Indice1. Introducción. 2. Tendencias del desarrollo de la tecnología y ciencia de los materiales a nivel mundial 3. Líneas De Investigación En El Area De Materiales A Nivel Mundial 4. Bibliografía
El progreso de la Humanidad, se basa en un intenso desarrollo de la Microelectrónica, la Informática, la Automatización y Robotización de la Producción, en el empleo de nuevos materiales y nuevas tecnologías, en la utilización de nuevos manantiales de energía y en el fomento de la Biotecnología. La riqueza material de un país, depende de la producción de bienes y servicios, mediante el empleo coordinado de los recursos humanos y materiales. La tecnología contribuye al uso más eficiente de los recursos. La tecnología moderna requiere de materiales con una variedad de propiedades, con un bajo costo de obtención y con una alta versatilidad para ser transformado en elementos estructurales en los procesos de fabricación. La tecnología moderna con la incorporación de la Informática y la Robótica, no solo que ha efectivizado la obtención y el tratamiento de los materiales; sino que ha mejorado la capacidad de control y direccionamiento de los procesos internos que en ellos ocurre. El número de materiales disponibles se calcula están entre 40.000 y 80.000. En su historia, la Humanidad fue dividida en épocas que daban cuenta del principal material que se usaba (la edad de piedra, bronce, etc.), hoy no podemos hablar de un sólo material que nos distinga sino de varios de ellos, estamos en la era de los Nuevos Materiales. Todas estas consideraciones determinan que existan nuevos conceptos básicos a ser estudiados y comprendidos. Las edades en las cuales el Hombre ha vivido se han denominado por los materiales que él preferentemente a usado: piedra, bronce, hierro. Hoy no estamos en la era de un solo material, es la época de un inmenso rango de materiales. Nunca ha existido una época en la cual la evolución de los materiales fuese tan rápida y el rango de sus propiedades más variado. Una de las razones de la evolución técnica e industrial de los países desarrollados es que, cuando fue preciso, la industria encontró entre los materiales existentes, la propiedades necesarias para prestaciones extremas. Los factores que han influenciado sobre la industria desarrollada son:
- Necesidad de economizar energía
- Urgencia de conservar el medio ambiente
- Conveniencia de disminuir el consumo de materiales estratégicos.
- Necesidad de aumentar su competitividad en los mercados.
Se consideran como materiales estratégicos aquellos que reúnen las siguientes características:
- No se producen, o al menos, no se obtienen en cantidades suficientes.
- Son esenciales para la producción industrial.
- Tienen pocos o ningún otro sustituto, y su reciclaje es difícil.
- La producción está concentrada en un número restringido de terceros países.
La introducción de los nuevos materiales en las industrias viene motivado por los siguientes factores:
- Ahorro de energía en los procesos de fabricación.
- Eliminación de residuos dañinos para el medio y la salud.
- Sustitución de materiales considerados estratégicos.
- Aumento de la competitividad industrial (mejores características y calidad del producto).
- Economía en el empleo de los materiales, por aumento de la duración.
- Mejor aprovechamiento de los materiales durante los procesos de fabricación.
- Aumento de la seguridad en el trabajo.
- Reciclado de materiales.
- Aprovechamiento de residuos.
- Incremento del valor agregado de los productos.
- Creación y multiplicación de segmentos innovadores dentro de las industrias.
La sección de materiales en una industria cumple con las siguientes funciones:
- Desarrolla nuevos procesos en los materiales para ingeniería.
- Prepara y asigna estandarizaciones y dibujos de ingeniería para estos materiales y procesos.
- Evalúa nuevos y mejorados métodos de pruebas, procedimientos y equipos para el laboratorio.
- Resuelve dificultades y problemas únicos en la producción.
- Investiga causas de fallas de las piezas e inicia las acciones correctivas.
- Da servicio de pruebas y consultas técnicas.
