Materiales y diseño sostenible
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El documento trata sobre el diseño, materiales y sustentabilidad. Hace referencia a nuevas tecnologías, materiales y procesos que permiten desarrollar nuevos productos con menor peso, costo y impacto ambiental, y mayor ciclo de vida y funcionalidad. También menciona el rol de la ciencia y el proceso de diseño para seleccionar los materiales apropiados.
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- 1. Diseño Materiales Sustentabilidad y Cuerpo Académico 381_Innovación Tecnológica para el Diseño Alberto Rossa Sierra, Dr. Ing.
- 2. Nuevas tecnologías Nuevos materiales Estructura Función Compuestos Multi-materiales Nuevos procesos Formado Uniones Superficies Nuevos productos Menor peso Menor costo Mayor ciclo de vida Nuevas funciones Menor impacto ambiental Apariencia visual Apariencia táctil El rol de la ciencia
- 3. Briefing de diseño Concepto Desarrollo Detalle Especificaciones del producto Producción, Uso y Residuo Procesodediseño 100,000 materiales Límites en atributos mecánicos, térmicos y otros: 10-50 materiales De acuerdo a su desempeño reducir una lista corta 5-10 materiales Prototipado virtual y real,AEF, CAD y modelos físicos 1 o 2 materiales Diseñotécnico 100,000 materiales Estética deseada, percepciones y asociaciones 10-50 materiales Exploración en colecciones de muestras y en otros productos 5-10 materiales Prototipado de superficies en renders 3D, prototipado rápido, modelos tradicionales 1 o 2 materiales Diseñoindustrial Materiales en el proceso de diseño
- 4. Composites Sandwiches Híbridos Estructuras segmentadas Espumas PE, PP, PET PC, PS, PEEK PA (nylons) Polímeros Poliésters Fenólicos Epóxicos Isopreno Neopreno Caucho natural Elastómeros Caucho sintético Siliconas EVA Cristales de soda Borosilicatos Cristales Cristal sílico Cristales-cerámicos Aluminas Carburos de silicio Cerámicos Nitritos de silicio Zirconias Acero Aleaciones de Al Caucho natural Metales Aleaciones de Cu Aleac. de Zn Aleac. de Ti Menú de materiales
- 5. Clasificación de materiales (Di) Materiales metálicos (Acero hierro,fundición, aluminio, estaño, plomo, etc.) Materiales pétreos y cerámicos No aglomerantes (Rocas, arena, grava) Aglomerantes (Cemento, yeso, mortero, hormigón) Cerámicos (Arcilla, barro, loza, refractario, gres y porcelana) Vidrio Fibras textiles Vegetal (Algodón, lino, papel) Animal (lana, seda, cuero) Mineral (Amianto, oro, plata, cobre) Sintéticas (Rayón, lycra) Madera Dura (Haya,roble, cerezo, caoba) Blandas (Pino, abeto, chopo) Prefabricadas (Contrachapado, aglomerado, MDF) Celulósicos (Papel, cartón, cartulina) Corcho Plásticos Termoplásticos (PET, PVC, PE, PS, PMMA, etc.) Termoestables (PU, Melamina) Elastómeros (TPO, caucho, látex) Compuestos (Fibra de vidrio, ablativos)
- 6. Clasificación de materiales Clasificación de materiales basada en el una concepción científica de la naturaleza de los átomos que contienen y la cohesión entre ellos. La columna final muestra una lista de posibles atributos para un material específico Familia Metales Polímeros Cerámicos Composites Clase Elastómeros Termoplásticos Termoestables Miembro ABS Poliamida Policarbonato Polietileno Polipropileno Poliestireno Poliuretano PTFE PVC Perfil técnico Propiedades físicas Propiedades mecánicas Propiedades térmicas Propiedades eléctricas Propiedades ópticas Eco-propiedades Propiedades de proceso Propiedades acústicas Propiedades tactiles
