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, julio de 2019
Departamento de Ingeniería Mecánica
Título: Introducción del método de selección de materiales
de Michael Ashby en el currículo del Ingeniero Mecánico.
Autor: Victor Orlando Machin Posada
Tutores: Dr. Ing. Kirenia Abreu González
Ing. Romell Hurtado Hernández
, July, 2019
Mechanical Engineering Academic Departament
Title: Introduction of the material selection method of
Michael Ashby in the Mechanical Engineer's curriculum.
Author: Victor Orlando Machin Posada
Thesis Director: Dr. Ing. Kirenia Abreu González
Ing. Romell Hurtado Hernández
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez
Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios.
Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:
Atribución- No Comercial- Compartir Igual
Para cualquier información contacte con:
Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830
Teléfonos.: +53 01 42281503-1419
Resumen
En este trabajo de diploma se analizaron los métodos de selección de materiales
más utilizados en la actualidad. Se enfatizó en el método gráfico, basado en la
metodología de selección de materiales propuesta por el investigador Dr. Michael
Ashby. Se realizó un estudio acerca de la utilización del software CES EduPack
como herramienta de apoyo para la selección de materiales. Se enunciaron las
características pedagógicas y educativas del software CES EduPack como
referente para la selección de materiales y la necesidad de incluirlo en el currículo
básico del Ingeniero Mecánico. Se realizó la preselección de materiales para dos
casos prácticos demostrando la importancia de este método de selección.
Abstract
In this diploma work the methods of selection of materials most used today were
analyzed. Emphasis was placed on the graphic method, based on the material
selection methodology proposed by the researcher Dr. Michael Ashby. A study was
made about the use of the CES EduPack software as a support tool for the selection
of materials. The pedagogical and educational characteristics of the CES EduPack
software were stated as a reference for the selection of materials and the need to
include it in the basic curriculum of the Mechanical Engineer. The preselection of
materials for two practical cases was carried out demonstrating the importance of
this selection method.
Dedicatoria
Con todo el amor del mundo
A mi familia, en especial a mi mamá Leydi Posada Pérez, a mi papá Victor Machin
Cabrera, a mi hermano Gilberto Machin Posada y a mi abuela Antonia Pérez
Rodríguez por estar presentes en todos buenos y malos momentos, por apoyarme
y guiarme con sus consejos, por todas las enseñanzas que me han brindado durante
toda mi vida.
Agradecimientos
A mis tutores la Dr. Kirenia Abreu González y al Ing. Romell Hurtado Hernández por
su ayuda incondicional, por el tiempo, la dedicación, y la disponibilidad en cada
momento de la asesoría.
A mis amigos Rafael Daniel Martínez Boza, Jorge Rodríguez Vega, Victor Manuel
Luis Samper y Elena Rodríguez Hernández, ya que cada uno de ellos fue partícipe
de este proyecto, en la medida que compartieron conmigo cada etapa y me
entregaron siempre su compañía y solidaridad para generarme confianza y
motivación. Estos momentos que compartimos juntos nunca los olvidaré. Gracias
por todo.
Índice
Introducción General ............................................................................................... 1
Planteamiento del problema .................................................................................... 2
Hipótesis.................................................................................................................. 2
Justificación ............................................................................................................. 2
Objetivo General ..................................................................................................... 2
Objetivos específicos .............................................................................................. 2
Capítulo 1 Estado del arte del diseño y selección de materiales mediante el
método Ashby y el software CES EduPack ............................................................. 4
1.1 Introducción Parcial ........................................................................................... 4
1.2 Métodos de selección ........................................................................................ 4
1.3 Metodología de selección de materiales de Michael Ashby .............................. 6
1.4 Utilización del CES EduPack ........................................................................... 12
1.5 Niveles que dispone el CES EduPack ............................................................. 12
1.6 Materiales del CES EduPack .......................................................................... 13
1.7 CES EduPack como software pedagógico ...................................................... 15
1.7.1 Acciones que se pueden lograr con CES EduPack ...................................... 16
Conclusiones Parciales ......................................................................................... 18
Capítulo 2: Primer caso de estudio. Selección de materiales para tubetes
agrícolas. ............................................................................................................... 19
2.1 Introducción Parcial ......................................................................................... 19
2.2 ¿Qué son los tubetes y las bandejas porta-tubetes? ...................................... 19
2.3 Principales características, ventajas y cualidades del conjunto bandeja-tubete
.............................................................................................................................. 21
2.4 Selección de algunos modelos de tubetes y sus bandejas para la selección de
materiales a través del software CES EduPack. ................................................... 23
2.5 Aplicación de la metodología para la selección de materiales de los tubetes
tipo C-140 y T 375. ................................................................................................ 26
Conclusiones Parciales ......................................................................................... 29
Capítulo 3: Segundo caso de estudio. Selección de materiales para anclajes de
sutura. ................................................................................................................... 30
3.1 Introducción ..................................................................................................... 30
3.2 Aplicaciones de la Bioingeniería ...................................................................... 31
3.3 Funciones del anclaje de sutura ...................................................................... 31
3.4 ¿Cómo abordar el problema? .......................................................................... 32
3.5 Aplicación de la metodología para la selección de materiales de los anclajes
para sutura. ........................................................................................................... 33
Conclusiones Parciales ......................................................................................... 37
Conclusiones Generales ....................................................................................... 38
Recomendaciones ................................................................................................. 40
Bibliografía ............................................................................................................ 41
Anexos .................................................................................................................. 43
Índice de Figuras
Figura 1. 1 Ranqueo inicial de todos los materiales. Módulo de Young (GPa) vs.
Densidad (kg/m^3). ................................................................................................. 8
Figura 1. 2 Interacción entre los requerimientos del diseño, el material, la forma y
los procesos. ........................................................................................................... 9
Figura 1. 3 Estrategia para la selección de materiales de Michael Ashby. ............ 11
Figura 1. 4 Representación de las familias de todos los materiales. Módulo de
Young (GPa) vs. Densidad (kg/m^3). .................................................................... 15
Figura 2. 1 Tubetes para producción de plantas forestales. .................................. 20
Figura 2. 2 Bandejas cuadradas de distintos números de cavidades. ................... 20
Figura 2. 3 Tubete C-140 y bandeja PL 108.......................................................... 23
Figura 2. 4 Tubete T 375 y bandeja PL 4. ............................................................. 24
Figura 3. 1 Anclaje de sutura desarrollado a partir del material PEEK. ................. 32
Figura A 1 Selección de la familia de los materiales para los tubetes. Young's
modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3). .................................................................... 43
Figura A 2 Selección de la familia de los materiales para los tubetes. Yield strength
(elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3). ............................................................. 43
Figura A 3 Selección de la familia de los materiales para los tubetes. Yield strength
(elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa). .................................................. 44
Figura A 4 Primer ranqueo de los materiales para los tubetes. Young's modulus
(GPa) vs. Density (kg/m^3). .................................................................................. 44
Figura A 5 Primer ranqueo de los materiales para los tubetes. Yield strength
(elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3). ............................................................. 45
Figura A 6 Primer ranqueo de los materiales para los tubetes. Yield strength
(elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa). .................................................. 45
Figura A 7 Segundo ranqueo de los materiales para los tubetes. Young's modulus
(GPa) vs. Density (kg/m^3). .................................................................................. 46
Figura A 8 Segundo ranqueo de los materiales para los tubetes. Yield strength
(elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3). ............................................................. 46
Figura A 9 Segundo ranqueo de los materiales para los tubetes. Yield strength
(elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa). .................................................. 47
Figura A 10 Tercer ranqueo de los materiales para los tubetes. Young's modulus
(GPa) vs. Density (kg/m^3). .................................................................................. 47
Figura A 11 Tercer ranqueo de los materiales para los tubetes. Yield strength
(elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3). ............................................................. 48
Figura A 12 Tercer ranqueo de los materiales para los tubetes. Yield strength
(elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa). .................................................. 48
Figura B 1 Selección de la familia de los materiales para los anclajes de suturas.
Young's modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3). ...................................................... 49
Figura B 2 Selección de la familia de los materiales para los anclajes de suturas.
Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3). ....................................... 49
Figura B 3 Selección de la familia de los materiales para los anclajes de suturas.
Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa). ........................... 50
Figura B 4 Primer ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Young's
modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3). .................................................................... 50
Figura B 5 Primer ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield
strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3)................................................. 51
Figura B 6 Primer ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield
strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa). .................................... 51
Figura B 7 Segundo ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas.
Young's modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3). ...................................................... 52
Figura B 8 Segundo ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield
strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3)................................................. 52
Figura B 9 Segundo ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield
strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa). .................................... 53
Figura B 10 Tercer ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas.
Young's modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3). ...................................................... 53
Figura B 11 Tercer ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield
strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3)................................................. 54
Figura B 12 Tercer ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield
strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa). .................................... 54
Figura B 13 Cuarto ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas.
