Universitat Internacional de Catalunya

Materiales Avanzados y Selección de Materiales

Materiales Avanzados y Selección de Materiales
6
12484
2
Primer semestre
OB
FORMACIÓN AVANZADA
MATERIALES II
Lengua de impartición principal: castellano

Otras lenguas de impartición: catalán, inglés

Profesorado


Las citas para tutorías presenciales, tanto para resolver dudas sobre aspectos teóricos o prácticos de la asignatura como para preparar los trabajos individuales se organizan mediante el correo electrónico ecastro@uic.es / xavier.gil@uic.cat, dando prioridad a las consultas en las horas convenidas con el profesor al comienzo del curso académico (Miércoles de 9:00 a 10:00).

Presentación

Las innovaciones tecnológicas a menudo son consecuencia del uso inteligente de materiales avanzados, pero también muchos desastres en bioingeniería están causados por un mal uso de los mismos. Por ello es vital que el bioingeniero profesional conozca cómo se seleccionan los materiales y sepa cuáles se ajustan a las demandas de un diseño en particular; es decir, demandas económicas, estéticas, medioambientales, normativas, de resistencia o de durabilidad. El bioingeniero debe comprender las propiedades de los materiales y sus limitaciones.

Requisitos previos

Asignaturas de Materiales, Biomateriales y biocompatibilidad.

Objetivos

  • Conocer materiales avanzados con aplicaciones especiales en el área de la bioingeniería.
  • Fomentar una actitud positiva y abierta hacia los nuevos materiales.
  • Comprender los principios básicos involucrados en la selección de materiales estableciendo metodologías (diseño, costes, funcionalidad, papel de las especificaciones, calidad demanda por la industria) que permiten realizar la selección del material idóneo para cada aplicación en particular.

Competencias

  • CB2 - Que los estudiantes sepan aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y posean las competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de su área de estudio
  • CB3 - Que los estudiantes tengan la capacidad de reunir e interpretar datos relevantes (normalmente dentro de su área de estudio) para emitir juicios que incluyan una reflexión sobre temas relevantes de índole social, científica o ética
  • CB4 - Que los estudiantes puedan transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado
  • CE17 - Ser capaz de identificar los conceptos de la ingeniería que se pueden aplicar en el campo de la biología y de la salud.
  • CE19 - Saber escoger y aplicar un material a partir de sus propiedades y comportamiento eléctrico, magnético, mecánico y químico.
  • CE6 - Integrar los fundamentos de ciencia, tecnología de materiales, teniendo en cuenta la relación entre la microestructura, la síntesis o procesado y las propiedades de los materiales.
  • CE9 - Aplicar los fundamentos básicos de la elasticidad y resistencia de materiales al comportamiento de sólidos reales.
  • CG1 - Desarrollar proyectos en los ámbitos de la Bioingeniería que tengan por objeto la concepción, el diseño y la fabricación de prótesis y ortoprótesis específicas a una patología o necesidad determinada.
  • CG4 - Resolver problemas con iniciativa, toma de decisiones, creatividad, razonamiento crítico y de comunicación y transmisión de conocimientos, habilidades y destrezas en el campo de la Bioingeniería.
  • CG7 - Analizar y valorar el impacto social y medioambiental de las soluciones técnicas.
  • CT2 - Tener capacidad para relacionar el bienestar con la globalización y la sostenibilidad; lograr habilidades para utilizar de forma equilibrada y compatible la técnica, la tecnología, la economía y la sostenibilidad.
  • CT3 - Saber comunicarse de forma oral y escrita con otras personas sobre los resultados del aprendizaje, de la elaboración del pensamiento y de la toma de decisiones; participar en debates sobre temas de la propia especialidad
  • CT5 - Realizar un uso solvente de los recursos de información. Gestionar la adquisición, la estructuración, el análisis y la visualización de datos e información en el ámbito de especialidad y valorar de forma crítica los resultados de dicha gestión.