- 7. Caracterización del PP Propiedades físicas Densidad, kg/m3 Propiedades mecánicas Módulo elástico, GPa Módulo a cedencia, MPa Módulo a tracción, MPa Módulo a compresión, MPa Elongación, % Límite de fatiga, MPa Dureza,Vickers Propiedades térmicas Temperatura máxima de uso, ºC Conductividad térmica,W/m*C Expansión térmica, /C*10-6 Temperatura de molde, ºC Propiedades eléctricas Constante dieléctrica Pérdida dieléctrica, % Resistencia, ohm*cm 900-910 1.14-1.55 31-35 33-36 37-45 100-350 10-11 11-15 9.2-11 90-105 0.11-0.12 145-180 210-250 2.2-2.3 0.05-0.08 3.1022-3.1023
- 8. Fecha Importanciarelativa Metales Polímeros y elastómeros Cerámicos y vítreos Compuestos Oro Cobre Bronce Hierro Acero Aleaciones de acero Aleaciones ligeras Super aleaciones Titanio Zirconia etc Metales cristalinos Al-Li Aceros de fase dual Aceros microaleados Nuevas super aleaciones Lento desarrollo: Mejora en la calidad, control y procesamiento Madera Pieles Fibras Adhesivos Caucho Bakelita Nylon PE PC PMMA PS PP Acrílicos Epóxis Poliesteres Pollímeros de alto módulo Pollímeros de alta temperatura Papel GFRP CFRP Kevlar-FRP Compuestos Metal-matriz Compuestos Cerámicos Piedra Cerámica Vidrio Cemento Refractarios Cemento portland Sílica fundida Pyro-cerámica Cerámica de ingeniería Evolución histórica de los materiales
- 9. Material Timeline From pre-historic times to the present National Academy of Engineering (US) and ‘Lightness: The Inevitable Renaissance of Minimum Energy Structures’ Ed van Hinte & Adriaan Beukers 010 Uitgeverij, 1998 Source: 70 — INGREDIENTS NO. 2 INGREDIENTS NO. 2 — 71 Línea de tiempo de uso de los materiales De la prehistoria al presente Metales Madera Otros naturales Cerámicos Vidrio Plásticos Composites Importancia relativa Fuente: Academia Nacional de Ingeniería (US) Traducción: Alberto Rosa Sierra, CA_381, UdeG Herramientas de piedra Terracota Arcilla Primeros textiles Herramientas de pedernal Anzuelos de hueso Grasa animal Cobre Latón Oro Loza de barro 500,000 AC 5000 AC 1000 AC 0 1000 1500 Carpintería Concreto Seda Níquel Bronce Aceites vegetales Papiro Cáñamo Vidrio Hierro Hule natural Ladrillo Chapa Acero Carbón Vidrio soplado Pergamino Plomo Papel Imanes Porcelana Mercurio Petróleo Loza de China Yeso Platino Tungsteno Molibdeno 1975 20001950192519001800 Grafito Magnesio Zirconia Aluminio Triplay Cemento Portland Electromagnetos Caucho vulcanizado Plástico sintético Titanio Baquelita Fibra sintética Acero inoxidable Vidrio de borosilicato Caucho sintético Poliestireno (PS) Polietileno (PE) Poliamida (PA) Fibra de Vidrio Super-aleaciones basadas en Níquel Poliesteres (PE) PET Acrílico Aramidas Siliconas HDPE Triplay curvado Plástico biodegradable Plástico de almidón (PLA) Transistor molecular Piel sintética Nanotecnología Imanes de tierras raras Superconductores Poliuretano (PU) Polipropileno ABS Aleaciones de metales amorfos Aleación NiTi Vidrio flotado Fibra de Ca Cristal de Silicio Línea de tiempo de uso de materiales
- 10. Date 100,000 BC 10,000 BC 1,000 BC 0 BC / AD 1000 AD 500 AD 1500 AD 1800 AD 1900 AD 1850 AD 1920 AD 1940 AD 1960 AD 1980 AD 2000 AD Dependence on non-renewable materials0% 100% Dependence on non-renewable materials0% 100% Oil-based polymers displace natural fibers, pottery and wood Cast iron, steel displace wood and stone in structures The “dark ages” — little material development Start of the industrial revolution Concrete displaces wood in large structures Metals become the dominant materials of engineering Total dependence on renewable materials Near-total dependence on non-renewable materials Copper, bronze displace bone and stone tools Wrought iron displaces bronze Aluminum displaces wood in light-weight design MFA 08 Silicon-based communication controls all commerce and life