Young's modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3). ...................................................... 55
Figura B 14 Cuarto ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield
strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3)................................................. 55
Figura B 15 Cuarto ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield
strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa). .................................... 56
Figura C 1 Diversidad de sistemas de bandeja – tubete, según la aplicación. ...... 56
Figura C 2 Plano de pieza del Tubete C-140. ....................................................... 57
Figura C 3 Plano de pieza del Tubete T-375. ........................................................ 58
Figura C 4 Anclajes para sutura de diferentes materiales. .................................... 59
Figura C 5 Aplicación de los aclajes para suturas. ................................................ 59
Índice de Tablas
Tabla 2. 1 Característica del tubete C-140. ........................................................... 23
Tabla 2. 2 Característica de la bandeja PL 108. .................................................... 24
Tabla 2. 3 Característica del tubete T 375. ........................................................... 25
Tabla 2. 4 Característica de la bandeja PL 4......................................................... 25
Tabla 2. 5 Comparación entre los materiales seleccionados. ............................... 28
Tabla 3. 1 Comparación entre los materiales seleccionados. ............................... 36
1
Introducción General
La mayoría de los avances tecnológicos logrados en la sociedad moderna, se han
apoyado en el descubrimiento y desarrollo de materiales de ingeniería y proceso de
fabricación. Mediante el método tradicional de diseño y selección de materiales, el
ingeniero o diseñador escoge el material que cree más adecuado, con base en la
experiencia de partes que tienen un funcionamiento similar y que han mostrado buenos
resultados, apoyándose en las recomendaciones realizadas en diferentes
investigaciones o los criterios más utilizados en la actualidad. Este método es también
conocido como materiales de ingeniería de partes similares. El método mantiene
buena aceptación debido a que existe seguridad con los materiales utilizados en el
mismo campo y las características del material empleado ya han sido estudiadas y
ensayadas previamente.
Desde el punto de vista práctico, la posibilidad de usar varios métodos y poderlos
confrontar, garantiza una mayor eficiencia en la selección correcta del material para
un fin específico. La mayoría de los métodos parten de la disponibilidad de una amplia
gama de materiales, los cuales se deben analizar y refinar, ya sea con ayuda de:
recomendaciones (métodos tradicionales), mapas de materiales (método gráfico) o
información escrita que se encuentran en fuentes bibliográficas o en forma de software
con bases de datos virtuales. En general, el refinamiento se hace de acuerdo con las
propiedades exigidas por el componente a diseñar y sustentado con criterios como:
disponibilidad, facilidad de obtención, vida de servicio, factores ambientales, entre
otros. De esta forma, se llega a la selección de un único tipo de material, el cual debe
resultar el más apropiado para el fin pretendido (Shaefer et al., 2000).
El método de selección de materiales Ashby fue desarrollado por Michael.F. Ashby en
1992 y radica principalmente en la optimización del proceso de diseño, basándose en
la selección más apropiada del material para la aplicación establecida.
2
Planteamiento del problema
En el currículo básico del Ingeniero Mecánico, en Cuba, no se tiene en cuenta la
enseñanza del método gráfico de Michael Ashby para la selección de materiales para
el diseño. Por lo que se hace necesario un análisis de la importancia de su inclusión
en el plan de estudio.
Hipótesis
Es favorable la inclusión del estudio del método de selección de materiales de Michael
Ashby y la utilización del CES EduPack en el currículo básico del Ingeniero Mecánico
en Cuba, donde no se tiene en cuenta la enseñanza del método gráfico con ayuda de
softwares para la solución de casos prácticos de la industria.
Justificación
Una solución viable sería la inclusión de una asignatura electiva con el objetivo
principal de introducir en el plan de estudio el método gráfico de Michael Ashby y la
utilización del CES EduPack como herramienta principal. Observando finalmente la
aceptación de los estudiantes y los logros alcanzados durante un período de prueba.
Objetivo General
• Realizar un análisis de la importancia de la inclusión del método de selección
de materiales desarrollado por Dr. Michael Ashby en el currículo básico del
ingeniero mecánico.
Objetivos específicos
• Realizar un análisis de los métodos de selección de materiales más utilizados.
• Profundizar en el estudio de la metodología de selección de materiales
desarrollada por el Dr. Michael Ashby.
• Realizar un estudio acerca de la utilización del software CES EduPack como
herramienta de apoyo, basado en la metodología de selección de materiales de
Michael Ashby.
3
• Determinar los beneficios, acciones y recursos que se obtienen mediante la
utilización del CES EduPack como software pedagógico y líder educativo para
la selección de materiales, que permitan demostrar la importancia de la
inclusión del método de selección de materiales desarrollado por Michael Ashby
en el currículo básico del Ingeniero Mecánico.
• Realizar la selección de materiales por el método Ashby para dos casos
prácticos de la industria.
4
Capítulo 1 Estado del arte del diseño y selección de materiales
mediante el método Ashby y el software CES EduPack
1.1 Introducción Parcial
Es de vital importancia la realización de una correcta selección de materiales por el
ingeniero o diseñador para un fin específico y para ello existen diferentes métodos. La
adecuada selección de materiales y procesos, garantiza a los diseñadores de partes
mecánicas el correcto funcionamiento de los componentes diseñados. Con el
desarrollo constante de la informatización mundial, se han incorporado nuevos
métodos de diseño y selección de materiales a través de softwares computarizados.
Estos nuevos métodos constan de una base de datos de materiales de los cuales, a
partir de las propiedades determinadas por el ingeniero y algunas restricciones
establecidas, permite realizar una aproximación del material más adecuado.
1.2 Métodos de selección
Actualmente las investigaciones y proyectos en todo el mundo se desarrollan en base
a los tres métodos principales de selección de materiales, donde se referencian las
propiedades más importantes de los materiales en estudio, pero de formas diferentes.
Dichos métodos son:
Método Tradicional
Con este método, el ingeniero o diseñador escoge el material que cree más adecuado,
con base en la experiencia de partes que tienen un funcionamiento similar y que han
mostrado buenos resultados. Este método es también conocido como Materiales de
ingeniería de partes similares. El método mantiene buena aceptación debido a lo
siguiente:
• El ingeniero se siente seguro con un material usado en el mismo campo y
ensayado.
• Las características del material empleado, por ejemplo, acero ya han sido
estudiadas previamente y por lo tanto no es necesario realizar estudios previos
a la selección.
5
• El suministro del material esté asegurado.
• Generalmente en un gran porcentaje de partes se usan aceros baratos, sin
tratamiento térmico, evitando pérdida de tiempo en ensayos y procesos.
• Ahorro considerable de tiempo.
• Contribuye a la estandarización del stock de materiales.
Sin embargo, el uso de este método, en ocasiones conduce a serios problemas, ya
que no se hace un estudio real del ambiente de trabajo del componente o equipo, el
cual puede ser decisivo a la hora de escoger el material (Kern, 1979).
Método gráfico
Este método se apoya en gráficas conocidas como Mapas de Materiales, en las que
se relacionan por pares ciertas propiedades de los materiales. El método fue diseñado
exclusivamente para ser utilizado durante la etapa conceptual de la selección de
materiales. En estos mapas se puede hacer una aproximación del material más
adecuado (perteneciente a una determinada familia de materiales), con base en la
relación de las propiedades más importantes que debe poseer el componente. Como
es de esperar, rara vez el comportamiento de un componente depende sólo de una
propiedad. De igual manera, los mapas de materiales, también denominados
diagramas de Ashby, muestran que las propiedades de las diferentes clases de
materiales pueden variar en amplios intervalos (dependiendo del estado de estos),
formando grupos que se ubican en áreas cerradas, zonas o campos en tales
diagramas. Eso significa, que una misma familia de materiales puede tener una
apreciable variación en sus propiedades, generando un campo o zona en los mapas.
En estos mapas se relacionan entre otras, propiedades como, la resistencia mecánica,
módulo de elasticidad, densidad, tenacidad, conductividad térmica, etc. (Ashby, 1992).
6
El proceso consta de tres etapas:
• Definición de requerimientos para la aplicación considerada.
• Cálculo del índice o índices de material para la aplicación.
• Selección del material usando el índice de material y los mapas de selección de
materiales.
Método con la ayuda de la base de datos
En internet existe una amplia gama de bases de datos sobre materiales (Materials
Data 2017), que han sido construidas para comercialización libre o son distribuidas por
vendedores de materiales. Estas bases de datos son el resultado de investigaciones
en ensayos de materiales (Brechet, sf). Las bases de datos se dividen básicamente en
dos categorías, numéricas y literarias o de referencias bibliográficas. Dentro de las
más importantes bases de datos están el banco de datos de la ASTM, la SAE, la ASM,
la AISI, la NASA, etc. Una base de datos pública que ha adquirido gran importancia
por la cantidad de datos y variedad de materiales que maneja, puede ser consultada
en la página web. www.matweb.com. La selección de materiales con ayuda de estas
bases de datos, parte del conocimiento de las principales propiedades que se deben
tener en cuenta para un fin específico. El programa pide entonces el valor aproximado
de las propiedades que debe tener el componente y lista uno o varios materiales que
pueden servir. Son varias las fuentes donde se compilan bases de datos. También se
dispone de software específico en el mercado para la selección de materiales, CES
EduPack es uno de los más conocidos y empleados en el mundo del diseño e
ingeniería. La selección de materiales con ayuda de estas bases de datos, parte del
conocimiento de las principales propiedades que el material debe tener para un fin
específico.
