Una mirada atenta a las propiedades de los materiales

Cuando se diseña una pieza, gran parte de su funcionalidad dependerá de factores evidentes, como la forma, tamaño, grosor de pared, ubicación de los puntos de conexión, etc. Menos evidentes, pero igualmente importantes, son las características del material a partir del cual se ha moldeado, mecanizado, impreso en 3D.

El diseño se hace a nivel macro; las propiedades de los materiales normalmente se controlan a nivel molecular. Durante el proceso de diseño, cuanto antes empiece a pensar en los materiales y sus propiedades, más eficaz y económico será el diseño final. Esta sugerencia pretende ayudarle con esa evaluación temprana. Ofrece una visión general de las cuatro categorías generales de propiedades de los materiales (metales y plásticos), explica algunas consideraciones importantes a la hora de seleccionar los materiales para el próximo diseño de la pieza, y añade ciertas cuestiones de diseño que normalmente se pasan por alto.

El filtro de aire de una motocicleta es un buen ejemplo de un componente para el que se deben sopesar diversas propiedades del material, como la resistencia al calor, la solidez y la flexibilidad.

Por qué es importante la elección del material

La elección del material —ya sea metal o plástico— puede ser sencilla, casi fortuita, o compleja y crítica para el rendimiento de la pieza. Por ejemplo, supongamos que desea producir un estuche para un dispositivo diseñado para usarse en interiores. Muchos de los revestimientos plásticos no son especialmente problemáticos desde el punto de vista térmico o eléctrico, no tienen requisitos mecánicos extremos y, por tanto, pueden funcionar en entornos relativamente benignos, como la sala de estar del hogar. La mayoría de estas piezas se pueden hacer de ABS, policarbonato (PC) o una mezcla de ABS/PC.

Por otro lado, pensemos en el alojamiento del filtro de aire de una motocicleta. Habrá que abrirlo y cerrarlo periódicamente para cambiar el filtro. Como parte de esa función puede emplear una bisagra flexible o una abrazadera de resorte integrada. Deberá tolerar el choque de los residuos arrastrados por el viento, el calor del motor, la radiación UV del sol, la humedad de varias fuentes, y la exposición química tanto del combustible como de los productos químicos de limpieza. Para encontrar el material adecuado probablemente se deberá investigar y realizar varios prototipos.

Los componentes de un smartphone podrían resultar aún más problemáticos. Sus funciones podrían ser la disipación y protección contra el calor, aislamiento eléctrico, paso selectivo y bloqueo de señales inalámbricas; y para la carcasa, protección contra caídas repetidas. Cada componente de este complicado diseño tiene requisitos muy específicos y estos, a su vez, requieren propiedades de material específicas. Por este motivo, es importante elegir el material adecuado.

La elección del material adecuado pasa por comprender perfectamente las funciones del dispositivo o conjunto completo. A continuación, se deben determinar las funciones de la pieza concreta en la operación global. Donde haya múltiples consideraciones, habrá que priorizar y separar las características obligadas de las deseables. Por ejemplo, un acabado liso atractivo que es «obligatorio» en un dispositivo de mano podría resultar secundario cuando se necesite la resistencia de un material reforzado con fibra de vidrio. La lista de posibles consideraciones es larga, pero normalmente se clasifican en cuatro categorías: propiedades mecánicas, físicas, térmicas y eléctricas.

Consideraciones sobre las propiedades de los materiales

Mecánicas
Las propiedades mecánicas son las que exhibe el material al aplicarse varias fuerzas. Entre otras, cabe destacar la resistencia a la tensión y a la compresión, la flexibilidad y la dureza.

Para plásticos. Las propiedades mecánicas de los plásticos varían enormemente, desde la flexibilidad del polipropileno para una bisagra flexible hasta la rigidez del nailon reforzado con fibra de vidrio.

Para metales. Por el contrario, todos los metales son relativamente rígidos. Varios tipos de acero son más rígidos, por ejemplo, que el aluminio.

Físicas
Las propiedades físicas son las características cosméticas de un material y su respuesta a las sustancias químicas o a la radiación. Entre ellas se encuentran la densidad y la resistencia a la corrosión química y a la descomposición por rayos UV. También pueden referirse a aspectos decorativos, como el color y la textura de la superficie.