Para nuestro país, el poder ir superando el subdesarrollo en el que lamentablemente se halla inmerso, pasa necesariamente por el impulso a la investigación científica tanto básica como aplicada. Lamentablemente los recursos destinados con este fin son completamente exiguos, la información sobre los desarrollos tecnológicos y los avances científicos es dramáticamente escasa. La Humanidad ha superado la etapa en la cual teníamos que aceptar la disposición de la Naturaleza a nivel atómico y molecular, ahora esta puede ser modificada, reacomodada o "construida" a fin de obtener un material que se adecue a satisfacer las necesidades específicas que de él se requieran. Tal es el caso de las mezclas poliméricas y aleaciones metálicas, los nuevos materiales cerámicos y el amplio mundo de los materiales compuestos El país cuenta con abundantes recursos materiales, pero éstos deben ser caracterizados adecuadamente para darles un uso óptimo.
2. Tendencias del desarrollo de la tecnología y ciencia de los materiales a nivel mundial
Hasta los años 60 "materiales de ingeniería" era sinónimo de "metales"; pero desde esa época hasta nuestros días todo ha cambiado. La velocidad de desarrollo de las nuevas aleaciones metálicas es más bien baja, la demanda de acero y de hierro fundido ha caído. Las industrias de polímeros y materiales compuestos crecen rápidamente, al igual que las proyecciones de desarrollo de las nuevas cerámicas. Las tecnologías modernas asociadas a la producción industrial contemporánea, demandan un desarrollo de productos cuya realización está vinculada al uso de materiales con propiedades muy bien determinadas y a la selección de procedimientos mejor adaptados al éxito económico de los productos. Las nuevas líneas generales de producción, tienden a conformar materiales más fiables ligeros y resistentes con una economía de recursos óptima. Entre éstas líneas está el desarrollo de:
- Aleaciones metálicas resistentes a altas temperaturas.
- Metales amorfos.
- Cerámicas técnicas
- Polímeros especiales
- Materiales compuestos
Todos estos constituyen los llamados Nuevos Materiales, los cuales conciernen a los materiales que resultan de un control óptimo de su microestructura o de la combinación de diversos materiales. Estos nuevos materiales exigen un intenso desarrollo de los métodos de análisis tanto macroscópicos como microscópicos de las propiedades mecánicas, físicas, químicas y tecnológicas; así como de los procedimientos para alterar o modificar dichas propiedades. Además la tendencia del desarrollo actual tiene en consideración: el costo de fabricación tanto económico como ambiental, la utilización y la disposición final del producto en función de su posible reciclaje, degradación o eliminación. Las regulaciones internacionales sobre el destino final y el proceso de fabricación del material cada vez son más respetuosas del medio ambiente En general la CCMM está ocupada en la creación de nuevos materiales y en el mejoramiento sustancial de las propiedades de los materiales tradicionales. (15 El desarrollo de la Ciencia y la Tecnología de los Materiales en las próximas décadas se prevé estará caracterizada por los siguientes aspectos:
- Existe la tendencia a sustituir los materiales metálicos y sus aleaciones por los plásticos, cerámicos y compuestos, debido a sus bajo costo y durabilidad.
- Se propenderá a elevar la resistencia mecánica y las propiedades anticorrosivas de los aceros en condiciones extremas (altas temperaturas, presiones y medios altamente corrosivos), variando la microestructura en base de la sustitución de algunos elementos aleantes tradicionales, disminución del tamaño de grano y tratamientos termomecánicos. (19)
- Se intensificará el uso de los aceros esferoidizados y colados en forma continua para la fabricación de elementos de máquinas.
- Se espera un incremento notable del uso de metales y aleaciones ligeras (Especialmente Aluminio y sus aleaciones Al-Zn-Mg-Cu, Al-Zn-Mg) en la fabricación de elementos de máquinas especialmente para la industria automotriz y aeronáutica.
- Se intensificará la investigación de las aleaciones superplásticas con una elevada resistencia a la corrosión.
- Se ampliará y profundizará el conocimiento y la tecnología del tratamiento térmico de envejecimiento de las aleaciones ligeras.
- La industria ha intensificado el uso de materiales poliméricos y cerámicos en la fabricación de algunos tipos de elementos de máquinas debido a su menor peso específico y costo con respecto a los materiales metálicos.
