Universitat Internacional de Catalunya

Materials Avançats i Selecció de Materials

Materials Avançats i Selecció de Materials
6
12484
2
Primer semestre
OB
FORMACIÓ AVANÇADA
MATERIALS II
Llengua d'impartició principal: castellà

Altres llengües d'impartició: català, anglès

Professorat


Les cites per a tutories presencials, tant per resoldre dubtes sobre aspectes teòrics o pràctics de l'assignatura com per a l'elaboració de treballs individuals s'organitzen per correu electrònic ecastro@uic.es/xavier.gil@uic.cat, prioritzant les consultes en els horaris acordats amb el professor a l'inici del curs acadèmic (dimecres de 9:00 a 10:00).

Presentació

Les innovacions tecnològiques sovint són conseqüència de l'ús intel·ligent de materials avançats però també molts desastres en bioenginyeria són causats per un mal ús d'aquests. Per això és vital que el bioenginyer professional conegui com es seleccionen els materials i sàpiga quins s'ajusten a les demandes d'un disseny en particular; és a dir, demandes econòmiques, estètiques, mediambientals, normatives, de resistència o de durabilitat. El bioenginyer ha de comprendre les propietats dels materials i les seves limitacions.

Requisits previs

Assignatures de Materials, Biomaterials i biocompatibilitat.

Objectius

• Conèixer materials avançats amb aplicacions especials en l'àrea de la bioenginyeria.

• Fomentar una actitud positiva i oberta cap als nous materials.

• Comprendre els principis bàsics involucrats en la selecció de materials, establint metodologies (disseny, cost, funcionalitat, especificacions, qualitat requerida per la indústria) que permeten realitzar la selecció del material idoni per a cada aplicació en particular.

Competències

  • CB2 - Que els estudiants sàpiguen aplicar els seus coneixements al seu treball o vocació d'una forma professional i posseeixin les competències que solen demostrar-se per mitjà de l'elaboració i defensa d'arguments i la resolució de problemes dins la seva àrea d'estudi
  • CB3 - Que els estudiants tinguin la capacitat de reunir i interpretar dades rellevants (normalment dins la seva àrea d'estudi) per emetre judicis que incloguin una reflexió sobre temes rellevants d'índole social, científica o ètica
  • CB4 - Que els estudiants puguin transmetre informació, idees, problemes i solucions a un públic tant especialitzat com no especialitzat
  • CE17 - Ser capaç d'identificar els conceptes de l'enginyeria que es poden aplicar en el camp de la biologia i de la salut.
  • CE19 - Saber escollir i aplicar un material a partir de les seves propietats i comportament elèctric, magnètic, mecànic i químic.
  • CE6 - Integrar els fonaments de ciència, tecnologia de materials, tenint en compte la relació entre la microestructura, la síntesi o processat i les propietats dels materials.
  • CE9 - Aplicar els fonaments bàsics de l'elasticitat i resistència de materials al comportament de sòlids reals.
  • CG1 - Desenvolupar projectes en els àmbits de la Bioenginyeria que tinguin per objecte la concepció, el disseny i la fabricació de pròtesis i ortopròtesis específiques a una patologia o necessitat determinada.
  • CG4 - Resoldre problemes amb iniciativa, presa de decisions, creativitat, raonament crític i de comunicació i transmissió de coneixements, habilitats i destreses en el camp de la Bioenginyeria.
  • CG7 - Analitzar i valorar l'impacte social i mediambiental de les solucions tècniques.
  • CT2 - Tenir capacitat per relacionar el benestar amb la globalització i la sostenibilitat; aconseguir habilitats per utilitzar de forma equilibrada i compatible la tècnica, la tecnologia, l'economia i la sostenibilitat
  • CT3 - Saber comunicar-se de forma oral i escrita amb altres persones sobre els resultats de l'aprenentatge, de l'elaboració del pensament i de la presa de decisions; participar en debats sobre temes de la pròpia especialitat
  • CT5 - Realitzar un ús solvent dels recursos d'informació. Gestionar l'adquisició, l'estructuració, l'anàlisi i la visualització de dades i informació en l'àmbit d'especialitat i valorar de forma crítica els resultats d'aquesta gestió.