1.3 Metodología de selección de materiales de Michael Ashby
La sistemática planteada se basa en la metodología desarrollada principalmente por
el Dr. Michael Ashby, de la Universidad de Cambridge, así como en el uso del software
CES de Información de materiales y procesos el cual provee un entorno basado en la
asistencia computacional para la optimización de la selección de materiales. El diseño
7
empieza por la necesidad del mercado. La necesidad es analizada, y se expresa como
conjunto de requerimientos de diseño. La selección de los materiales y los procesos
evolucionan en paralelo. La selección del material no puede ser separada del proceso
según Ashby et al., 2007. La selección de un material para construir una parte de una
máquina o elemento estructural es una de las decisiones más importantes del
diseñador, incluso esto ocurre antes de dimensionar las partes. Existen diferentes
enfoques sistemáticos y de optimización para seleccionar el material. El desarrollo de
nuevos materiales vuelve aún más demandante la selección de los apropiados. Una
visión global del comportamiento relativo a las diversas clases de materiales de
ingeniería ha sido dada por Michael Ashby mediante los mapas de materiales, que
representan una pareja de propiedades para tantos materiales como se desee incluir
en la gráfica. El método gráfico se apoya en estos mapas de materiales y fue diseñado
exclusivamente para ser utilizado durante la etapa conceptual de la selección de
materiales. En dichos mapas se puede hacer una aproximación del material más
adecuado con base en la relación de las propiedades más importantes que debe
poseer el componente, ya que rara vez el comportamiento de este depende de una
propiedad solamente (Shackelford, 2010).
Claramente, las distintas categorías de materiales se agrupan entre sí formando
grupos que se ubican en áreas cerradas, zonas o campos. Esto dice que una misma
familia de materiales puede tener una apreciable variación en sus propiedades. En la
Figura 1.1, cada elemento con un color sólido representa una clase de material y las
zonas con colores transparentes, que engloban dos o más elementos de colores
sólidos, representan una familia de materiales (Cabrera, 2016).
8
Figura 1. 1 Ranqueo inicial de todos los materiales. Módulo de Young (GPa) vs. Densidad
(kg/m^3).
El uso de los mapas de Ashby para la selección de los materiales sigue una filosofía
de diseño de cuatros pasos según lo planteado por (Shackelford, 2010):
• Expresar los requisitos del diseño como una especificación del material.
• Eliminar los materiales que no satisfacen las especificaciones.
• Ordenar los materiales candidatos por su capacidad para resolver los objetivos
del diseño (usando parámetros apropiados).
• Buscar información adicional para los candidatos prometedores.
El diseño empieza por la necesidad del mercado. La necesidad es analizada y se
expresa como conjunto de requerimientos de diseño. La selección de los materiales y
los procesos evolucionan en paralelo. La selección del material no puede ser separada
del proceso y de su forma como se muestra en la Figura 1.2 según (Ashby et al., 2007).
9
Figura 1. 2 Interacción entre los requerimientos del diseño, el material, la forma y los
procesos.
10
Para hacer una forma, el material se somete a un proceso que colectivamente se le
llama manufactura. Con estos antecedentes se puede desarrollar una estrategia de
selección. Dicha estrategia involucra cuatro pasos: traducción, filtrado, ranqueo y
documentación, ver Figura 1.3. La selección involucra buscar el material que mejor
responda a los atributos requeridos por el diseño, al perfil del material y al perfil de
procesos (Ashby, 2011).
• La salida del paso de la traducción es un inventario de propiedades limitantes
del diseño y restricciones con las que debe cumplir. Cualquier componente tiene
una o más funciones que debe lograr teniendo en cuenta ciertas limitaciones.
También, el diseñador se plantea uno o más objetivos que se pueden optimizar
con las variables libres.
• El filtrado elimina todos los candidatos que no pueden hacer el trabajo porque
uno o más de sus atributos está fuera de los límites establecidos en las
limitaciones.
• En el paso del ranqueo se necesita un criterio de excelencia para encontrar los
materiales que mejor desempeñen la función requerida. Para esto, Ashby
desarrolló los índices de material teniendo en cuenta que el rendimiento o
desempeño a veces está limitado por una propiedad y a veces por una
combinación de propiedades (Ashby, 2011).
• La documentación típicamente suele ser descriptiva, gráfica o pictórica: detalles
del comportamiento de su corrosión en un ambiente en particular, su
disponibilidad y costo, advertencias de sus impactos medioambientales o
toxicidad, o sensibilidad de algunas de sus propiedades a la forma en que se
procesa, etc. La documentación permite cerrar la selección final, permitiendo
llegar a un material que armonice entre los requerimientos del diseño y los
atributos del material y del proceso (Ashby et al., 2007).
El método tradicional de selección de materiales es poco confiable y depende mucho
de la experiencia del ingeniero o diseñador. Los gráficos permiten comparar diferentes
materiales y sus propiedades, pero la cantidad de materiales y propiedades que
podemos representar es limitada. Por ello, el método grafico solo sería práctico en
11
aquellos casos donde tenemos pocas restricciones según (Ashby, 2011). Cuando
existen varias restricciones puede ser incomodo tener que verificar que cada material
cumpla con cada una de ellas. Todos estos problemas se solucionan al integrar la
metodología mediante un software de selección asistida por computador, como el
Granta CES EduPack de selección de materiales y procesos.
Aunque la metodología planteada por el profesor Michael Ashby, Figura1.3, utilizando
el software Granta CES EduPack permite conocer algunos aspectos eco amigables y
medioambientales tanto de los materiales como de los procesos, las directrices se
enfocan más en la disminución del consumo de los materiales y su uso eficiente.
Figura 1. 3 Estrategia para la selección de materiales de Michael Ashby.
12
1.4 Utilización del CES EduPack
CES EduPack es una completa herramienta de apoyo al aprendizaje de la Ciencia de
los Materiales en una gran cantidad de ámbitos como ingeniería, ciencias, procesos y
diseños. Es un software de selección de materiales con el cual se puede encontrar, en
su amplia base de datos, aquel material o proceso que se adapta mejor a las
exigencias y condiciones de trabajo determinadas por el usuario. En su base de datos
podemos encontrar hasta más de 3500 materiales diferentes, más de 230 procesos,
todo tipo de datos técnicos, notas científicas, información completa e ilustrativa de
todos estos materiales y procesos (Granta, 2013).
El entorno de trabajo de dicho software se basa en la metodología de selección de
materiales, desarrollada principalmente por el profesor Dr. Michael Ashby, de la
Universidad de Cambridge, que sigue una filosofía de diseño de cuatros pasos y
desarrolla una estrategia de selección que involucra cuatro etapas de
perfeccionamiento (traducción, filtrado, ranqueo y documentación).
Más de 1000 universidades de todo el mundo utilizan este programa, catalogado como
una herramienta con un gran potencial. Aunque no solo universidades lo utilizan, gran
cantidad de empresas y entidades mundialmente conocidas, también se han hecho
con sus servicios, algunas de ellas tan importantes como: Ferrari, Renault F1, Intel,
NASA, etc.
1.5 Niveles que dispone el CES EduPack
El software dispone de tres niveles de contenido, que se diferencian en cuanto a
cantidad de materiales y procesos. Dichos niveles son el nivel 1 o de iniciación, el nivel
2 o intermedio y el nivel 3 o avanzado.
Nivel 1 (iniciación): En este nivel se pueden encontrar 60 materiales diferentes, los
más utilizados entre las distintas familias: metales y aleaciones, cerámicas (técnicas y
no técnicas), polímeros, elastómeros, espumas, compuestos, vidrios y materiales
naturales. Dispone de 70 procesos diferentes, los más utilizados entre: conformado,
tratamiento superficial y unión.
13
En cuanto al contenido de este nivel, se puede encontrar una descripción detallada del
material o proceso, una imagen, un producto familiar, usos típicos y datos técnicos
básicos para propiedades generales, mecánicas, térmicas, eléctricas, etc.
Nivel 2 (intermedio): En este nivel se pueden encontrar 90 materiales diferentes, los
más utilizados, además otros no tan comunes entre las mismas familias que en el nivel
anterior. Se dispone de 100 procesos diferentes entre conformado, tratamiento
superficial y unión.
El contenido en este nivel es más completo que el nivel anterior: se puede encontrar
la misma información que en el nivel 1, pero complementada con más datos
numéricos, más propiedades, pautas de diseño y notas técnicas.
Nivel 3 (avanzado): Se trata del nivel más complejo de todos, incluye más de 3500
materiales y 230 procesos diferentes, que son utilizados en campos como la
aeronáutica, arquitectura, ingeniería civil, mecánica y biomecánica, proyectos de
diseño ecológico y de sustentabilidad.
Este nivel dispone del contenido más amplio y detallado entre los tres niveles
anteriores, se puede acceder a todo tipo de propiedades y datos técnicos (Ramírez,
2012).
1.6 Materiales del CES EduPack
La base de datos de nivel 3 (avanzado), es el nivel más amplio y complejo del software
CES EduPack, como se comentó anteriormente. En dicho nivel, cada material posee
una ficha técnica, la cual tiene más de 15 de sus principales propiedades, dentro de
las cuales están:
14
• Densidad
• Precio
• Módulo de Young
• Limite elástico
• Resistencia a tracción
• Elongación
• Dureza
• Resistencia a la fatiga
• Tenacidad a fractura
• Punto de fusión
• Conductor térmico o aislante
• Conductividad térmica
• Calor específico
• Coeficiente de expansión
térmica
• Conductor eléctrico o aislante
• Nivel de transparencia
• Contenido en energía
• Huella de CO2
• Reciclaje
Los materiales se encuentran reunidos dentro de 11 grandes familias de materiales,
las cuales se muestran en la Figura 1.4:
• “Foams” – espumas
• “Naturals materials” – materiales naturales
• “Composites” – compuestos
• “Plastics” – plásticos
• “Fibeers and particulates” – fibras y partículas
• “Technical ceramics” – cerámicas técnicas
• “Glasses” – vidrios
• “Metals and alloys” – metales y aleaciones
• “Elastomers” – elastómeros
• “Non - technical ceramics” – cerámicas no técnicas
• “Honeycombs” – panales
15
Figura 1. 4 Representación de las familias de todos los materiales. Módulo de Young (GPa)
vs. Densidad (kg/m^3).