- 11. Annualworldproduction(tonnes/year) 104 102 103 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 Steel Al-alloys Zn alloys Cu alloys Pb alloys Mg alloys Silver Wood Glass BrickPE PPPVC C-fiber Asphalt Oil and coal Ni alloys Gold Ti alloys Concrete PET MFA 08 Man-made fibers Natural fibers Metals Polymers Ceramics Other .1 The annual world production of 23 materials on which industrialized society depends. The scale is logarithmic. Producción anual mundial de los principales 23 materiales de los que depende la sociedad industrializada. La escala es logarítmica Metales Polímeros Cerámicos Otros Producciónanualmundial(Tons/año) Producción mundial de los materiales
- 12. 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 106 Precio por kg de materiales de ingeniería Preciodelmaterialporunidaddemasa($/kg) Diamante Platino Oro Exóticos Zafiro Iridio Berilio Plata CFFP Composites estructurales GFRP Nitrito-Al Carburo Carburo de boro Carburo de silicio Cerámicas técnicas y vidrio Alumina Pyrex Vidrio PEEK PTFE Siliconas Polímeros Epoxies Nylons PMMA EVA, PS PP, PE Aleac. de Ti Aleac. de Ni Acero inoxidable Aleac. de Mg. Metales Aleac. de Al Aceros Hierros Vidrio Acero estructural Construcción Ladrillo Concreto Petróleo Combustibles Carbón Costo típico de los materiales estructurales
- 13. 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 106 Lentes de contacto Válvula cardíaca Aros de gafas Biomedicos Implante de cadera Cepillo de dientes Precio por kg de producto manufacturado Precioporkgunidaddemasa($/kg) Nave espacial Avión militar Aeroespacial Avión comercial Avioneta Caña de pescar Raqueta de badminton Equipo deportivo Raqueta de tenis Palos de golf Zapatos tenis Skies Laptop Lámpara de escritorio ejecutiva Electrodo mésticos Secador de pelo Aspirador Lavaropas Refrigerador Ferrari Rolls-Royce Automóviles Minivan Sedán Subcompacto Yate de lujo Lancha rápida Marinos Bote Plataforma Hoja de metal Vidrio Envases Plástico Papel Edificio inteligente Casa particular Construcción Bodega Parking Costo típico de los materiales estructurales
- 14. Interacción producto-medio ambiente Incremento en la educación Diseño industrialNuevas tecnologías Reuso al alza Mas largo el ciclo de vida Miniaturización Nuevas funcionalidades Mejora en el reciclaje Crecimiento poblacional Incremento en el nivel de salud Mejora en la calidad de vida Consumo de energía Gran requerimiento de nvos. materiales Consumo de materiales
- 15. Energía consumida en los productos Producción Manufactura Uso Residuo Silla sencilla de madera Bicicleta Automóvil sedán Aspiradora Dyson
- 16. Relación producción-energía 15 Resource consumption and its drivers 2.1 Introduction and synopsis You can’t understand or reach robust conclusions about human influence on the environment without a feel for the quantities involved. This chapter The Bingham Canyon copper mine in Utah, now 1.2km deep and 4km across, and a Caterpiller truck that is part of the excavation equipment. (Images courtesy of Kennecott Utah Copper.) 2.1 Introduction and synopsis 2.2 Resource consumption 2.3 Exponential growth and doubling times 2.4 Reserves, the resource base, and resource life 2.5 Summary and conclusion 2.6 Further reading 2.7 Exercises CONTENTS 15 Resource consumption and its drivers 2.1 Introduction and synopsis You can’t understand or reach robust conclusions about human influence on the environment without a feel for the quantities involved. This chapter The Bingham Canyon copper mine in Utah, now 1.2km deep and 4km across, and a Caterpiller truck that is part of the excavation equipment. (Images courtesy of Kennecott Utah Copper.) 2.1 Introduction and synopsis 2.2 Resource consumption 2.3 Exponential growth and doubling times 2.4 Reserves, the resource base, and resource life 2.5 Summary and conclusion 2.6 Further reading 2.7 Exercises CONTENTS