Resultats d'aprenentatge

Al final del curs, l'alumne:

  • Coneix els fonaments de ciència, tecnologia i química de materials. Comprèn la relació entre la microestructura, la síntesi o processament i les propietats dels materials.
  • Destria i relaciona l'estructura dels materials amb les seves propietats i aplicacions.
  • Interioritza, comprèn i dóna explicacions relatives a la selecció de materials, el seu conformat, el seu tractament, recobriments i maneres d'ús.
  • Selecciona el material més adequat per a cada aplicació en Enginyeria.
  • Redacta informes tècnics i fa exposicions orals tècniques relacionades amb aquests.
  • Troba informació útil i la utilitza de manera autònoma. Aprèn a dissenyar materials amb requeriments específics que puguin mimetitzar els teixits del cos humà.
  • Aprèn els possibles camps d'actuació dels bioenginyers fora de l'àmbit mèdic.

Continguts


  1. Introducció a les propietats elèctriques dels materials. Llei d'Ohm i conductivitat elèctrica. Conductors, aïllants i dielèctrics. Conductivitat de metalls i aliatges. Semiconductors intrínsecs i extrínsecs. Dependència de la conductivitat amb la temperatura. Materials superconductors. Piezoelectricitat i ferroelectricitat.
  2. Introducció a les propietats magnètiques dels materials. Efecte de la temperatura en el comportament magnètic. Magnetització, permeabilitat i camp magnètic. Dominis magnètics i cicle d'histèresi. Classificació dels materials magnètics: materials magnètics tous i duros. Materials diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnètic, ferrimagnètics i superparamagnéticos. La temperatura de Curie. Materials magnètics metàl·lics i ceràmics.
  3. Introducció a les propietats òptiques dels materials. L'espectre electromagnètic. Interacció de la llum amb els sòlids. Propietats òptiques dels metalls i no metalls. Refracció, absorció, reflexió i transmissió de la llum. Color. Luminescència. Opacitat i transparència dels aïllants.
  4. Introducció a les propietats tèrmiques dels materials. Capacitat calorífica i calor específica. Dilatació tèrmica. Conductivitat tèrmica. Esforços tèrmics. Xoc tèrmic.

  1. Materials metàl•lics. Diagrames de fases. Sistemes d'un component. Sistemes de dos components.
  2. Aliatges ferrosos. Acers al carboni. Acers inoxidables. Diagrama de fase ferro-carbur de ferro i desenvolupament de microestructures en els acers. Influència d'altres elements d'aliatge. Tractament tèrmic dels acers al carboni.
  3. Aliatges no ferrosos. Aliatges lleugers: aliatges d'alumini, magnesi, beril·li i titani. Aliatges de coure, níquel, cobalt i zinc.
  4. Introducció als materials ceràmics. Estructura de les ceràmiques. Propietats generals i aplicacions de les ceràmiques. Ceràmica tradicional. Ceràmiques avançades o tècniques: òxids, silicats, carburs i nitrurs. Fosfats de calci. Zeolites i materials mesoporosos. Vidres i fibres de vidre. Vitroceràmiques. Materials de base carboni: materials grafítics i fibres de carboni.
  5. Introducció als materials composts. Estructura, propietats i aplicacions dels plàstics reforçats. Constituents del material compost: matriu i fase dispersa. Classificació dels materials composts. Materials composts de matriu metàl·lica. Materials composts de matriu ceràmica. Materials composts reforçats amb fibres i amb partícules. Materials compostos laminars. Estructures tipus sandvitx.

  1. Materials funcionals. Classificació funcional dels materials. Vidres i escumes metàl·liques.
  2. Materials intel·ligents. Aliatges amb memòria de forma.
  3. Materials híbrids. Materials biomiméticos i bioactivos.
  4. Introducció als nanomaterials. Nanomaterials de base carboni: Fullerenos, nanotubos de carboni i grafè.

  1. La vida del material. El procés de disseny. Etapes del procés de disseny: Translació, filtrat, classificació i documentació.
  2. El procés de selecció de materials. Relació de la selecció de materials amb el disseny.
  3. Relació de les propietats dels materials amb la seva estructura. Condicions de servei.

  1. Consideracions econòmiques en la selecció de materials. Disseny dels components. Economia dels materials. Estimació de costos amb GRANTA EduPack.
  2. Consideracions mediambientals en la selecció de materials. Aspectes del reciclatge en la ciència i enginyeria de materials. Bioplásticos. Anàlisi de cicle de vida (ACV). Eco Audit amb GRANTA EduPack: Energia embeguda i petjada de carboni. Ecodisseny. Introducció al programari lliure OpenLCA. Casos reals d'ecodisseny.

  1. Gestió de la informació i presa de decisions en selecció de materials. Funcions, objectius i restriccions.
  2. Bases de dades sobre propietats dels materials: MatWeb.
  3. Gràfics de Ashby. Disseny limitat per les propietats dels materials.
  4. Programari comercial: GRANTA EduPack.
  5. Índex de funcionament del material.
  6. Casos pràctics de selecció de materials: Pròtesi total de maluc i àncores de sutura.