Los procesos contienen un tutorial donde se incluye una breve descripción del mismo,
un esquema del proceso, la función de tratamiento, atributos físicos y económicos,
características del proceso y su correspondiente información de apoyo.
1.7 CES EduPack como software pedagógico
“CES EduPack ha contribuido a mejorar la formación de nuestros alumnos y ha
permitido a muchos profesores introducir mejoras en la docencia de sus asignaturas,
creando nuevas propuestas de Innovación Educativa”. Frase expresada por el profesor
José Ygnacio Pastor, de la Universidad Politécnica de Madrid, España.
CES EduPack es considerado un recurso didáctico para la selección de materiales y
es el líder educativo sobre la selección de materiales para ciencias, ingeniería,
fabricación y diseño. Surgido del trabajo del Profesor Michael Ashby y colaboradores
en la Universidad de Cambridge, CES EduPack ha sido posteriormente desarrollado
por “Granta Design” en colaboración con Michael Ashby y una creciente comunidad de
educadores de más de 1000 universidades de todo el mundo. CES facilita y otorga
beneficios claves tales como: (Pastor, sf)
16
• Inspira e involucra a los estudiantes a través de todo el plan de estudios de las
ramas de la ingeniería.
• Refuerza y mejora la enseñanza de materiales desde diversos enfoques
educativos
• Da acceso rápido a datos fiables sobre materiales
• Promueve el aprendizaje interdisciplinar y el trabajo por proyectos en todos los
niveles y disciplinas
1.7.1 Acciones que se pueden lograr con CES EduPack
Con la introducción de la utilización del CES EduPack en el currículo del Ingeniero
Mecánico es posible:
• Involucrar a los estudiantes en el estudio de los materiales a través de un
software interactivo y visual, así como otros recursos que demuestran la
importancia de los materiales y sus procesos de fabricación.
• Reforzar el trabajo por proyectos y preparar a los estudiantes para la industria
con datos, herramientas y casos avanzados de la práctica.
• Estimular el autoaprendizaje de los estudiantes a través del acceso a tutoriales,
textos científicos y a la interface del software en sus propios ordenadores.
• Utilizar recursos docentes adaptables y de fácil uso, permitiendo enriquecer los
cursos actuales y diseñar nuevos cursos desde distintos enfoques.
• Desarrollar la comprensión de los estudiantes sobre la interdisciplinariedad de
temas como el desarrollo sostenible, con la ayuda de una amplia variedad de
recursos.
La Plataforma Educativa de Granta contiene más de 350 recursos creados por el
Profesor Michael Ashby, “Granta Design” y otros colaboradores que utilizan CES
EduPack en su enseñanza de materiales en las ciencias, la ingeniería y el diseño en
todo el mundo.
• Más de 80 clases en PowerPoint en diferentes idiomas.
• Casos prácticos de la industria.
• Más de 30 ejercicios con soluciones.
17
• Guías de iniciación y video tutoriales.
• Artículos sobre docencia, gráficos de selección de materiales y procesos.
Como formación y soporte, “Granta Design” proporciona asesoramiento profesional y
soporte técnico. Los seminarios online periódicos se mantienen actualizados. Todos
los usuarios pueden asistir a los cursos mensuales de formación gratuita online, que
sirven de inspiración a los docentes. También pueden unirse a los Simposios de
Educación sobre Materiales. (Granta Design, 2018).
18
Conclusiones Parciales
1. Los métodos de selección de materiales más usados son: método tradicional,
método gráfico, método con la ayuda de la base de datos, aunque vale destacar
que el de mayor éxito en el ámbito profesional es el método gráfico.
2. La metodología de selección de materiales desarrollada por Michael Ashby se
apoya en gráficas conocidas como Mapas de Materiales.
3. El software CES EduPack como herramienta de apoyo posee una vasta base
de datos que al ser combinada con el método gráfico posibilita una correcta
selección de materiales.
4. La utilización del CES EduPack como herramienta pedagógica estimulará el
aprendizaje de los estudiantes ya que les permite el estudio de los materiales a
través de un software interactivo y visual.
19
Capítulo 2: Primer caso de estudio. Selección de materiales para
tubetes agrícolas.
2.1 Introducción Parcial
La selección de materiales para el diseño de tubetes es de vital importancia para la
economía y la agricultura en nuestro país. La sustitución de las importaciones de los
sistemas de bandeja – tubete es el principal propósito a seguir, ya que se cuenta con
los materiales y el equipamiento necesario para su diseño y fabricación.
Debido a los fuertes problemas de deforestación, a la pérdida de biodiversidad
biológica que sufren todos los países tropicales y a la gran necesidad de reforestar,
los viveros pueden funcionar no sólo como fuente productora de plantas, sino también
como sitios de investigación donde se experimente con las especies oriundas de
interés, con la finalidad de propiciar la formación de bancos de especies nativas que
permitan su caracterización, selección y manejo. Esto permitirá diseñar, conocer y
adecuar las técnicas más sencillas para la propagación masiva de esas especies.
2.2 Tubetes y bandejas porta-tubetes
Existen en el mundo una gran diversidad de sistemas de bandeja – tubete, los cuales
varían su diseño según la aplicación (ver Figura C 1 de los anexos). Los tubetes (ver
Figura 2.1) son piezas en forma de cono truncado hueco y son fabricados de diferentes
tipos de polímeros. Los tubetes son utilizados como semilleros para la germinación de
semillas o material vegetativo de las plantas a cultivar, sus dimensiones son variables
dependiendo del tipo de semilla a cultivar.
Las bandejas porta-tubetes como se muestra en la Figura 2.2 es una pieza en forma
de bandeja con capacidad de la cantidad de tubete que se conciba en su diseño, hecha
también de algunos tipos de polímeros. Con asas o agarraderas para su manejo y
traslado. (Bettoni et al 2015).
20
Figura 2. 1 Tubetes para producción de plantas forestales.
Figura 2. 2 Bandejas cuadradas de distintos números de cavidades.
21
2.3 Principales características, ventajas y cualidades del conjunto bandeja-
tubete
Características de las bandejas y tubetes:
Se indican las principales características de las bandejas y los tubetes teniendo en
cuenta los materiales de fabricación, vida útil y empleo. (Manuel Jaramillo 2018).
• Fabricados con algunos tipos de polímeros.
• Tiempo de vida útil: 10 años como mínimo, con buen cuidado y manejo, pueden
durar más.
• Los tubetes, presentan estrías verticales internas para el correcto
enraizamiento.
• La estructura y la forma de los tubetes causa la poda natural de la raíz el cual
evita su enrollamiento en el interior del tubete y limita su crecimiento
temporalmente.
• Su estructura es versátil, su manejo es práctico, además de un fácil
almacenamiento y transporte al campo.
• Diseñados para la producción de todo tipo de plantas: forestales, frutales,
agrícolas, flores, ornamentales, palmeras y otros.
Ventajas de la siembra en tubetes:
Se mencionan las principales ventajas que posibilitan asegurar la producción y
minimizar costos. (Alirio Piñuela et al 2013)
• Se pueden producir las cantidades de plantas necesarias para un productor o
para una asociación de productores.
• Se minimizan los costos de producción de las plantas y, por lo tanto, también
los del proyecto a desarrollar.
• Se asegura la producción de plantas de buena calidad.
• Permite seleccionar las mejores plantas (sanas y fuertes) para trasplantar.
22
Cualidades de los tubetes:
Se indican las principales cualidades de los tubetes en cuanto a la superioridad que
poseen sobre las bolsas de polietileno y la capacidad de no contaminar el medio
ambiente. (Karshakasree 2010).
• La capa superior del suelo no es utilizada para cargar los tubetes en cambio se
utiliza un sustrato por lo tanto la nueva técnica conduce a la conservación del
suelo.
• En comparación con las bolsas de polietileno, los tubetes son mucho más
pequeños y por lo tanto el requisito del trabajo en el vivero y el transporte es
mucho menor que las plantas producidas en bolsa de polietileno.
• Pueden ser reutilizados por varios años y por lo tanto son más respetuosos con
el medio ambiente.
• El desarrollo natural del sistema de raíz sin enrollar en espiral se mantiene más
o menos intacta, que asegura un mejor crecimiento y ayuda a las plantas a
resistir los fuertes vientos y también les da mayor protección contra la sequía
en los años iniciales.
• La penetración de las raíces es imposible en los entrenadores de raíces, por lo
tanto, no hay ruptura de las raíces como lo encontramos en las plantas de
bolsas de polietileno cuando se extraen de fosos de vivero, esto también
aumenta la tasa de supervivencia inicial.
• Un golpe suave en los lados de los tubetes es suficiente para facilitar la
extracción fácil de la planta en el momento de la siembra, así que no hay golpes
duros para el sistema radicular de las plantas, esto asegura un crecimiento
mejor y más rápido en el trasplante al campo.
• Un estudio donde se midió el crecimiento a los tres meses de edad de plantas
en campo provenientes de tubetes y bolsas de polietileno, muestran un mejor
crecimiento de las plantas producidas en tubetes.
23
2.4 Selección de algunos modelos de tubetes y sus bandejas para la selección
de materiales a través del software CES EduPack.
El modelo de tubete C-140 y su bandeja modelo PL 108 como se muestran en la Figura
2.3 se utiliza para la producción de plantas forestales. Sus características se muestran
en la Tabla 2.1 y 2.2 respectivamente.