- Se han creado y se continuarán creando nuevos métodos de análisis microscópico y macroscópico de estos materiales; así como nuevos procesos tecnológicos de conformación y tratamiento de los mismos.
- Los tratamientos térmicos se están sofisticando con el uso de microprocesadores que maximizan la eficiencia de los sistemas y controlan adecuadamente los procesos.
- Los procesos de endurecimiento más utilizados serán por láser, haz de electrones, por inducción en atmósferas controladas o al vacío.
- Se hará más frecuente el uso de medios refrigerantes poliméricos y compuestos orgánicos solubles en agua.
- En lo que se refiere a las perspectivas de desarrollo del Conformado Mecánico sin arranque de viruta, se prevé un repunte del estampado para confeccionar piezas de partes críticas, que reemplazarán a las forjadas y fundidas y que tendrán menor peso y tamaño. (15)
- Se pondrá mucho énfasis en el conformado de materiales superplásticos para la fabricación de piezas de formas complicadas.
- Se dará mucha importancia a la fabricación de alambres multifilamentarios y superconductores en base de vanadio y germanio.
- La tecnología de soldadura incrementará los procesos automáticos y semiautomáticos. Se mejorará la composición de los electrodos no sólo para mejorar la calidad de la soldadura, sino para hacer cada vez más débil su dependencia en las habilidades del operador.
- Dentro de los procesos de soldadura, el láser tendrá cada vez mayores aplicaciones, al igual que el ultrasonido para el control de calidad de la misma.
- Se investigarán intensamente las propiedades de los materiales compuestos, así como se crearán nuevos procesos de conformado de los mismos.
- Se incorporará cada vez con mayor intensidad la Computación y la Robótica en el análisis de los procesos internos de los materiales así como en los procesos de conformado de los mismos.
- Los tratamientos superficiales tenderán a ser reemplazados por los recubrimientos plásticos.
- Se crearán nuevos procesos de conformado para los materiales plásticos, cerámicos, compuestos y polvos metálicos.
- Se dará mucha importancia al reciclaje de los materiales debido a que escasean en el mercado ciertos elementos químicos que juegan un papel preponderante en las aleaciones.
- Se dará mucho énfasis a la investigación de las propiedades útiles de los materiales, dando una gran preferencia a los materiales altamente puros y a los compuestos.
El objetivo de la preservación de los materiales será concluir el ciclo de vida de los mismos de tal manera que los desechos llegue a ser material de potencia concluida. Entre los problemas mas agudos que tiene que enfrentar la ciencia y la tecnología de estos materiales tenemos.
- Investigar las propiedades y microestructura de un material compuesto.
- Crear una nueva teoría de la Resistencia de Materiales.
- Lo anterior implica la creación de nuevos métodos de diseño para materiales compuestos.
- Automatizar la fabricación de piezas de materiales compuestos y mejoramiento de su calidad.
Considerando que en el futuro próximo la población aumentará su confianza en la ciencia y la tecnología, se esforzará para mejorar la calidad del medio ambiente y fundamentalmente volcará su atención a la calidad de vida; se puede prever un gran dinamismo en los modelos de producción y consumo. Los aspectos más importantes que se deben tomar en cuenta a futuro son: la disponibilidad, la utilización y la preservación de los materiales. Un razonable abastecimiento y una buena cantidad de reserva de emergencia contrarrestará de alguna manera la deficiencia de los materiales.
3. Lineas De Investigacion En El Area De Materiales A Nivel Mundial
Los nuevos materiales surgieron bajo la perspectiva del desarrollo de proyectos del espacio y de defensa militar, sin embargo actualmente ocupan un sector importante del mercado y se proyectan a cobrar mayor preponderancia al diversificar sus aplicaciones y ofrecer precios cada vez más competitivos frente a los materiales tradicionales. Las industrias del sector metálico, plástico y cerámico, deberán entrar en un proceso de transformación y reconversión hacia el uso de materiales compuestos, si desean conservar sus espacios de mercado frente a los productos que serán ofertados desde afuera, facilitados por la inclusión del país en los bloques del comercio internacional. En la obtención de un nuevo material, se admiten tres fases de investigación y desarrollo:
- Utilización de conocimientos interdisciplinarios, teóricos y experimentales, para caracterizar los nuevos materiales, tratando de controlar las propiedades de los mismos, correlacionando la estructura microscópica con la macroscópica.
