y económicos de diseño para un aislante térmico barato

Régimen estacionario.Se debe minimizar el costo

Se supone que la sección del material A está especificada

Material aislante con forma de paralelepípedo de sección A y espesor h.Se debe lograr que el flujo de calor Q a través del material sea inferior a un valor

determinado Qcri.

Índice de material para un aislante térmico 2

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El costo del aislante térmico vendrá dado por la ecuación:

�� mAhCC (9.6)

donde Cm es el costo por unidad de masa del material procesado en forma de paralelepípedo,A es la sección, h el espesor y � la densidad

El flujo de calor a través del material Q se puede obtener a partir de la ley de Fourier.

hTT

Q 12 ���� (9.7)

que ha de establecerse para condiciones que no superen el valor crítico Q�Qcri

Despejando de la ecuación 9.7 el parámetro libre h y sustituyendo en 9.6 se obtiene:

� �mcri

CAQ

TTC ��

��

�� 21 (9.8)

por lo que para minimizar el costo del material se deberá maximizar el índice M de material

mCM

���

1 (9.9)

Se debe maximizar este índice (que es de nuevo una combinación de varias características del material)

Se debe maximizar éste índice

(que es de nuevo la combinación de

varias características del material)

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Ejemplo de índices de materiales (determinados usando procedimientos análogos a los de los ejemplos previos).

Requerimientos Índice

Barra, Mínimo peso, rigidez especificada

21/E

Barra, peso mínimo, resistencia especificada

�� 32 /

f

Barra, costo mínimo, rigidez especificada

�m

/

CE 21

Barra, costo mínimo, resistencia especificada

��

m

/f

C

32

Columna, costo mínimo, resistencia al pandeo especificada.

�m

/

CE 21

Aislamiento térmico, costo mínimo, flujo de calor especificado.

�� mC1

� densidad, E módulo de Young, �f esfuerzo de fluencia, Cm costo por kilogramo, � conductividad térmica

Ejemplos de índice de materiales

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33. Mapas de selección de materiales

El mapa módulo de Young versus densidad

Densidad / gr.cm-3

0.1 0.3 1.0 3.0 10 30

1000

100

10

1.0

0.1

0.01

Plásticos

Elastómeros

EspumasPoliméricas

AleacionesMetálicas

MaterialesCompuestos

Cerámicas avanzadas

Cerámicas tradicionales

E / GPa

R=R1

R=R2

�ER � RE logloglog �� �

Se trata de un esquema gráfico que permite condensar una gran cantidad de información en una forma accesible y

sencilla y que además permite establecer correlaciones entre propiedades

Los datos que aparecen representados para los distintos tipos de materiales elegidos, ocupan espacios separados en

el diagrama.

Si se escogen los ejes y las escalas de la figura en manera adecuada, se puede utilizar el diagrama para obtener

información adicional:

Así, fijado un valor para la rigidez específica R=R1 o R=R2, esta ecuación representa en el mapa una línea recta de pendiente 1 y

ordenada en el origen log R1 o log R2. Es decir todos los materiales que son tocados por la recta tienen la misma rigidez

Mapas de selección de materiales

Módulo de Young vs. densidadSe trata de un esquema gráfico que permite condensar una gran cantidad de información en una forma accesible y sencilla y que además permite establecer correlaciones entre propiedades.

Los datos que aparecen representados para los distintos tipos de materiales elegidos, ocupan espacios separados en el diagrama.

Si se escogen los ejes y las escalas de la figura en manera adecuada, se puede utilizar el diagrama para obtener información adicional.