Resultados de aprendizaje

Al final del curso, el alumno:

  • Conoce los fundamentos de ciencia, tecnología y química de materiales.
  • Comprende la relación entre la microestructura, la síntesis o procesado y las propiedades de los materiales.
  • Discierne y relaciona la estructura de los materiales con sus propiedades y aplicaciones.
  • Interioriza, comprende y da explicaciones relativas a la selección de materiales, su conformado, su tratamiento, recubrimientos y modos de uso.
  • Selecciona el material más adecuado para cada aplicación en Ingeniería.
  • Redacta informes técnicos y hace exposiciones orales técnicas relacionadas con los mismos.
  • Encuentra información útil y utilizarla de forma autónoma.
  • Aprende a diseñar materiales con requerimientos específicos que puedan mimetizar los tejidos del cuerpo humano.
  • Aprende los posibles campos de actuación de los bioingenieros fuera del ámbito médico.

Contenidos


  1. Introducción a las propiedades eléctricas de los materiales. Ley de Ohm y conductividad eléctrica. Conductores, aislantes y dieléctricos. Conductividad de metales y aleaciones. Semiconductores intrínsecos y extrínsecos. Dependencia de la conductividad con la temperatura. Materiales superconductores. Piezoelectricidad y ferroelectricidad.
  2. Introducción a las propiedades magnéticas de los materiales. Efecto de la temperatura en el comportamiento magnético. Magnetización, permeabilidad y campo magnético. Dominios magnéticos y ciclo de histéresis. Clasificación de los materiales magnéticos: materiales magnéticos blandos y duros. Materiales diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnético, ferrimagnéticos y superparamagnéticos. La temperatura de Curie. Materiales magnéticos metálicos y cerámicos.
  3. Introducción a las propiedades ópticas de los materiales. El espectro electromagnético. Interacción de la luz con los sólidos. Propiedades ópticas de los metales y no metales. Refracción, absorción, reflexión y transmisión de la luz. Color. Luminiscencia. Opacidad y transparencia de los aislantes.
  4. Introducción a las propiedades térmicas de los materiales. Capacidad calorífica y calor específico. Dilatación térmica. Conductividad térmica. Esfuerzos térmicos. Choque térmico.

  1. Estructura de las aleaciones metálicas. Interpretación de los diagramas de fase. Fases. Diagrama de fase de un componente. Límite de solubilidad. Diagrama de fase de dos componentes. El sistema hierro-carbono. Reacciones invariantes: eutectoide y peritéctica. Regla de la palanca. Diagramas de fase ternarios.
  2. Aleaciones ferrosas. Aceros al carbono. Aceros inoxidables. Diagrama de fase hierro-carburo de hierro y desarrollo de microestructuras en los aceros. Influencia de otros elementos de aleación. Tratamiento térmico de los aceros al carbono.
  3. Aleaciones no ferrosas. Aleaciones ligeras: aleaciones de aluminio, magnesio, berilio y titanio. Aleaciones de cobre, níquel, cobalto y zinc.
  4. Introducción a los materiales cerámicos. Estructura de las cerámicas. Propiedades generales y aplicaciones de las cerámicas. Cerámica tradicional. Cerámicas avanzadas o técnicas: óxidos, silicatos, carburos y nitruros. Fosfatos de calcio. Zeolitas y materiales mesoporosos. Vidrios y fibras de vidrio. Vitrocerámicas. Materiales de base carbono: materiales grafíticos y fibras de carbono.
  5. Introducción a los materiales compuestos. Estructura, propiedades y aplicaciones de los plásticos reforzados. Constituyentes del material compuesto: matriz y fase dispersa. Clasificación de los materiales compuestos. Materiales compuestos de matriz metálica. Materiales compuestos de matriz cerámica. Materiales compuestos reforzados con fibras y con partículas. Materiales compuestos laminares. Estructuras tipo sándwich.

  1. Materiales funcionales. Clasificación funcional de los materiales. Vidrios y espumas metálicas.
  2. Materiales inteligentes. Aleaciones con memoria de forma.
  3. Materiales híbridos. Materiales biomiméticos y bioactivos.
  4. Introducción a los nanomateriales. Nanomateriales de base carbono: Fullerenos, nanotubos de carbono y grafeno.

  1. La vida del material. El proceso de diseño. Etapas del proceso de diseño: Translación, filtrado, clasificación y documentación.
  2. El proceso de selección de materiales. Relación de la selección de materiales con el diseño.
  3. Relación de las propiedades de los materiales con su estructura. Condiciones de servicio.