Figura 2. 3 Tubete C-140 y bandeja PL 108.
Tabla 2. 1 Características del tubete C-140.
Forma Tronco piramidal
Altura 142 mm
Capacidad 140 cm3
Diámetro interno 37 mm
Diámetro mayor 45.50 mm
Diámetro inferior 27 mm
Nervaduras 8 interiores
Ventanas 4 inferiores
Bandeja PL 108
24
Tabla 2. 2 Característica de la bandeja PL 108.
Largo 603 mm
Ancho 423 mm
Distancia entre centros de cavidad 47 mm
Peso aproximado 1.75 kg
El modelo de tubete T 375 y su bandeja modelo PL 4 como se muestran en la Figura
2.4 se utiliza para la producción de plantas frutales y ornamentales. Sus características
se muestran en la Tabla 2.3 y 2.4 respectivamente.
Figura 2. 4 Tubete T 375 y bandeja PL 4.
25
Tabla 2. 3 Características del tubete T 375.
Forma Tronco cónico
Altura 370 mm
Capacidad 3750 cm3
Diámetro interno 138 mm
Diámetro mayor 152 mm
Diámetro inferior 55 mm
Nervaduras 8 interiores
Ventanas 8 inferiores
Bandeja PL 4
Tabla 2. 4 Características de la bandeja PL 4.
Largo 355 mm
Ancho 355 mm
Peso aproximado 0.63 kg
26
2.5 Aplicación de la metodología para la selección de materiales de los tubetes
tipo C-140 y T 375.
Para aplicar y desarrollar paso a paso la metodología planteada para la selección de
los materiales de los tubetes que principalmente están sometidos a condiciones
meteorológicas y ambientales por lo que se realiza el análisis basado en el clima
cubano.
Para este paso se requiere del nivel (“Level”) 3 del software Granta CES Edupack.
Utilizando la sección de “Select”, se debe escoger el universo de materiales dentro del
cual se desea aplicar la herramienta, en este caso serán todos los materiales (“Material
Universe: All materials”). Con la herramienta “Tree”, seleccionando la familia
“Polymers: plastics and elastomers”, para definir que los materiales ranqueados
pertenezcan a la familia de los polímeros (ver Figura A 1, A 2 y A 3 de los anexos), de
esta manera contamos con solo 726 materiales.
Con la herramienta “Limit”, se definen los siguientes parámetros para realizar el primer
ranqueo:
• Dentro de la pestaña “thermal properties” para garantizar temperaturas que no
salgan de los rangos existentes en nuestro país se selecciona, máxima
temperatura de servicio de 400C y mínima temperatura de servicio de 80C.
• En la pestaña “optical, aesthetic and acoustic properties” por la oscuridad que
necesitan las plantas para un adecuado enraizamiento se define que en la
opción de la transparencia sea “opaque”.
• Como las plantas necesita del agua para vivir y de las radiaciones ultravioletas
(UV) y estos tubetes pueden estar en los campos a la intemperie, en la pestaña
“durability” se selecciona que posean buena o excelente resistencia a las
radiaciones UV y que sean de excelente resistencia al agua dulce.
• Después de realizado el primer ranqueo para los materiales de los tubetes,
limitando los materiales a la familia de los polímeros, introduciendo las
temperaturas máximas y mínimas de servicio, la transparencia, la resistencia al
27
agua dulce y a las radiaciones UV, se obtiene un total de 149 materiales, ver
Figura A 4, A 5 y A 6 de los anexos.
Posteriormente se realiza un segundo ranqueo de los materiales, para que sea
reciclable de ser posible, y para que sea un material que pueda ser procesado en
máquinas de inyección, para esto se decidió que:
• Para no perder material en caso de rotura de algún tubete en la pestaña
“recycling and end of life” se seleccionó que fueran materiales reciclables.
• En la pestaña “processing properties” por la facilidad que poseen los tubetes
gracias a su geometría de ser fabricados por inyección de plástico se selecciona
que sean excelentes para ser moldeados por inyección.
Después de realizado el segundo ranqueo para los materiales de los tubetes, donde
se selecciona que sea reciclable y moldeable por inyección de plástico, se obtuvo un
total de 12 materiales recomendados como se muestra en la Figura A 7, A 8 y A 9 de
los anexos.
A continuación, se realiza el tercer ranqueo donde se garantiza un precio relativamente
bajo para el material.
• Para asegurar un bajo costo del material, y así un diseño más económico, se
exigirá un precio máximo del material en la pestaña “price” de 3.45 USD$/kg, ya
que es el precio actual del polipropileno, material con el cual se fabrican los
tubetes que actualmente se importan a nuestro país.
Después de realizado el tercer ranqueo contamos con seis materiales recomendados,
de estos, tres son polímeros termoplásticos semicristalinos y los desechamos ya que
ellos en su estructura tienen parte amorfa, parte cristalino y esto los hace más rígidos
y débiles (ver Figura A 10, A 11 y A 12 de los anexos). Con los restantes tres, que son
de la clase de los polímeros termoplásticos amorfos, se realiza la Tabla 2.5,
comparando para así definir finalmente la selección del material:
28
Tabla 2. 5 Comparación entre los materiales seleccionados.
Material Precio USD$/kg Transparencia Radiación (UV)
AES (high-impact) 3.3 – 3.39 Opaco Bueno
AES (unfilled) 2.73 – 2.8 Opaco Bueno
ASA + PC (unfilled) 3.40 – 3.51 Opaco Bueno
Teniendo en cuenta que los materiales recomendados cumplen todas las
características necesarias en el software Granta CES EduPack para así satisfacer las
posibles condiciones de trabajo de los tubetes, se descarta el material “ASA + PC
(unfilled)” debido a que es el menos económico y posee un uso limitado por sus
propiedades de manufactura y procesabilidad. Finalmente se selecciona el
“Acrylonitrile Ethylene Styrene (High-impact)”, “AES (high-impact)”, por su
característica de resistencia contra impacto basándonos en que los tubetes son piezas
usadas en la agricultura y requieren de trabajos manuales y transportación.
29
Conclusiones Parciales
1. Los tubetes poseen una gran superioridad sobre las bolsas de polietileno ya
que pueden ser reutilizados por varios años, posibilita un mejor crecimiento de
las plantas y es una nueva técnica que conduce a la conservación del medio
ambiente.
2. La siembra de las plantas o semillas en tubetes permite un mejor crecimiento o
germinación respectivamente de las mismas, minimiza los costos y asegura la
producción para así poder seleccionar las mejores plantas (sanas y fuertes)
para trasplantar.
3. Se selecciona, teniendo en cuenta que los materiales recomendados cumplen
todas las características necesarias para así satisfacer las posibles condiciones
de trabajo de los tubetes, el material “Acrylonitrile Ethylene Styrene (High-
impact)”, “AES (high-impact)”, por su característica de resistencia contra
impacto basándonos en que los tubetes son piezas usadas en la agricultura y
requieren de trabajos manuales y transportación.
30
Capítulo 3: Segundo caso de estudio. Selección de materiales para
anclajes de sutura.
3.1 Introducción
La selección del tamaño, forma y diseño correctos de los implante y anclajes aumenta
las posibilidades de éxito. Los anclajes requieren un asentamiento cuidadoso y un
soporte óseo adecuado. Para la selección correcta del anclaje el cirujano debe tener
en cuenta el diseño, la fijación, el peso y la edad del paciente, la calidad del hueso, el
tamaño, el grado de actividad, el estado de salud antes de la intervención, así como
su experiencia. Todas estas variables pueden influir en la duración y la estabilidad del
anclaje o implante (WRIGHT 2014).
Con la ayuda del CES EduPack este capítulo se centra en la selección de un material
para un implante biomédico, y así se muestra cómo se puede utilizar esta metodología
de selección en el campo de la bioingeniería.
Los materiales empleados para implantes biomédicos deben cumplir estrictamente un
conjunto de condiciones: deben ser biocompatibles, químicamente inertes, en algunos
casos biodegradables y deben presentar unas propiedades mecánicas similares a las
del tejido remplazado. Debido al entorno biológico tan complejo al que están
sometidos, es costoso, lento y difícil probar y evaluar una amplia gama de posibles
materiales. Por ello es de gran ayuda trabajar con datos precisos y una metodología
de selección fiable.
En este caso práctico, se investigan materiales para un anclaje de sutura, el cual se
inserta en el tejido óseo y se utiliza para fijar el tejido blando a través de suturas durante
la cicatrización. El resultado que se desea es minimizar los costos aplicando una serie
de restricciones habituales para los implantes biomédicos. El procedimiento de
selección se describe en detalle y el resultado se corresponde con un anclaje de sutura
aprobado por la industria basado en polieteretercetona, (PEEK).
31
3.2 Aplicaciones de la Bioingeniería
La bioingeniería es una rama multidisciplinaria que interrelaciona diferentes ramas
científicas y tecnológicas, tales como la biomecánica, la ingeniería mecánica y la
ingeniería de materiales. Una aplicación importante de este ámbito son los implantes
para uso en seres humanos. Éstos deben funcionar de forma fiable con el fin de evitar
complicaciones y operaciones innecesarias a los pacientes. Deben durar el mayor
tiempo posible, o bien degradarse a una velocidad controlada. Además, deben
presentar un comportamiento mecánico adecuado, ser biocompatibles, químicamente
inertes, ser rentables y por último estar aprobados para su uso en el cuerpo humano.