Así, fijado un valor para la rigidez específica R=R1 o R=R2, esta ecuación representa en el mapa una línea recta de pendiente 1 y ordenada en el origen log R1 o log R2. Es decir todos los materiales que son tocados por la recta tienen la misma rigidez.Densidad (gr/cm3)

E (G

Pa)

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Densidad gr/cm3

0.1 0.3 1.0 3.0 10 30

1000

100

10

1.0

0.1

0.01

Plásticos

Elastómeros

EspumasPoliméricas

AleacionesMetálicas

MaterialesCompuestos

(CRFC, CRFV)

Cerámicas avanzadas

Cerámicas tradicionales

E /

GP

a

LDPE

HDPE

PVC plastificado

PP

PVC

Diamante

SiCZrO2B Aceros

Aleaciones de Al

Aleaciones de Pb

Aleaciones de Cu

Aleaciones de Ti

Cemento, hormigón

Vidrios

Maderas

1. El módulo de Young de los materiales se expande cinco décadas, desde 0.01 GPa para espumas de baja densidad, hasta 1000 GPa para el diamante. La densidad por su parte se expande en un factor de aproximadamente 200, desde 0.1 hasta 20 gr/cm3. Es también significativo la tendencia general de aumento del módulo de Young cuando crece la densidad del material

2. Cada clase de materiales (por ejemplo los polietilenos de baja densidad (LDPE), los aceros, las aleaciones de aluminio), ocupa una cierta región en el diagrama. Esto se debe a que estos materiales deben clasificarse como “familias” de materiales.

3. En general las regiones que ocupa cada tipo de material son elipses con su eje mayor en la dirección del módulo de Young, lo que indica que dentro de una familia de materiales, ésta propiedad puede ser variada en mayor grado que la densidad (eje menor de la elipse) que es menos variable.

4. En cuanto a los valores numéricos, cabe destacar que los materiales compuestos reforzados con fibras de vidrio (CRFV) y con fibras de carbono (CRFC) tienen módulos de Young del mismo orden que muchas de las aleaciones metálicas. Las cerámicas son los materiales más rígidos, siendo las espumas poliméricas los materiales de menor rigidez

5. Las maderas presentan dos elipses cada una de ellas asociada a la dirección en la cual se realiza el ensayo mecánico

El mapa módulo de Young versus densidad (más detallado)1. El módulo de Young de los materiales abarca cinco niveles, desde 0.01 GPa para espumas de baja densidad, hasta 1000 GPa para el diamante. La densidad por su parte se abarca un factor de aproximadamente 200, desde 0.1 hasta 20 gr/cm3. Es también significativo la tendencia general de aumento del módulo de Young cuando crece la densidad del material

2. Cada clase de materiales (por ejemplo los polietilenos de baja densidad (LDPE), los aceros, las aleaciones de aluminio), ocupa una cierta región en el diagrama. Esto se debe a que estos materiales deben clasificarse como “familias” de materiales.

3. En general las regiones que ocupa cada tipo de material son elipses con su eje mayor en la dirección del módulo de Young, lo que indica que dentro de una familia de materiales, ésta propiedad puede ser variada en mayor grado que la densidad (eje menor de la elipse) que es menos variable.

4. En cuanto a los valores numéricos, cabe destacar que los materiales compuestos reforzados con fibras de vidrio (CRFV) y con fibras de carbono (CRFC) tienen módulos de Young del mismo orden que muchas de las aleaciones metálicas. Las cerámicas son los materiales más rígidos, siendo las espumas poliméricas los materiales de menor rigidez

5. Las maderas presentan dos elipses cada una de ellas asociada a la dirección en la cual se realiza el ensayo mecánico

Densidad (gr/cm3)

E (G

Pa)

Módulo de Young vs. densidad

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El mapa expansión térmica (�) versus conductividad térmica (�)

� / W.m-1.K-1

0.01 0.1 1.0 10 100 1000

10000

0.1

Plásticos

Elastómeros

EspumasPoliméricas

AleacionesMetálicas

MaterialesCompuestos

(CRFC, CRFV)

Cerámicas avanzadas

Cerámicas tradicionales

LDPE

HDPE

PP

PVC

Diamante

SiC

ZrO2

Aceros

Aleaciones de Al

Aleaciones de Mg Aleaciones

de Cu

Aleaciones de Ti

Cemento, hormigón

vidrios

1000

100

10

1

�/ 1

0-6 K

-1

1. Al igual que en el mapa previo cada familia de materiales se sitúa en regiones concretas del mapa.

2. Existe una correlación entre ambas magnitudes, según la cual un aumento en la conductividad térmica está en general, ligado a una reducción en el coeficiente de expansión.

