Come scegliere i materiali?

La semplicità delle mappe di Ashby per scegliere il materiale migliore con rapidità e precisione.



Consideriamo un problema di progettazione in cui ti venga richiesto un componente leggero e rigido allo stesso tempo (ad esempio il telaio di una normale bici da passeggio).

Cominciamo con la mappa che vedete qui subito sotto che mette in relazione “modulo di Young”/”densità”.

Weerg

Prime osservazioni

  • I valori del modulo di Young per i polimeri sono bassi (hanno scarsa rigidità), quindi la maggior parte dei polimeri sembra non utilizzabile per il progetto della nostra bici.
  • Alcuni metalli, ceramiche e legni possono essere presi in considerazione, quindi apparentemente i compositi sembrano la soluzione migliore.

Diciamo però subito che è improbabile che l’analisi di 2 sole proprietà sia sufficiente per la scelta di un materiale, quindi: quali altre proprietà è importante confrontare prima di scegliere?

Consideriamo quindi ora una seconda mappa che mette in relazione “tenacità” o "resistenza meccanica" e “costo”.

mappa di ashby 2


Che cosa possiamo notare?

  • La tenacità della ceramica è sufficiente solo per il carico in compressione - ma è insufficiente sia in tensione che in flessione.
  • Il legno non è sufficientemente tenace mentre i compositi potrebbe essere troppo costosi.
  • Possiamo tranquillamente concludere che i metalli sembrano dare le prestazioni generali

Una volta individuata una promettente classe di materiali (in questo caso i metalli), dobbiamo decidere quali membri di questa classe siano i migliori


Per la nostra bici il metallo appare la soluzione migliore, ma quale metallo scegliere?

Tabelle di selezione possono essere utilizzati per selezionare tra i membri di una determinata classe popolando con i materiali principali. Ad esempio in questo caso possiamo fare questo per i metalli nel grafico rigidità-densità.

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Che cosa possiamo osservare?

  • Alcuni metalli sembrano molto buoni per leggerezza e rigidità come ad esempio il magnesio, alluminio, titanio, mentre altri sono chiaramente eliminati - ad esempio il piombo.
  • Gli acciai sono pesanti, ma anche molto rigidi.

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Quindi che metallo scegliamo?

Data la loro elevata resistenza ed il costo relativamente basso possiamo dire che gli acciai potrebbero rappresentare la soluzione migliore.

Questo naturalmente non vuol dire per nulla che l’acciaio sia in assoluto il materiale migliore per il telaio di qualsiasi bici, infatti a seconda degli utilizzi si potrebbe considerare la fibra di carbonio, l’alluminio o addirittura il legno come vedete nell’immagine qui a fianco; ma il nostro “design specification” richiedeva “una normale bici da passeggio”; fate una prova verificando la posizione di questi altri materiali nelle mappe e vedrete che con costi o altri parametri andrete al di fuori di quel che si può definire come una normale bici.


Conclusioni finali

Riassumiamo quello che abbiamo imparato a conoscere riguardo la selezione dei materiali.

  • Confrontando due (o anche più) mappe le proprietà necessarie per soddisfare i principali requisiti di progettazione possono essere valutate rapidamente.
  • I grafici possono essere utilizzati per individuare le migliori classi di materiali, e poi per guardare più in dettaglio all’interno di queste classi.

Ci sono molti altri fattori ancora da considerare, in particolare i metodi di fabbricazione, lo spessore e la forma del componente, le tolleranze ed altro. Diciamo che la selezione effettuata dai grafici deve essere lasciata abbastanza ampia per mantenere un numero sufficiente di opzioni aperte.

In definitiva un buon modo per affrontare il problema è quello di utilizzare le tabelle per eliminare rapidamente materiali che sicuramente non vanno bene ed eventualmente realizzare rapidamente un prototipo piuttosto che cercare di identificare il miglior materiale singolo troppo presto nel processo di progettazione.