- 17. Análisis del ciclo de vida (LCA) The materials life cycle CHAPTER CONTENTS 3.1 Introduction and synopsis 3.2 The material life cycle 3.3 Life-cycle assessment: details and difficulties 3.4 Streamlined LCA 3.5 The strategy for eco-selection of materials 3.6 Summary and conclusion 3.7 Further reading 3.8 Appendix: software for LCA 3.9 Exercises 3.1 Introduction and synopsis Material Manufacture Use Disposal Resources Manufactura UsoMaterial Disposición Recursos
- 18. Material production Product manufacture Product use Product disposal Natural resources CO2, NOx, SOx Particulates Toxic waste Low grade heat Emissions Energy Feedstocks Transport FIGURE 3.1 The material life cycle. Ore and feedstock are mined and processed to yield a mate- rial. This material is manufactured into a product that is used, and at the end of its life, it is discarded, recycled, or, less commonly, refurbished and reused. Energy and materials are consumed in each The material lif Recursos Materia prima Transporte Energía Recursos naturales Producción de Materiales Manufactura de productos Uso de los productos Disposición finalCO2 NOx SOx Partículas Basura tóxica Calor Emisiones
- 19. ? greatly in weight and volume. What we need are values per unit of function So let’s start again and do the job properly, listing the design requirement The material must not corrode in mildly acidic (fruit juice) or alkali (milk fluids. It must be easy to shape, and—given the short life of a container— must be recyclable. Table 9.1 lists the requirements, including the objectiv of minimizing embodied energy per unit volume of fluid contained. Glass PE PET Aluminum Steel FIGURE 9.1 Containers for liquids: glass, polyethylene, PET, aluminum, and steel; all can b recycled. Which carries the low penalty of embodied energy? Vidrio PE PET Aluminio Acero Cuál de estos envases implicará menor gasto energético
- 20. lacquers. Embodiedenergy(MJ/kg) 100 Energy/unitvol(MJ/liter) 10 0 200 50 150 0 2 4 6 8 PE PET Steel Glass Aluminum PE PET Steel Glass Aluminum Energy per kg Energy per liter 2 Top: the embodied energy of the bottle materials. Bottom: the material energy per ntained. EEnergy/unitvol(MJ/liter) 10 0 50 0 2 4 6 8 Gla PE PET Steel Glass Aluminum Energy per liter FIGURE 9.2 Top: the embodied energy of the bottle materials. Bottom: the mater liter of fluid contained. Table 9.1 Design requirements for drink containers Function Drink container Constraints Must be immune to corrosion in the drin Must be easy and fast to shape Must be recyclable Objective Minimize embodied energy per unit cap Free variables Choice of material Energía por kg Energía por lt Aluminio Aluminio Vidrio Acero Vidrio Acero Energía/unidaddevolumen(MJ/lt) Gastoenergético(MJ/kg) Tipo de contenedor Botella PET 400 ml Botella PE 1 lt Botella vidrio 750 ml Lata Al 440 ml Lata acero 440 ml Material PET PE HD Vidrio de soda Al serie 5000 Acero plano Masa, gms 25 38 325 20 45 Gasto energético MJ/kg 84 81 15.5 208 32 Energía/litro MJ/lt 5.3 3.8 6.7 9.5 3.3