3. Los polímeros presentan expansiones térmicas aproximadamente 10 veces mayores que las de los metales y 100 veces superiores a las de las cerámicas. Los materiales compuestos, aunque en muchos casos se fabriquen a partir de matrices poliméricas, pueden tener valores bajos de la expansión térmica debido al pequeño coeficiente de expansión del refuerzo.

4. En cuanto a los valores de la conductividad térmica se observa que se expanden a lo largo de cinco décadas. Los materiales de mayor conductividad son en general los metales, seguido de las cerámicas, materiales compuestos y polímeros. Los mejores aislantes térmicos son los materiales porosos, en los que la capacidad aislante se debe al gas contenido en sus celdas

1. Al igual que en el mapa previo cada familia de materiales se sitúa en regiones concretas del mapa.

2. Existe una correlación entre ambas magnitudes, según la cual un aumento en la conductividad térmica está en general, ligado a una reducción en el coeficiente de expansión.

3. Los polímeros presentan expansiones térmicas aproximadamente 10 veces mayores que las de los metales y 100 veces superiores a las de las cerámicas. Los materiales compuestos, aunque en muchos casos se fabriquen a partir de matrices poliméricas, pueden tener valores bajos de la expansión térmica debido al pequeño coeficiente de expansión del refuerzo.

4. En cuanto a los valores de la conductividad térmica se observa que se expanden a lo largo de cinco niveles. Los materiales de mayor conductividad son en general los metales, seguido de las cerámicas, materiales compuestos y polímeros. Los mejores aislantes térmicos son los materiales porosos, en los que la capacidad aislante se debe al gas contenido en sus celdas

α/10

-6K-

1

λ/W•m-1K-1

Expansión térmica (α) vs. conductividad térmica (λ)

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Elección de los materiales a partir del índice de material y de los mapas de selección de materiales.

Densidad /gr.cm-3

0.1 0,3 1.0 3.0 10 30

1000

100

10

1.0

0.1

0.01

Polímeros

Elastómeros

EspumasPoliméricas

AleacionesMetálicas

MaterialesCompuestos

Cerámicas avanzadas

Cerámicas Tradicionales

E / GPa

32/1

��E

Materiales con mayor índice de material que 3 y mayor módulo de Young de 100 GPa

2/1E

Elección de los materiales a partir del índice de material y de los mapas de selección de materiales.

Densidad /gr.cm-3

0.1 0,3 1.0 3.0 10 30

1000

100

10

1.0

0.1

0.01

Polímeros

Elastómeros

EspumasPoliméricas

AleacionesMetálicas

MaterialesCompuestos

Cerámicas avanzadas

Cerámicas Tradicionales

E / GPa

32/1

��E

Materiales con mayor índice de material que 3 y mayor módulo de Young de 100 GPa

2/1E

Elección de los materiales a partir del índice de material y de los mapas de selección de materiales.

Densidad (gr/cm3)

E (G

Pa)

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Algunos ejemplos de selección de materiales

Materiales ligeros y rígidos

Requerimientos científico-tecnológico y económicos para aplicaciones del sector del transporte. Materiales rígidos y ligeros.

El costo debe ser lo menor posible (C< 10 euros/kg)La tenacidad debe superar un valor límite (G>30 kJ/m2)

Se debe minimizar la masa

Material rígido cargado en flexión de longitud l especificada. El material debe tener una rigidezsuperior a un valor definido

��

21

1

/EM

Supongamos además que M1 debe tener un valor mínimo de6GPa1/2/(gr/cm3)

El primer índice de material para esta aplicación es

4Ejemplo de selección de materiales

100 pesos/kg)

Page 18: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales

Densidad / gr.cm-3

0.1 0.3 1.0 3.0 10 30

1000

100

10

1.0

0.1

0.01

Plásticos

Elastómeros

EspumasPoliméricas

AleacionesMetálicas

MaterialesCompuestos

(CRFC, CRFV)