Uno de los materiales más utilizados para las prótesis de cadera e implantes dentales
es el Titanio. Éste y otras aleaciones metálicas ya establecidas se utilizan
habitualmente en cirugía debido a una serie de propiedades, tales como su
biocompatibilidad. Sin embargo, los implantes metálicos presentan ciertos
inconvenientes en la regeneración del tejido óseo. Los metales son significativamente
más rígidos y más duros que el hueso, lo que puede causar problemas y un
debilitamiento o daños en el tejido óseo restaurado.
En este sentido, las propiedades biomecánicas inferiores del hueso son críticas en el
funcionamiento de los implantes. Por ello, los polímeros de alto rendimiento pueden
considerarse una buena alternativa como materiales de implante. Por ejemplo, se ha
demostrado que el PEEK ofrece una mejor compatibilidad mecánica con el hueso en
aquellas aplicaciones en las que no se requiere una alta resistencia mecánica,
comparable a la de un metal. (D W Sommerfeldt 2001)
3.3 Funciones del anclaje de sutura
Los anclajes de sutura se utilizan ampliamente en la gama comercial, aprobado por la
industria y basados en la polieteretercetona (PEEK) a pesar de su alto costo. Se
representan en una gama de tamaños y diámetros variables para ayudar al cirujano a
adaptarlos a la anatomía natural de los pacientes y al tipo de cirugía que se vaya a
realizar. Los implantes se utilizan ampliamente en muchas partes del cuerpo donde el
32
tejido blando y el hueso han dejado de estar unidos, dando como resultado dolor y
pérdida de movimiento (S Weiner 1998).
Para nuestro caso en cuestión, los anclajes de sutura se fijan en el hueso cortical para
cirugías de reparación de las lesiones del manguito rotatorio o el ligamento anterior
cruzado, como se muestra en la Figura 3.1. En este caso práctico, se plantea investigar
materiales alternativos más baratos, ya que el costo es una preocupación creciente en
tecnologías de implantes médicos. El interés es minimizar los costos teniendo en
cuenta las típicas limitaciones mecánicas y biomédicas. Además, es interesante
encontrar polímeros de alto rendimiento en la bioingeniería, siempre y cuando el
comportamiento mecánico en términos de los requisitos de diseño no se vea
comprometido. (J A Grant, et al 2012). La elección del PEEK como material de
referencia se basa en un implante de anclaje de sutura disponible en el mercado.
Los anclajes de sutura se utilizan para fijar los tejidos blandos al hueso y así facilitar la
re-unión de ambos tejidos (ver Figura C 5 de los anexos). El implante se atornilla a un
agujero previamente perforado en el hueso fijando o anclando de esta manera la sutura
con la que se une el tejido blando al hueso, como se muestra a continuación en la
Figura 3.1.
Figura 3. 1 Anclaje de sutura desarrollado a partir del material PEEK.
3.4 ¿Cómo abordar el problema?
Gracias a los avances en el utillaje para fijación interna, el cirujano cuenta con medios
para corregir deformidades y reducir el dolor en muchos pacientes. Aunque los
implantes y anclajes utilizados han tenido mucho éxito en la consecución de estas
metas, hay que recordar que están hechos de metal y materiales poliméricos (ver
33
Figura C 4 de los anexos) y que no se puede esperar que ningún implante soporte las
cargas y los niveles de actividad que podría soportar un hueso normal sano después
de la fusión. El cirujano debe evaluar cada situación de forma individual, basándose
en la presentación clínica del paciente, para tomar cualquier decisión referente a la
selección del anclaje (HCL Technologies 2015).
CES EduPack ofrece un enfoque sistemático basado en el trabajo del Profesor Michael
Ashby. (M F Ashby 2005). El software cuenta con un universo de materiales, dentro de
su base de datos, que recoge todos los materiales biomédicos. De este modo, éstos
pueden ser fácilmente analizados. Se pueden identificar los materiales que cumplen
los requisitos de diseño bioingenieriles y estudiar las alternativas frente a un objetivo,
o bien estudiar el compromiso o equilibrio entre dos objetivos diferentes. Esto permite
que la elección de los materiales dentro de toda la gama de información disponible se
realice con conocimiento de causa, al mismo tiempo que se mantiene la trazabilidad
para facilitar un debate crítico sobre las decisiones tomadas.
En este caso práctico, el anclaje para sutura basado en el PEEK constituye una
situación en la que el volumen se mantiene fijo. Habitualmente, el índice de
rendimiento derivado de las propiedades mecánicas utiliza alguna restricción
geométrica para eliminar el parámetro de diseño libre. Esto es necesario a fin de
permitir la libre elección de materiales. Dado que no existe tal parámetro de diseño
libre en este caso (debido a que se tiene una geometría fija), no se puede derivar un
índice de rendimiento mecánico convencional. En este caso, la elección de los
objetivos será por lo tanto simplemente minimizar los costos, combinándolo con
algunas limitaciones relacionadas con el rendimiento mecánico, como la rigidez y el
límite elástico.
3.5 Aplicación de la metodología para la selección de materiales de los anclajes
para sutura.
Para aplicar y desarrollar paso a paso la metodología planteada para la selección de
los materiales de los anclajes de sutura que principalmente están sometidos a
condiciones internas del organismo humano y algunas fuerzas provocadas por este.
34
Para dicha selección se requiere la ayuda de la base de datos de Bioingeniería Nivel
3 de CES EduPack. Se puede limitar inmediatamente el número de candidatos
utilizando el subgrupo de materiales biomédicos. Esto reduce la selección a 371
materiales candidatos (ver Figura B 1, B 2 y B 3 de los anexos).
El primer ranqueo se ejecuta con la herramienta “Tree”, seleccionando la familia de los
polímeros: “plastics (thermoplastic semi-crystalline)”, “plastics (thermoplastic
amorphous)” y “plastics (thermoset)” para definir que los materiales ranqueados
pertenezcan a esta familia, de esta manera contamos con solo 138 materiales, ver
Figura B 4, B 5 y B 6 de los anexos.
Posteriormente se realiza un segundo ranqueo de los materiales, para garantizar una
máxima temperatura de servicio y una excelente resistencia al agua dulce y a los
ácidos débiles como son considerados los que contiene el organismo humano, para
esto se decide que:
• Dentro de la pestaña “thermal properties” para garantizar temperaturas que no
salgan de los rangos corporales se decide una máxima temperatura de servicio
de 400C.
• Como más del 70% del cuerpo humano está compuesto por líquidos y entre
ellos ácidos débiles, en la pestaña “durability” se selecciona que posean
excelente resistencia a los ácidos débiles y que sean de excelente resistencia
al agua dulce.
• Después de realizado el segundo ranqueo para los materiales de los anclajes
para sutura, donde se selecciona que sean de excelente resistencia al agua
dulce y a los ácidos débiles, se obtuvo un total de 67 materiales recomendados
como se muestra en la Figura B 7, B 8 y B 9 de los anexos.
Posteriormente se realiza un tercer ranqueo de los materiales, para garantizar
propiedades mecánicas similares a las del material “PEEK (unfilled)”, por ser este
polímero uno de los más usados en el mundo de la medicina para los anclajes de
sutura y sus propiedades mecánicas ya fueron probadas previamente, para esto se
decide que:
35
• Dentro de la pestaña “Mechanical properties” se decide que el módulo de Young
establezca valores entre 3 y 10 [GPa], un límite elástico mínimo de 50 MPa y
una tenacidad a la fractura mínima de 4 MPa m1/2.
Después de realizado el tercer ranqueo para los materiales de los anclajes para sutura,
donde se seleccionan las propiedades mecánicas, se obtuvo un total de 13 materiales
recomendados como se muestra en la Figura B 10, B 11 y B 12 de los anexos.
Posteriormente se realiza un cuarto ranqueo de los materiales, para garantizar un
material puro 100% polímero sin aditivos y obtener materiales de menor costo que el
“PEEK (unfilled)”, para esto se decide que:
• En la pestaña “Composition overview” se selecciona que el material no sea
compuesto ni presente estabilizadores porque estos pueden ser rechazado por
el organismo.
• En la pestaña “Price” se decide un precio de 99 USD/kg, para que sea más
económico que el “PEEK (unfilled)”.
Después de realizado el cuarto ranqueo para los materiales de los anclajes para
sutura, donde se selecciona la pureza del material, se obtuvo un total de 4 materiales
recomendados como se muestra en la Figura B 13, B 14 y B 15 de los anexos. Con
esta recomendación final se hace la Tabla 3.1, comparando los resultados para
obtener una decisión final.
36
Tabla 3. 1 Comparación entre los materiales seleccionados.
Materiales Precio
(USD/kg)
Procesabilidad
Reciclabilidad
Inyección Extrusión Termo-
conformación
PEI (unfilled) 17.6 aceptable aceptable aceptable Si
VE (flexible) 4.95 limitado inaceptable inaceptable No
VE (novolac) 4.95 limitado inaceptable inaceptable No
VE (standard) 4.95 limitado inaceptable inaceptable No
Teniendo en cuenta que los materiales recomendados cumplen todas las
características establecidas en el software Granta CES EduPack para así satisfacer
las posibles condiciones de trabajo de los anclajes de sutura, se descartan los
materiales “Vinyl ester (VE)” por ser polímeros termoestables y presentar conflictos
tales como: la dificultad de procesamiento, la necesidad del curado y el carácter
quebradizo del material (frágil). Por lo anteriormente planteado se decide seleccionar
el material “Polietherimide (PEI unfilled)” aunque es el material menos económico.