Metodologia i activitats formatives

Modalitat totalment presencial a l'aula



Utilitzem metodologies docents actives en grups reduïts com són el mètode del cas, l'aprenentatge basat en problemes (ABP), la simulació per ordinador, la gamificació a l'aula, la flipped classroom, la Peer Instruction, etc. Les classes de teoria seran d'introducció als diferents temes tractats, per a posar a l'abast de l'alumne tot el relacionat amb els materials d'ús en bioenginyeria considerats avançats. Les classes considerades pràctiques seran eminentment resolució de problemes i estudi de casos pràctics de selecció i aplicació de materials avançats en l'àmbit de la bioenginyeria. Les pràctiques seran de cerca d'informació i d'aplicacions dels materials considerats com avançats.

En les classes de teoria i pràctiques es tendirà a l'ús de les tecnologies de la informació i la comunicació (TIC), com els mitjans audiovisuals (vídeos, presentacions d'ordinador,…), quan això millora la claredat de l'exposició en classe, i es promourà l'ús del campus virtual en Moodle com mig principal per a gestionar el treball dels alumnes, comunicar-se amb ells, distribuir material d'estudi, etc. En el transcurs de l'assignatura es plantejarà a l'alumnat la realització de les següents activitats formatives:

Aprenentatge entre iguals (Peer Instruction) – Preguntes curtes llançades pel professor al principi o final de la classe virtual o presencial sobre el tema que s'estigui tractant en l'assignatura en aquest moment a les quals els estudiants han de respondre individualment a través d'un fòrum de Pregunta i Resposta (PiR) avaluable habilitat per a això en Moodle, de tal manera que entre els alumnes construeixin cooperativament la resposta correcta a la pregunta curta (que podrà caure en l'examen de l'assignatura) – el professor assenyalarà les respostes d'aquells alumnes que siguin encertades i això els permetrà sumar punts de cara a l'avaluació de la participació activa.

Modelització (Do it yourself – DIY) – Construcció de maquetes i models en grup, durant una classe presencial pràctica tipus seminari, que permetin als estudiants aprendre fent (com una galleda de materials) en una metodologia d'aprenentatge tipus Llec Serious Play. Una vegada construïda la maqueta o el model, es demanarà als estudiants que utilitzin aquest model o maqueta per a realitzar alguna activitat que els permeti aprofundir en el coneixement de la tecnologia, tècnica o material modelitzada seguint un guió facilitat pel professor.

Cerca del tresor (Foment de la lectura) – Dividir la classe presencial en dos grups, cadascun amb un portaveu que es desplaci a la biblioteca a buscar un llibre que indiqui el professor (diferent per a cada grup), de tal manera que cadascun dels grups busqui una sèrie de dades o explicacions sol·licitades pel professor en el llibre indicat i construeixi cooperativament un document amb aquestes dades i explicacions tretes del llibre i que lliurar, a través del portaveu, via tasca de Moodle, al professor al final de la classe. El professor donarà punts de participació activa en l'avaluació de l'assignatura al grup que el faci millor.

Classes invertides (Flipped Classroom) – El professor penjarà en el Moodle l'enllaç a un vídeo de Youtube sobre algun aspecte del temari de l'assignatura que els alumnes visualitzaran o bé com a deures a casa abans de la classe corresponent no presencial o bé durant el descans de la classe presencial projectant-lo en la pantalla de classe. Després de la visualització del vídeo, el professor proposarà als alumnes realitzar un quiz a través d'una eina com Socrative o Kahoot utilitzant els seus mòbils, tauletes o ordinadors per a comprovar l'assimilació dels conceptes tractats en el vídeo. El professor donarà punts de participació activa en l'assignatura als estudiants que responen correctament i més ràpidament a les preguntes del quiz.

Resolució de problemes i casos pràctics – Realitzar en classe exercicis numèrics d'aplicació pràctica de les lleis, equacions i conceptes vists en teoria, tant per part del professor com per part dels alumnes en paper i en la pissarra. També es penjarà del Moodle un butlletí de problemes addicionals perquè l'alumne pugui entrenar per a la part pràctica dels exàmens. El lliurament del butlletí de problemes al professor a través d'una tasca de Moodle en el termini estipulat, així com sortir voluntari a resoldre problemes en la pissarra puntuarà en l'avaluació de la participació activa en l'assignatura. Realitzar exercicis de simulació i casos pràctics, podent utilitzar per a això el programari de selecció de materials CES EduPack, de manera individual o en grup (triant un portaveu) en classe pràctica o de seminari. Les evidències de la realització dels casos pràctics i exercicis de simulació es recolliran a través d'un portafolis en Moodle.