Cerámicas avanzadas

Cerámicas tradicionales

E / GPa

LDPE

HDPE

PVC plastificado

PP

PVC

Diamante

SiCZrO2B Aceros

Aleaciones de Al

Aleaciones de Pb

Aleaciones de Cu

Aleaciones de Ti

Cemento, hormigón

Vidrios

Maderas

Materiales que pasan el primer criterio de

selección M1>6GPa1/2/(gr/cm3)

Primer criterio de selección, índice M1

Materiales que pasan el primer criterio de selección

M1>6GPa1/2/(gr/cm3)

Primer criterio de selección, índice M1

Densidad (gr/cm3)

E (G

Pa)

Page 19: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales

Diagrama mostrando el segundo criterio de selección referente a la tenacidad y precio (se incluyen los valores del acero, que no pasaba el primer criterio para poder comparar)

Precio / euros.kg-1

0.1 1,0 10 100 1000

10000

100

1.0

0.01

SiC

CRFC

Maderas

CRFV

Tena

cida

d (K

J/m

2 )

0.001

Aceros

Diagrama mostrando el segundo criterio de selección referente a la tenacidad y precio (se incluyen los valores del acero (que no pasaba el primer criterio para poder comparar))

El único material que cumple los requerimientos es el CFRV

La madera cumple todos los requisitos menos el de tenacidad

El CRFC cumple técnicamente pero su precio es demasiados elevado

El SiC no cumple porque es poco tenaz (cerámica) y caro.

El único material que cumple los requerimientos es el CFRV La madera cumple todos los requisitos menos el de tenacidad El CRFC cumple técnicamente pero su precio es demasiados elevado El SiC no cumple porque es poco tenaz (cerámica) y caro.

Precio / Pesos•kg-1

Tena

cida

d KJ

/m2

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Normativa de uso obligatorio

Las normas de origen público, de implantación obligatoria o voluntaria, pretenden la protección del usuario del medio ambiente:

1. Eliminación de elementos químicos perjudiciales para la salud 2. Marcado CЄ, UL, etc, para protección del usuario. 3. Ignifugación en sectores como la construcción, aeronáutica.. 4. Etc.

Requerimientos de diseño socio-ecológicos

Page 21: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales

Protección del medio ambiente

Normativas que tienden a proteger el medio ambiente evitando el uso de ciertas tecnologías y/o materiales.

Ejemplo. por ejemplo, el protocolo de Montreal, prohibió el uso de productos clorofluorucarbonados (CFC) debido a su efecto nocivo sobre la capa de ozono.

Una tendencia actual es la introducción de eco-indicadores. Asignar un índice o índices numéricos a cada material que índice su efecto sobre el medio ambiente y que pueda usarse como criterio de diseño en la metodología de selección de materiales.

Ejemplo: Presentación de eco-indicadores...

Page 22: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales

¿Qué sucede si cuando aplicamos la metodología anterior no existe un material

que cumpla con todas las especificaciones requeridas?

Page 23: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales

Se rediseña el producto para que el material no tenga exigencias tan elevadas.

Se desarrolla un nuevo material que cumpla dichas especificaciones

12

Page 24: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales

Se rediseña el producto para que el material no tenga exigencias tan elevadas...

Page 25: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales

Los diseñadores se han apropiado del mundo de los materiales y empiezan a experimentar con ellos, empujándolos hasta sus límites.

Lo que inició siendo una forma “honesta” de usar los materiales se ha convertido llevarlos a las fronteras en una búsqueda de sus tocar sus máximos desempeños, así como las posibilidades de los procesos para transformar estos materiales. Así se pueden observar en las ferias metales pulidos, colores saturados y piezas de madera extra-delgadas.

Materiales al límite

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Page 28: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales
Page 29: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales
Page 30: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales
Page 31: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales
Page 32: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales
Page 33: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales
Page 34: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales

Diseño de materiales a la carta:Los requerimientos finales definen la estructura del material

Siglo XXI

Page 35: Diseño y seleccion de materiales / Tecnología de Materiales

Fin