  1. Consideraciones económicas en la selección de materiales. Diseño de los componentes. Economía de los materiales. Estimación de costes con GRANTA EduPack.
  2. Consideraciones medioambientales en la selección de materiales. Aspectos del reciclaje en la ciencia e ingeniería de materiales. Bioplásticos. Análisis de ciclo de vida (ACV). Eco Audit con GRANTA EduPack: Energía embebida y huella de carbono. Ecodiseño. Introducción al software libre OpenLCA. Casos reales de ecodiseño.

  1. Gestión de la información y toma de decisiones en selección de materiales. Funciones, objetivos y restricciones.
  2. Bases de datos sobre propiedades de los materiales: MatWeb.
  3. Gráficos de Ashby. Diseño limitado por las propiedades de los materiales.
  4. Software comercial: GRANTA EduPack.
  5. Índice de funcionamiento del material.
  6. Casos prácticos de selección de materiales: Prótesis total de cadera y anclajes de sutura

Metodología y actividades formativas

Modalidad totalmente presencial en el aula



Utilizamos metodologías docentes activas en grupos reducidos como son el método del caso, el aprendizaje basado en problemas (ABP), la simulación por ordenador, la gamificación en el aula, la flipped classroom, la Peer instruction, etc. Las clases de teoría serán de introducción a los diferentes temas tratados, para poner al alcance del alumno todo lo relacionado con los materiales de uso en bioingeniería considerados avanzados. Las clases consideradas prácticas serán eminentemente resolución de problemas y estudio de casos prácticos de selección y aplicación de materiales avanzados en el ámbito de la bioingeniería. Las prácticas serán de búsqueda de información y de aplicaciones de los materiales considerados como avanzados.

En las clases de teoría y prácticas se tenderá al uso de las tecnologías de la información y la comunicación (TIC), como los medios audiovisuales (videos, presentaciones de ordenador,…), cuando ello mejora la claridad de la exposición en clase, y se promoverá el uso del campus virtual en Moodle como medio principal para gestionar el trabajo de los alumnos, comunicarse con ellos, distribuir material de estudio, etc. En el transcurso de la asignatura se planteará al alumnado la realización de las siguientes actividades formativas:

Aprendizaje entre iguales (Peer Instruction) – Preguntas cortas lanzadas por el profesor al principio o final de la clase virtual o presencial sobre el tema que se esté tratando en la asignatura en ese momento a las que los estudiantes deben responder individualmente a través de un foro de Pregunta y Respuesta (PyR) evaluable habilitado para ello en Moodle, de tal manera que entre los alumnos construyan cooperativamente la respuesta correcta a la pregunta corta (que podrá caer en el examen de la asignatura) – el profesor señalará las respuestas de aquellos alumnos que sean acertadas y ello les permitirá sumar puntos de cara a la evaluación de la participación activa. Algunas de estas preguntas cortas podrán ser materia de evaluación en cualquiera de los exámenes de la asignatura.

Modelización (Do it yourself – DIY) – Construcción de maquetas y modelos en grupo, durante una clase presencial práctica tipo seminario, que permitan a los estudiantes aprender haciendo (como un cubo de materiales) en una metodología de aprendizaje tipo Lego Serious Play. Una vez construida la maqueta o el modelo, se pedirá a los estudiantes que utilicen ese modelo o maqueta para realizar alguna actividad que les permita profundizar en el conocimiento de la tecnología, técnica o material modelizado siguiendo un guión facilitado por el profesor.

Búsqueda del tesoro (Fomento de la lectura) – Dividir la clase presencial en dos grupos, cada uno con un portavoz que se desplace a la biblioteca a buscar un libro que indique el profesor (distinto para cada grupo), de tal manera que cada uno de los grupos busque una serie de datos o explicaciones solicitadas por el profesor en el libro indicado y construya cooperativamente un documento con esos datos y explicaciones sacadas del libro y que entregar, a través del portavoz, vía tarea de Moodle, al profesor al final de la clase. El profesor dará puntos de participación activa en la evaluación de la asignatura al grupo que lo haga mejor.