37
Conclusiones Parciales
1. Los implantes metálicos presentan inconvenientes en la regeneración del tejido
óseo, son significativamente más rígidos y más duros que el hueso, lo que
puede causar problemas, debilitamiento o daños en el tejido óseo.
2. Los polímeros de alto rendimiento pueden considerarse una buena alternativa
como materiales de implante, ya que ofrecen una mejor compatibilidad
mecánica con el hueso en aquellas aplicaciones en las que no se requiere una
alta resistencia mecánica.
3. Se descartan las tres variantes “(flexible, novolac, standard)” del material “Vinyl
ester (VE)” por ser polímeros termoestables y presentar conflictos tales como:
la dificultad de procesamiento, la necesidad del curado y el carácter quebradizo
del material (frágil). Finalmente se decide seleccionar el material
“Polietherimide (PEI unfilled)”, aunque es el material menos económico.
38
Conclusiones Generales
1. Los métodos de selección de materiales más utilizados en la actualidad son:
método tradicional, método gráfico y el método con la ayuda de la base de
datos. Vale destacar que el de mayor éxito en el ámbito profesional es el método
gráfico, ya que permite representar una pareja de propiedades para tantos
materiales como se desee incluir en la gráfica.
2. La metodología de selección de materiales desarrollada por Michael Ashby se
apoya en gráficas conocidas como Mapas de Materiales, donde se puede hacer
una preselección del material más adecuado. La metodología involucra una
estrategia de cuatro pasos, donde se establecen limitantes del diseño y
restricciones que se deben cumplir. Se realiza un ranqueo para así encontrar
los materiales que mejor se desempeñen. Se eliminan todos los materiales que
no cumplen con las restricciones y se realiza la selección final de un material
que armonice los requerimientos de diseño.
3. El software CES EduPack, posee una amplia base de datos, que al ser
combinado con el método gráfico garantiza una correcta selección de
materiales. Dicho software, como herramienta principal de apoyo basado en la
metodología de selección de materiales desarrollada por el profesor Michael
Ashby, permite encontrar aquel material o proceso que se adapta mejor a las
exigencias y condiciones de trabajo determinadas por el diseñador.
4. CES EduPack reúne las condiciones que le permite estar entre los softwares
con aplicaciones educativas que lideran la selección de materiales para
ciencias, ingeniería, fabricación y diseño. Cuenta con más de 350 recursos para
la enseñanza de las ciencias de materiales. Inspira, fortalece y promueve el
aprendizaje interdisciplinario de los estudiantes. Su inclusión en el currículo
básico de la carrera permitirá aprovechar las potencialidades que brinda para
estimular, reforzar y desarrollar el currículo del Ingeniero Mecánico.
39
5. La preselección de los materiales mediante la metodología de selección de
Michael Ashby, para los dos casos prácticos, se realizó teniendo en cuenta las
características de diseño particulares. Para los tubetes, se selecciona el
material “Acrylonitrile Ethylene Styrene (High-impact)”, “AES (high-impact)”,
por su característica de resistencia contra impacto basándonos en que los
tubetes son piezas usadas en la agricultura y requieren de trabajos manuales y
transportación. Para los anclajes de suturas, se descartan las variantes de
polímeros termoestables y que tienen dificultad de procesamiento, necesidad
de curado y carácter quebradizo, seleccionando finalmente el material
“Polietherimide (PEI unfilled)”.
40
Recomendaciones
1. Se recomienda la utilización del software Granta CES Edupack en futuros
proyectos de diseño con la aplicación de la metodología de selección de
materiales de Michael Ashby, ya que permite definir las limitaciones que estén
presentes en el diseño para cada una de las partes por separado.
2. Se recomienda tener en cuenta en la metodología para cada una de las partes
otras propiedades mecánicas como el límite elástico, la resistencia a la tracción
– compresión, la elongación, la dureza y la resistencia a la fatiga. Esto garantiza
un rango de selección más específico para el diseño que se realiza y una
selección del material más eficaz.
3. Se recomienda trabajar con la versión más reciente del software Granta CES
Edupack, siempre que sea posible, ya que la metodología de selección de
materiales de Ashby se desarrolla cada año. Esto incluye que toda una gama
de nuevos materiales y procesos sean actualizados y perfeccionados dentro de
la base de datos del software, posibilitando que toda la información adquirida
ofrezca datos en tiempo real (“real time”).
Bibliografía
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investigación Agricola Danac 2013.
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23. WRIGHT. “Sistema de anclajes de sutura de Titanio Gravity” Wright Medical
Technology, Inc. Wright Medical UK Ltd. 1023 Cherry Road 3rd Avenue Memphis, TN
38117 Letchworth U.S.A. Julio de 2014. Impreso en U.S.A.
Anexos
Figura A 1 Selección de la familia de los materiales para los tubetes. Young's modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura A 2 Selección de la familia de los materiales para los tubetes. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura A 3 Selección de la familia de los materiales para los tubetes. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa).
Figura A 4 Primer ranqueo de los materiales para los tubetes. Young's modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura A 5 Primer ranqueo de los materiales para los tubetes. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura A 6 Primer ranqueo de los materiales para los tubetes. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa).
Figura A 7 Segundo ranqueo de los materiales para los tubetes. Young's modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura A 8 Segundo ranqueo de los materiales para los tubetes. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura A 9 Segundo ranqueo de los materiales para los tubetes. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa).
Figura A 10 Tercer ranqueo de los materiales para los tubetes. Young's modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura A 11 Tercer ranqueo de los materiales para los tubetes. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura A 12 Tercer ranqueo de los materiales para los tubetes. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa).
Figura B 1 Selección de la familia de los materiales para los anclajes de suturas. Young's modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura B 2 Selección de la familia de los materiales para los anclajes de suturas. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura B 3 Selección de la familia de los materiales para los anclajes de suturas. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa).
Figura B 4 Primer ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Young's modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura B 5 Primer ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura B 6 Primer ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa).
Figura B 7 Segundo ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Young's modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura B 8 Segundo ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura B 9 Segundo ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa).
Figura B 10 Tercer ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Young's modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura B 11 Tercer ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura B 12 Tercer ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa).
Figura B 13 Cuarto ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Young's modulus (GPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura B 14 Cuarto ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Density (kg/m^3).
Figura B 15 Cuarto ranqueo de los materiales para los anclajes de suturas. Yield strength (elastic limit) (MPa) vs. Young's modulus (GPa).
Figura C 1 Diversidad de sistemas de bandeja – tubete, según la aplicación.
Figura C 2 Plano de pieza del Tubete C-140.
Figura C 3 Plano de pieza del Tubete T-375.
Figura C 4 Anclajes para sutura de diferentes materiales.
Figura C 5 Aplicación de los aclajes para suturas.