- 22. ABS allows detailed moldings, accepts color well, and is nontoxic and tough. Ecoproperties: material Annual world production *5.6 ϫ 106 – 5.7 ϫ 106 tonne/yr Reserves *1.48 ϫ 108 – 1.5 ϫ 108 tonne Embodied energy, primary production *91 – 102 MJ/kg CO2 footprint, primary production *3.3 – 3.6 kg/kg Water usage *108 – 324 l/kg Eco-indicator 380 – 420 millipoints/kg Ecoproperties: processing Polymer molding energy *10 – 12 MJ/kg Polymer molding CO2 footprint *0.8 – 0.96 kg/kg Polymer extrusion energy *3.2 – 4.6 MJ/kg Polymer extrusion CO2 footprint *0.31 – 0.37 kg/kg Recycling Embodied energy, recycling *38 – 43 MJ/kg CO2 footprint, recycling *1.39 – 1.5 kg/kg Recycle fraction in current supply 0.5 – 1 % Recycle mark 7 Other Typical uses. Safety helmets; camper tops; automotive instrument panels and other interior components; pipe fittings; home-security devices and hous- ings for small appliances; communications equipment; business machines; plumbing hardware; automobile grilles; wheel covers; mirror housings; refrig- erator liners; luggage shells; tote trays; mower shrouds; boat hulls; large com- ponents for recreational vehicles; weather seals; glass beading; refrigerator breaker strips; conduit; pipe for drain-waste-vent (DWV) systems. The material. Acrylonitrile butadiene styrene, or ABS, is tough, resilient, and easily molded. It is usually opaque, although some grades can now be transparent, and it can be given vivid colors. ABS-PVC alloys are tougher than standard ABS and, in self-extinguishing grades, are used for the cas- ings of power tools. Composition (CH2—CH—C6H4)n General properties Density 1010 – 1210 kg/m3 Price 2.3 – 2.6 USD/kg Mechanical properties Young’s modulus 1.1 – 2.9 GPa Yield strength (elastic limit) 18.5 – 51 MPa Tensile strength 27.6 – 55.2 MPa Elongation 1.5 – 100 % Hardness—Vickers 5.6 – 15.3 HV Fatigue strength at 107 cycles 11 – 22.1 MPa Fracture toughness 1.19 – 4.29 MPa.m1/2 Thermal properties Glass temperature 88 – 128 °C Maximum service temperature 62 – 77 °C Thermal conductor or insulator? Good insulator Thermal conductivity 0.188 – 0.335 W/m.K Specific heat capacity 1390 – 1920 J/kg.K Thermal expansion coefficient 84.6 – 234 µstrain/°C Electrical properties Electrical conductor or insulator? Good insulator Electrical resistivity 3.3 ϫ 1021 – 3 ϫ 1022 µohm.cm Dielectric constant 2.8 – 3.2 Dissipation factor 0.003 – 0.007 Dielectric strength 13.8 – 21.7 106 V/m Recovery Waste, whether melt or used parts, consisting solely of Terlux® can be recovered, i.e. can be fed back to the process as regrind (cf. Repro- cessing, above). Depending on the age and wear of the used parts to be mechanically recycled, certain properties may have changed. It is therefore important to check whether the recycled material is suitable for the intended application. C smetics packa in Vacuum cleaner housing ABS acrilonitrilo-butadieno-estireno Nueva caracterización de materiales
- 23. Population. For most of the history of man the population has been small and rising only very slowly (Figure 1.3), but in the last 70 years of the 20th Concern-driven influences Concern-driven influences Opportunity-driven influences Opportunity-driven influences Approaching energy, water and food crisis Market need Materials and design New or redesigned product Global warming and climate change Diminishing land resources Terrorism and national security The population explosion Increased wealth of nations The digital economy Predicitive modelling, anticipate, not react Economics of carbon-free energy Advancing science and technology MFA 09
- 25. Diseñar materiales? Gracias al desarrollo de la tecnología es posible diseñar nuevos materiales....aunque no se necesita ser químico (ni premio nobel) para esta nueva frontera del diseño.