Clases invertidas (Flipped Classroom) – El profesor colgará en el Moodle el enlace a un video de Youtube sobre algún aspecto del temario de la asignatura que los alumnos visualizarán o bien como deberes en casa antes de la clase correspondiente no presencial o bien durante el descanso de la clase presencial proyectándolo en la pantalla de clase. Tras la visualización del video, el profesor propondrá a los alumnos realizar un quiz a través de una herramienta como Socrative o Kahoot utilizando sus móviles, tabletas u ordenadores para comprobar la asimilación de los conceptos tratados en el video. El profesor dará puntos de participación activa en la asignatura a los estudiantes que responden correctamente y más rápidamente a las preguntas del quiz.

Resolución de problemas y casos prácticos – Realizar en clase ejercicios numéricos de aplicación práctica de las leyes, ecuaciones y conceptos vistos en teoría, tanto por parte del profesor como por parte de los alumnos en papel y en la pizarra. También se colgará del Moodle un boletín de problemas adicionales para que el alumno pueda entrenar para la parte práctica de los exámenes. La entrega del boletín de problemas al profesor a través de una tarea de Moodle en el plazo estipulado, así como salir voluntario a resolver problemas en la pizarra puntuará en la evaluación de la participación activa en la asignatura. Realizar ejercicios de simulación y casos prácticos, pudiendo utilizar para ello el software de selección de materiales CES EduPack, de forma individual o en grupo (eligiendo un portavoz) en clase práctica o de seminario. Las evidencias de la realización de los casos prácticos y ejercicios de simulación se recogerán a través de un portfolio en Moodle.

Sistemas y criterios de evaluación

Modalidad totalmente presencial en el aula



La estructuración de la asignatura en sesiones teóricas y prácticas comporta la evaluación de los conocimientos y de las competencias adquiridas de manera diferenciada y a la vez complementaria. En el caso de los contenidos de las sesiones teóricas serán evaluados en una prueba parcial y en una prueba final, ambas escritas y que tendrán en cuenta tanto la capacidad de relacionar los contenidos de los diferentes temas de manera transversal, como el desarrollo del pensamiento propio. Por lo que se refiere a la parte práctica de la asignatura, la evaluación será continuada, considerándose los siguientes aspectos con diferente peso relativo: participación activa en clase, trabajo final de curso y su evaluación por pares, prácticas de laboratorio y debate tras la lectura de la bibliografía complementaria. Para que ambas partes de la asignatura puedan hacer media y obtener así la calificación final de la asignatura será necesario que se aprueben independientemente.

 

La calificación del alumno será:

 

1ª convocatoria

 

Tipo de evaluación

Sistema de evaluación

Ponderación

Evaluación sumativa

Examen Final

30 %

Evaluación sumativa

Examen Parcial

25 %

Evaluación formativa

Debate - Métodos de selección de materiales

15 %

Evaluación formativa

Exposición oral - Materials 2030 roadmap

15 %


Evaluación diagnóstica

Test de autoevaluación

0 %


Evaluación auténtica

Deberes

15 %


 

 


 

 


2ª convocatoria

 

Tipo de evaluación

Sistema de evaluación

Ponderación

Evaluación sumativa

Examen Final

70 %

Evaluación formativa

Debate - Métodos de selección de materiales

15 %

Evaluación formativa

Exposición oral - Materials 2030 roadmap

15 %

     
     
     


Consideraciones importantes:

  1. Plagio, copiar o cualquier otra acción que se pueda considerar trampa supondrá un cero en ese apartado de evaluación. Realizarlo en los exámenes supondrá el suspenso inmediato de la asignatura.
  2. En segunda convocatoria no se podrá obtener la calificación de "Matrícula de Honor", por lo que la calificación máxima será de "Excelente". 
  3. No se aceptarán cambios en el calendario, fechas de exámenes o en el sistema de evaluación.
  4. Los estudiantes de intercambio (Erasmus y otros) o repetidores estarán sometidos a las mismas condiciones que el resto del alumnado.
  5. La asistencia a clase de la asignatura es obligatoria. 3 faltas de asistencia registradas por el profesor y no justificables ante la secretaria del grado suponen el suspenso inmediato de la asignatura en primera convocatoria.
  6. No se podrá entrar en clase 10 minutos después de comenzada la lección (ni salir) salvo causa justificada.

Bibliografía y 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.

Periodo de evaluación

E: fecha de examen | R: fecha de revisión | 1: primera convocatoria | 2: segunda convocatoria:
  • E1 11/01/2023 A14 13:00h