Cómo elegir el material adecuado con los diagramas de Ashby

La simplicidad de los diagramas de Ashby

Gracias a su simplicidad, los diagramas de Ashby son un excelente apoyo para una elección racional de material con el que desea realizar sus piezas.

un ejemplo práctico

Consideremos un problema de diseño en el que se le solicita un componente ligero y rígido al mismo tiempo (por ejemplo, el cuadro de una bicicleta urbana normal).
Comencemos con el diagrama “Módulo de Young” / “Densidad” y dibujemos 2 líneas que nos permitan resaltar solo los materiales que se ajustan a nuestras necesidades.

Primeras observaciones

1. Los valores de los módulos de Young para los polímeros son bajos (tienen baja rigidez), por lo que parece que la mayoría de los polímeros no se pueden utilizar.
2. Se pueden considerar algunos metales, cerámicas y maderas, por lo que los compuestos parecen ser la mejor opción.

Pero digamos que es poco probable que el análisis de tan solo 2 propiedades sea suficiente para la elección de un material, por tanto: ¿qué otras propiedades es importante comparar antes de escoger?
Vamos a tener en cuenta un segundo diagrama que relaciona "tenacidad" y "coste" ya que una "bicicleta normal de la ciudad" no puede costar demasiado.

¿Qué podemos observar una vez llegados a este punto?

1. La tenacidad de la cerámica es suficiente solo para la carga de compresión, pero insuficiente tanto en tensión como en flexión.
2. La madera no es lo suficientemente fuerte, mientras que los materiales compuestos pueden ser demasiado caros.
3. Como conclusión, podemos afirmar con seguridad que los metales ofrecen el mejor rendimiento general

Una vez que hemos identificado una clase potencial de materiales (en este caso metales), debemos decidir cuáles de esta categoría son los mejores.
Ahora nos preguntamos: ¿qué metal?
Podemos reutilizar el primer diagrama simplemente llenando de materiales el conjunto de "metales y aleaciones":

¿Qué reflexiones podemos hacer?

1. Algunos metales parecen muy buenos en cuanto a ligereza y rigidez, como el magnesio, el aluminio y el titanio, mientras que otros, como el plomo, se descartan claramente.
2. Los aceros son pesados, pero también muy rígidos.

Entonces, ¿qué metal elegimos?

Dada la alta resistencia y su coste relativamente bajo, podemos afirmar que el acero podría ser la mejor opción.

Obviamente esto no significa que el acero sea el mejor material para el cuadro de cualquier bicicleta. De hecho, dependiendo de sus usos, se podría optar por fibra de carbono, aluminio o incluso madera como puede observar en la imagen lateral. Pero las "características de nuestro proyecto" requerían "una bicicleta urbana normal". Puede hacer una prueba comprobando la posición de estos otros materiales en los diagramas y verá que en relación con los costes u otros parámetros saldrá de lo que se puede definir como una bicicleta urbana normal.

Conclusiones finales

Resumamos lo que hemos aprendido sobre la selección de materiales.

1. Al comparar dos (o incluso más) diagramas, podrá evaluar rápidamente las propiedades necesarias que cumplan con los requisitos clave del diseño.
2. Los diagramas se pueden utilizar para identificar las mejores clases de materiales y luego examinarlas más detalladamente.

Aun así, hay muchos otros factores que se deben tener en cuenta, en especial los métodos de fabricación, el grosor y la forma de los componentes, las tolerancias y otros más. Digamos que la selección basada en los diagramas debe ser lo suficientemente amplia como para dejar un número suficiente de posibles opciones.
En definitiva, una buena manera de abordar el problema es utilizar las tablas para eliminar rápidamente los materiales que, sin duda, no funcionan y crear rápidamente un prototipo en lugar de tratar de identificar el mejor material individual de forma precipitada durante el proceso de diseño.

Las características de nuestro diseño decían claramente "bicicleta normal urbana", de lo contrario, habría sido fácil caer en la tentación de escoger la madera como en esta bonita selva.

Fuentes y lecturas adicionales:

Material selection from Wikipedia, the free encyclopedia https://en.wikipedia.org/wiki/Material_selection

Materials Selection for Mechanical Design.
Ashby Map for Stiffness-based and Strength-based Design: youtube video here

What is a Material Property Chart?
https://grantadesign.com/education/students/charts/