- 26. Diseñar materiales? Estrategia de diseño a través de nuevos materiales FUTURO TENDENCIAS ESCENARIOS INNOVACIÓN
- 27. Fuentes Adaptación de otros ambientes/usos Creación de nuevos compuestos Nuevas aplicaciones a materiales conocidos Reciclaje de materiales
- 28. Adaptación de otros ambientes/usos
- 29. Creación de nuevos compuestos Eco-c1
- 30. Nuevas aplicaciones a materiales conocidos
- 31. Nuevas aplicaciones a materiales (poco) conocidos Kenaf Guadua
- 35. El Futuro de los Materiales Nanomateriales Inteligentes Biomiméticos
- 36. Nanomateriales Nanotubos de carbón E= 1,3 a 1,8 Tpa Acero alta resistencia = 0.2Tpa
- 37. Materiales inteligentes Cierre craneal fabricado con material con memoria de forma (nitinol, Ni-Ti)
- 40. Materiales inteligentes Pintura absorvente de la radiación electromagnética, contiene microhilos magnéticos
- 41. DEFAULT STYLES BioMateriales Obtención de material biocompatible a partir de la reacción de las proteinas globulares del plasma y un agente entrecruzante
- 45. Sifón PermaFlow ABS+caucho sintético Evita el uso de destapa-caños
- 46. 46 Espuma de Al Alusion© 100% reciclable Puede ser post-formada usando calor Densidades variables
- 47. 47 Extrusión por impacto Proceso desarrollado por Sigg©, 2004 Tolera variaciones de espesores de paredes Producción rápida Bajo costo unitario Bajo costo de herramental
- 48. Renault Design Avantime, 2001 Primer automovil comercial de carrocería de composite
- 50. Zirconia + Alumina Más ligero que el acero 50% más duro que el acero Químicamente inerte La hoja se puede obtener por variedad de procesos
- 51. Drip popsy, Silicone Zone 2006, Silicona
- 52. Black honey, Materialise 2005, Epoxi
- 53. Accoya© Madera especial para exteriores 50 años de vida
- 54. 54 Drivable grass© Fabricado de piezas de concreto de 2 x 2 Flexible, se adapta a la topografía
- 55. 55 Armstrong© Tierra Plafones bio-acústicos Fabricados de plantas cosechadas a los 90 días Sin formaldehídos, diseñadas para reciclarse 100%
- 56. 56 Uruku™ Cosmetic Packaging | Aveda Estée Lauder An unexpected material leads to an award-winning sustainable packaging F based products that are healthy for consumers as well as for the planet. When it developed the Uruku or over thirty years, Aveda has been providing the beauty industry with high performance, botanically Uruku© PP de post-consumo con fibras naturales Textura “terrenal”
- 57. 57 Espuma de Al Naoron © RPF (Recycled PET Fiber), papel con textura de piel, fabricado usando la técnica “ washi-suki”, ya en fase comercial por ONAO, Co.
- 59. 59 Material Other naturals Country of origin United States Product code ONA017 Sensorial Glossiness Glossy Translucence 0 % Structure Open Texture Coarse Hardness Soft Temperature Warm Acoustics Moderate Odeur None Technical Fire resistance None UV Resistance Moderate Weather resistance Moderate Scratch resistance Moderate Weight Light Chemical resistance Poor Renewable Yes No rights can be claimed on the basis of this document. Materia and the manufacturers will not accept any
- 60. 60 ecolect.com
- 61. 61
- 62. A modo de conclusión Aquí no hay conclusión..... Hay una invitación a adentrarse al mundo de los materiales y desarrollar nuevas aplicaciones, o mejor aún nuevos materiales....
- 63. Gracias por su atención