Para plásticos. Las propiedades físicas de los plásticos son muy variables. Los uretanos, por ejemplo, pueden ser una mala elección para entornos húmedos, mientras que los plásticos impresos en 3D producidos por estereolitografía se vuelven quebradizos cuando se exponen a la luz ultravioleta.

Para metales. Igualmente, los metales varían en función de su tolerancia a la exposición química. Entre los metales, el acero inoxidable será una opción obvia para muchos entornos potencialmente corrosivos, pero se quedará corto en otras áreas como la transferencia de calor.

Térmicas
Las propiedades térmicas son las que determinan la respuesta de un material a la temperatura. ¿Es probable que se debilite o deforme por la exposición al calor o que se vuelva quebradizo por la exposición al frío? ¿Es buen conductor del calor o lo aísla? Las temperaturas que afectan a la pieza pueden ser ambientales o bien generadas por el conjunto en el que opera la pieza.

Para plásticos. La respuesta térmica puede ser un factor determinante en la elección de los plásticos. Aunque la silicona es ideal para los utensilios de cocina, muchos plásticos pueden dañarse por el calor de un coche cerrado en un día de verano.

Para metales. Aunque los metales toleran normalmente temperaturas más altas que muchos plásticos, una «superaleación» de cromo-níquel como el Inconel puede tolerar temperaturas de hasta 700 °C, lo que la hace adecuada para piezas de motores de cohetes. En aplicaciones menos exigentes, el aluminio puede ser el material idóneo para un disipador de calor, mientras que el acero inoxidable no lo sería.

Eléctricas
Las propiedades eléctricas se refieren a características como la conductividad, la resistencia y la inductancia.

Para plásticos. Las propiedades eléctricas de los plásticos son muy variables. Puede ser un factor clave en dispositivos pequeños como los smartphones, en los que la corriente y la señal deben aislarse para evitar la distorsión, o en dispositivos médicos en los que se utilizan fuertes corrientes o campos magnéticos para diagnósticos y tratamientos.

Para metales. De manera similar, la conductividad varía mucho según el metal. El cobre es normalmente nuestra primera opción por su conductividad, pero el aluminio ofrece una buena conductividad y además reduce los costes y mejora la resistencia a la corrosión si la conductividad no es fundamental.

Consideraciones sobre materiales que normalmente se pasan por alto

Muchos diseñadores utilizan ciertos materiales de manera habitual a no ser que los inconvenientes sean claros. Esto está bien si el material cumple la función y el precio es correcto, pero en algunos casos significa renunciar a ventajas de las que se podría beneficiar con un poco de investigación. O podría encontrarse con problemas en el prototipo que se podrían haber detectado en una búsqueda de propiedades, y que acaban ralentizando el proceso de desarrollo. O tal vez podría satisfacer las necesidades a un precio más bajo y lograr un gran ahorro en tiradas de producción grandes. He aquí algunos ejemplos:

• Tal vez piense que el calor o los rayos UV son irrelevantes en un producto diseñado para usarse en interiores. Pero ¿qué pasa si se deja al sol o en un coche cerrado?
• ¿Ha previsto todas las formas de exposición química? La letra pequeña quizá advierta de ciertos productos químicos, pero un material más resistente puede evitar que el usuario esté descontento.
• ¿Ha sopesado todas las situaciones que podrían darse sobre el terreno? Un componente de un automóvil puede estar protegido de los rayos UV bajo el capó, pero tiene que lidiar con el calor acumulado, mientras que una pieza similar de una motocicleta tendría que enfrentarse exactamente a las condiciones opuestas.
• ¿Cómo envejecerá el componente? ¿Es desechable? ¿Reemplazable? ¿Permanente?
• ¿Es la densidad un factor importante? Es posible que algunas piezas móviles se beneficien de la ligereza, mientras que otras necesiten peso para funcionar correctamente.
• El tamaño y la resistencia pueden ser intercambiables. Una pieza más delgada hecha de un material más resistente puede ahorrar espacio.
• El uso de menos material podría compensar el mayor coste por unidad de volumen.
• El acabado no es solo un problema estético. Factores como la textura pueden ser esenciales para la ergonomía.
• El material adecuado resuelve problemas de diseño. Por ejemplo, las abrazaderas de resorte integradas o las bisagras flexibles podrían evitar la necesidad de conectores.
• El calor puede ser un problema en muchos productos. Un disipador de calor bien diseñado y hecho del metal o plástico adecuado puede alejar el calor de las áreas sensibles.

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