Ficha técnica del material AES (high-impact) General information Designation Acrylonitrile Ethylene Styrene (High-impact) Tradenames Diamond, KumhoSunny, SAXATEC, Southland, TECHNO, UNIBRITE Typical uses Outdoor applications: automotive parts such exterior trims, automotive interior parts, household goods, electrical parts, pool steps. Composition overview Compositional summary Block terpolymer of acrylonitrile (15-35%), ethylene (5-30%), and styrene (40-60%). Material family Plastic (thermoplastic,
amorphous) Base material AES (Acrylonitrile ethylene
styrene) Additive Impact modifier Polymer code AES Composition detail (polymers and natural materials) Polymer * 85 - 95 % Impact modifier * 5 - 15 % Price Price * 3.3 - 3.39 USD/kg Price per unit volume * 3.38e3 - 3.54e3 USD/m^3 Physical properties Density 1.03e3 - 1.05e3 kg/m^3 Mechanical properties Young's modulus 2.02 - 2.12 GPa Specific stiffness 1.95 - 2.05 MN.m/kg Yield strength (elastic limit) 38.9 - 51.3 MPa Tensile strength 39 - 48 MPa Specific strength 37.6 - 49.6 kN.m/kg Elongation 22 - 45 % strain Compressive modulus * 2.02 - 2.12 GPa Compressive strength * 48.1 - 56.1 MPa Flexural modulus 2.14 - 2.31 GPa Flexural strength (modulus of rupture) 62.2 - 76.4 MPa Shear modulus * 0.721 - 0.758 GPa Shear strength * 24.1 - 28.1 MPa Bulk modulus 3.37 - 3.54 GPa Poisson's ratio * 0.39 - 0.41 Shape factor 1.95 Hardness - Vickers * 11 - 12 HV Hardness - Rockwell R 89 - 114 Elastic stored energy (springs) 372 - 626 kJ/m^3
Fatigue strength at 10^7 cycles * 16 - 18.7 MPa Impact & fracture properties Fracture toughness * 3.39 - 4.1 MPa.m^0.5 Toughness (G) 5.59 - 8.07 kJ/m^2 Impact strength, notched 23 °C 25.5 - 39.7 kJ/m^2 Impact strength, notched -30 °C 8 - 15 kJ/m^2 Impact strength, unnotched 23 °C 590 - 600 kJ/m^2 Impact strength, unnotched -30 °C 60 kJ/m^2 Thermal properties Glass temperature * 79.2 - 93.2 °C Heat deflection temperature 0.45MPa 77 - 92 °C Heat deflection temperature 1.8MPa 77.2 - 90 °C Vicat softening point 91 - 97 °C Maximum service temperature * 60 - 80 °C Minimum service temperature * -45 - -35 °C Specific heat capacity * 1.35e3 - 1.41e3 J/kg.°C Thermal expansion coefficient 76 - 90 µstrain/°C Thermal shock resistance 222 - 307 °C Electrical properties Electrical resistivity 1e20 µohm.cm Electrical conductivity 1.72e-18 %IACS Dielectric constant (relative permittivity) 5.16 - 5.59 Dissipation factor (dielectric loss tangent) * 0.208 - 0.3 Dielectric strength (dielectric breakdown) * 45.7 - 50.3 MV/m Comparative tracking index 400 - 600 V Magnetic properties Magnetic type Non-magnetic Optical, aesthetic and acoustic properties Transparency Opaque Acoustic velocity 1.4e3 - 1.43e3 m/s Mechanical loss coefficient (tan delta) * 0.016 - 0.0211 Critical materials risk Contains >5wt% critical elements? No Absorption & permeability Water absorption @ 24 hrs 0.3 % Permeability (O2) * 47.3 - 78.5 cm³.mm/m².day.atm Processing properties Polymer injection molding Excellent Polymer extrusion Excellent Polymer thermoforming Excellent Linear mold shrinkage 0.4 - 0.9 % Melt temperature 200 - 272 °C Mold temperature 50 - 80 °C
Molding pressure range * 70 - 140 MPa Durability Water (fresh) Excellent Water (salt) Excellent Weak acids Excellent Weak alkalis Excellent Strong alkalis Excellent UV radiation (sunlight) Good Flammability Highly flammable Primary production energy, CO2 and water Embodied energy, primary production * 95.6 - 105 MJ/kg CO2 footprint, primary production * 3.77 - 4.16 kg/kg Water usage 151 - 167 l/kg Processing energy, CO2 footprint & water Polymer extrusion energy * 5.55 - 6.12 MJ/kg Polymer extrusion CO2 * 0.416 - 0.459 kg/kg Polymer extrusion water * 4.9 - 7.06 l/kg Polymer molding energy * 10.8 - 11.9 MJ/kg Polymer molding CO2 * 0.81 - 0.89 kg/kg Polymer molding water * 9.7 - 13.9 l/kg Coarse machining energy (per unit wt removed) * 0.95 - 1.05 MJ/kg Coarse machining CO2 (per unit wt removed) * 0.071 - 0.079 kg/kg Fine machining energy (per unit wt removed) * 5.26 - 5.8 MJ/kg Fine machining CO2 (per unit wt removed) * 0.395 - 0.435 kg/kg Grinding energy (per unit wt removed) * 10 - 11.1 MJ/kg Grinding CO2 (per unit wt removed) * 0.75 - 0.83 kg/kg Recycling and end of life Recycle True Embodied energy, recycling * 29.5 - 32.5 MJ/kg CO2 footprint, recycling * 1.2 - 1.32 kg/kg Downcycle True Combust for energy recovery True Heat of combustion (net) * 38 - 39.9 MJ/kg Combustion CO2 * 3.14 - 3.16 kg/kg Landfill True Biodegrade False Links ProcessUniverse Producers Shape Values marked * are estimates. No warranty is given for the accuracy of this data
Ficha técnica del material PEI (unfilled) General information Designation Polyetherimide (Unfilled) Tradenames Colorrx, Dynapath, Enviroplas, Extem, Geo-Tech, LNP Colorcomp, Luvocom, Meldin, Quadrant, Tempalux, Ultem, Ultron, Unitem Typical uses High temperature switchgear, microwave cookware, electrical connectors, lamp housings, under-bonnet components. Biomaterials - All True Biomedical materials True Composition overview Compositional summary (-N-[CO2]-C6H3-O-C6H4-[CH3]2-C6H4-O-C6H3-[CO]2-N-C6H4-)n Material family Plastic (thermoplastic,
amorphous) Base material PEI (Polyether imide) Polymer code PEI Composition detail (polymers and natural materials) Polymer 100 % Price Price 17.6 USD/kg Price per unit volume * 2.22e4 - 2.25e4 USD/m^3 Physical properties Density 1.26e3 - 1.28e3 kg/m^3 Mechanical properties Young's modulus 2.89 - 3.04 GPa Specific stiffness 2.27 - 2.4 MN.m/kg Yield strength (elastic limit) * 73.5 - 81.1 MPa Tensile strength 91.9 - 101 MPa Specific strength * 57.9 - 63.9 kN.m/kg Elongation 55.8 - 64.5 % strain Compressive modulus 3.22 - 3.38 GPa Compressive strength * 144 - 159 MPa Flexural modulus 3.22 - 3.38 GPa Flexural strength (modulus of rupture) 144 - 159 MPa Shear modulus * 1.04 - 1.09 GPa Bulk modulus * 4.51 - 4.73 GPa Poisson's ratio * 0.385 - 0.401 Shape factor 4.6
Hardness - Vickers * 22 - 24 HV Hardness - Rockwell M 109 - 110 Hardness - Rockwell R * 121 - 134 Elastic stored energy (springs) * 911 - 1.11e3 kJ/m^3 Fatigue strength at 10^7 cycles * 33.9 - 44.1 MPa Impact & fracture properties Fracture toughness * 1.99 - 4.03 MPa.m^0.5 Toughness (G) 1.46 - 5 kJ/m^2 Impact strength, notched 23 °C 3.81 - 4.2 kJ/m^2 Impact strength, notched -30 °C 3.81 - 4.2 kJ/m^2 Thermal properties Glass temperature 215 - 217 °C Heat deflection temperature 0.45MPa 207 - 210 °C Heat deflection temperature 1.8MPa 197 - 200 °C Maximum service temperature 161 - 179 °C Minimum service temperature * -49 - -29 °C Thermal conductivity 0.123 - 0.13 W/m.°C Specific heat capacity * 1.47e3 - 1.53e3 J/kg.°C Thermal expansion coefficient 84.6 - 101 µstrain/°C Thermal shock resistance * 255 - 313 °C Thermal distortion resistance * 0.00125 - 0.0015 MW/m Electrical properties Electrical resistivity 3.3e22 - 3e23 µohm.cm Electrical conductivity 5.75e-22 - 5.22e-21 %IACS Dielectric constant (relative permittivity) 3.1 - 3.3 Dissipation factor (dielectric loss tangent) 0.0019 - 0.0021 Dielectric strength (dielectric breakdown) 18.9 - 20.5 MV/m Comparative tracking index 100 - 250 V Magnetic properties Magnetic type Non-magnetic Optical, aesthetic and acoustic properties Refractive index 1.65 - 1.67 Transparency Transparent Acoustic velocity 1.51e3 - 1.55e3 m/s Mechanical loss coefficient (tan delta) * 0.0132 - 0.0138 Healthcare & food Food contact Yes Medical grades? (USP Class VI, ISO 10993) True Medical tradenames Ultem 1000 series, Tempalux Healthcare applications Bone fixation and repair,
Wound and tissue closure
Sterilizability (ethylene oxide) Excellent Sterilizability (radiation) Excellent Sterilizability (steam autoclave) Excellent Guidance for MRI Safety No Interaction - MR Safe ASM Medical Materials datasheet (subscription required) Polyetherimide (PEI) Restricted substances risk indicators RoHS (EU) compliant grades? True Critical materials risk Contains >5wt% critical elements? No Absorption & permeability Water absorption @ 24 hrs 0.227 - 0.275 % Processing properties Polymer injection molding Acceptable Polymer extrusion Acceptable Polymer thermoforming Acceptable Linear mold shrinkage 0.5 - 0.7 % Melt temperature 309 - 430 °C Mold temperature 70 - 170 °C Molding pressure range 69 - 138 MPa Durability Water (fresh) Excellent Water (salt) Excellent Weak acids Excellent Strong acids Excellent Weak alkalis Excellent Strong alkalis Limited use Organic solvents Excellent Oxidation at 500C Unacceptable UV radiation (sunlight) Excellent Flammability Self-extinguishing Primary production energy, CO2 and water Embodied energy, primary production * 197 - 217 MJ/kg CO2 footprint, primary production * 10.6 - 11.7 kg/kg Water usage * 490 - 541 l/kg Processing energy, CO2 footprint & water Polymer extrusion energy * 6.12 - 6.76 MJ/kg Polymer extrusion CO2 * 0.459 - 0.507 kg/kg Polymer extrusion water * 4.95 - 7.42 l/kg Polymer molding energy * 26.9 - 29.8 MJ/kg Polymer molding CO2 * 2.02 - 2.23 kg/kg Polymer molding water * 16 - 24 l/kg Coarse machining energy (per unit wt removed) * 1.61 - 1.78 MJ/kg Coarse machining CO2 (per unit wt removed) * 0.121 - 0.133 kg/kg Fine machining energy (per unit wt removed) * 11.8 - 13 MJ/kg Fine machining CO2 (per unit wt removed) * 0.885 - 0.978 kg/kg Grinding energy (per unit wt removed) * 23.1 - 25.5 MJ/kg
Grinding CO2 (per unit wt removed) * 1.73 - 1.92 kg/kg Recycling and end of life Recycle True Embodied energy, recycling * 66.8 - 73.8 MJ/kg CO2 footprint, recycling * 3.6 - 3.98 kg/kg Recycle fraction in current supply 0.1 % Downcycle True Combust for energy recovery True Heat of combustion (net) * 28.8 - 30.3 MJ/kg Combustion CO2 * 2.68 - 2.82 kg/kg Landfill True Biodegrade False Links ProcessUniverse Producers Reference Shape Values marked * are estimates. No warranty is given for the accuracy of this data