- Conseguir métodos y técnicas de producción de nuevos materiales a nivel industrial.
- Ingeniería de Materiales, con los objetivos de:
- Combinar propiedades de distintos materiales para generar uno nuevo (materiales compuestos)
- Desarrollar parámetros que describan los nuevos materiales y a sus métodos de obtención.
- Encontrar nuevos productos en los cuales se puedan aplicar los nuevos materiales.
- Materiales metálicos y compuestos de matriz metálica, aleaciones no ferrosas, superaleaciones, compuestos de matriz metálica y compuestos intermetálicos.
- Materiales para aplicaciones: magnéticas (imanes de tierras raras, imanes unidos mediante polímeros), ópticas (materiales ópticos con índice de transmisión variable), eléctricas (conductores metálicos endurecidos por envejecimiento, conductores poliméricos, materiales piezoeléctricos y de superconductividad (superconductores a altas temperaturas.
- Materiales no metálicos para altas temperaturas: materiales fibrosos y cerámicas mejoradas en cuanto a durabilidad.
- Polímeros y compuestos de matriz orgánica: mezclas poliméricas, polímeros con aditivos y compuestos orgánicos.
- Materiales para aplicaciones especializadas: biomateriales (materiales compuestos para implantes y ligamentos ortopédicos de larga duración, materiales bioabsorbibles y histocompatibles para bioinstrumentos, tales como membranas, bolsas, agujas y jeringuillas), materiales de embalaje y envasado, multimateriales (materiales de multicapas).
- Garantizar el proceso y el producto: métodos nuevos o mejorados para la observación de materiales y caracterización de defectos, mejora de la capacidad de vigilancia de las condiciones de uso mediante sensores optimizados y métodos de inspección en proceso basados en soluciones líquidas.
- Técnicas de tratamiento de superficies: modificación de las superficies mediante recubrimientos y otros métodos.
- Técnicas de moldeo, montaje y unión: procesos y técnicas de control para montaje, conformado y unión de materiales compuestos y multicapas, mejorar los procesos de fundición, moldeado , conformado y maquinado.
- Procesos de partículas y polvos: productos en partículas con características bien precisas tales como propiedades funcionales, distribución del tamaño de las partículas y otros.
- J.A.Sabato. Visión El pensamiento Latinoamericano en la Problemática Ciencia-Tecnología-Desarrollo-Dependencia.Paidos.Buenos Aires. 1975.
- G.Jones. Ciencia y Tecnología en los Países en Desarrollo. Fondo de Cultura Económica.México. 1973.
- M.Bunge. Ciencia y Desarrollo. Ediciones Siglo Veinte. Buenos Aires. 1984.
- CONUEP. Problemas universitarios. Cuadernos de análisis #6.1990.
- CONUEP.Evaluación de la Situación Actual y Perspectivas para el corto y mediano plazos de las Universidades y Escuelas Politécnicas.Quito. 1992
- Madroñero A. Tecnología e investigación en Materiales Compuestos. Política Científica. # 33.1992
- Pedró F. Tendencias de la educación europea. Investigación y Ciencia. Diciembre de 1992.
- Alvaro de Arcos. La magia de los Nuevos Materiales.Muy Interesante. Año 6. #67. p.12.1992
- Moreno P. Relaciones de la Universidad con el sector Productivo. Informativo Politécnico. Febrero de 1993.
- Sparkes J. Calidad de la educación en ingeniería. Informativo Politécnico. Mayo de 1993.
- Cárdenas V.Breve de Ciencia y la Tecnología de los Materiales en el Ecuador.EPN.1993.
Autor:
Víctor Manuel Cárdenas