Sistemes i criteris d'avaluació

Modalitat totalment presencial a l'aula



L'estructuració de l'assignatura en sessions teòriques i pràctiques comporta l'avaluació dels coneixements i de les competències adquirides de manera diferenciada i alhora complementària. En el cas dels continguts de les sessions teòriques, seran avaluats en una prova parcial i en una prova final, totes dues escrites i que tindran en compte tant la capacitat de relacionar els continguts dels diferents temes de manera transversal, com el desenvolupament del pensament propi. Pel que fa a la part pràctica de l'assignatura, l'avaluació serà continuada, considerant-se els següents aspectes amb diferent pes relatiu:participació activa a classe, treball final de curs i la seva avaluació per parells, pràctiques de laboratori i debat després de la lectura de la bibliografia complementària. Perquè les dues parts de l'assignatura puguin fer mitjana i obtenir així la qualificació final de l'assignatura serà necessari que s'aprovin independentment.

La qualificació de l'alumne serà:

 

1ª convocatòria

 

Tipus d'avaluació

Sistema d'avaluació

Ponderació

Avaluació sumativa

Examen Final

30 %

Avaluació sumativa

Examen Parcial

25 %

Avaluació formativa

Debat - mètodes selecció materials

15 %

Avaluació formativa

Exposició oral - materials 2030 roadmap

15 %

Avaluació diagnòstica Test d'autoavaluació 0 %
Avaluació autèntica Deures 15 %

 

 

 


 

 

 

  2ª convocatòria

 

Tipus d'avaluació

Sistema d'avaluació

Ponderació

Avaluació sumativa

Examen Final

70 %

Avaluació formativa

Debat - mètodes selecció materials

15 %

Avaluació formativa

Exposició oral - materials roadmap 2030

15 %

Avaluació diagnòstica Test d'autoavaluació 0 %
     


 

 

 

Consideracions importants:

  1. Plagi, copiar o qualsevol altra acció que es pugui considerar trampa suposarà un zero en aquest apartat d'avaluació. Realitzar-en els exàmens suposarà el suspens immediat de l'assignatura.
  2. En segona convocatòria no es podrà obtenir la qualificació de "Matrícula d'Honor", de manera que la qualificació màxima serà de "Excel·lent".
  3. No s'acceptaran canvis en el calendari, dates d'exàmens o en el sistema d'avaluació.
  4. Els estudiants d'intercanvi (Erasmus i d'altres) o repetidors estaran sotmesos a les mateixes condicions que la resta de l'alumnat.
  5. L' assistència a classe de l' assignatura és obligatòria. — 3 faltes d' assistència registrades pel professor i no justificables davant la secretària del grau suposen el suspens immediat de l' assignatura en primera convocatòria.
  6. No es podrà entrar a classe 10 minuts després de començada la lliçó (ni sortir) tret de causa justificada.

Bibliografia i recursos

(1). Callister, W. D., Rethwisch, D. (2016). Ciencia e ingeniería de los materiales. Reverte.

(2). Smith, W. (2014). Fundamentos de la ciencia e ingenieria de materiales. McGraw-Hill Interamericana.

(3). Puértolas Ráfales, J. A., Ríos Jordana, R., Castro Corella, M. (2016). Tecnología de los materiales en ingeniería, Volumen 1. Sintesis.

(4). Puértolas Ráfales, J. A., Ríos Jordana, R., Castro Corella, M.  (2016). Tecnología de los materiales en ingeniería, Volumen 2. Sintesis.

(5). Ashby, M. F., Shercliff, H., Cebon, D. (2019). Materials: Engineering, Science, Processing and Design. Butterworth-Heinemann/Elsevier.

(6). Montes Martos, J. M., Gómez Cuevas, F., Cintas Físico, J. (2014). Ciencia e ingeniería de los materiales. Ediciones Paraninfo, S.A.

(7). Farag, M. M. (2020). Materials and Process Selection for Engineering Design. CRC Press.

(8). Askeland, D. R., Wright, W. J. (2022). Ciencia e Ingenieria de Materiales. Cengage Learning.

Període d'avaluació

E: data d'examen | R: data de revisió | 1: primera convocatòria | 2: segona convocatòria:
  • E1 11/01/2023 A14 13:00h