Come scegliere i materiali? I diagrammi di Ashby

La semplicità delle mappe di Ashby

Con la loro semplicità, le mappe di Ashby sono un eccellente supporto per una scelta ragionata del materiale con cui realizzare i tuoi pezzi.

un esempio pratico

Consideriamo un problema di progettazione in cui ti viene richiesto un componente leggero e rigido allo stesso tempo (ad esempio il telaio di una normale bici da città).
Cominciamo con la mappa “Modulo di Young”/“Densità” e disegniamo 2 linee che ci consentono di evidenziare solo i materiali che corrispondono alle nostre esigenze.

Prime osservazioni

1. I valori dei moduli di Young per i polimeri sono bassi (hanno una bassa rigidità), quindi la maggior parte dei polimeri sembra essere inutilizzabile.
2. Alcuni metalli, ceramiche e legni possono essere presi in considerazione, quindi i compositi sembrano la soluzione migliore.

Ma diciamo subito che è improbabile che l’analisi di sole 2 proprietà sia sufficiente per la scelta di un materiale, quindi: quali altre proprietà è importante confrontare prima di scegliere?
Consideriamo una seconda mappa, che mette in relazione “tenacità” e “costo”, perché una “normale bici da città” non può avere un prezzo eccessivo.

Cosa possiamo osservare a questo punto?

1. La tenacità della ceramica è sufficiente solo per il carico di compressione, ma è insufficiente sia in tensione che in flessione.
2. Il legno non è abbastanza resistente, mentre i compositi possono essere troppo costosi.
3. Possiamo concludere con sicurezza che i metalli sembrano fornire le prestazioni necessarie.

Una volta identificata una classe di materiali promettente (in questo caso i metalli), dobbiamo decidere quali membri di questa classe sono i migliori.
Quindi dobbiamo chiederci: quale metallo?
Possiamo riutilizzare la prima mappa semplicemente popolando di materiali l’insieme “metalli e leghe”:

Quali riflessioni possiamo fare?

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

Quindi quale metallo scegliamo?

 Data l’elevata resistenza e il costo relativamente basso, possiamo dire che l’acciaio potrebbe rappresentare il compromesso migliore.

Questo ovviamente non significa che l’acciaio sia assolutamente il miglior materiale per il telaio di qualsiasi bici. Infatti, a seconda degli usi, si potrebbe optare per la fibra di carbonio, l’alluminio o persino il legno, come si vede nell’immagine sottostante. Ma la nostra “specifica di progetto” richiedeva “una normale citybike”. Puoi fare un test controllando la posizione di questi altri materiali nelle mappe e vedrai che, per i costi o altri parametri, andrai al di fuori di ciò che può essere definito come una normale bici da città.

Conclusioni finali

Riassumiamo ciò che abbiamo imparato a conoscere sulla selezione dei materiali.

1. Confrontando due (o anche più) mappe, è possibile valutare rapidamente le proprietà necessarie per soddisfare i principali requisiti di progettazione.
2. I grafici possono essere utilizzati per identificare le migliori classi di materiali e per esaminare più dettagliatamente tali classi.

Vi sono ancora molti altri fattori da considerare, in particolare i metodi di fabbricazione, lo spessore e la forma del componente, le tolleranze e altro ancora. Diciamo che la selezione fatta dai grafici deve essere abbastanza ampia da mantenere aperto un numero sufficiente di opzioni.
In definitiva, un buon modo per affrontare il problema è utilizzare le tabelle per eliminare rapidamente i materiali che sicuramente non stanno andando bene e possibilmente per costruire rapidamente un prototipo. Questo è preferibile rispetto al cercare di identificare il materiale specifico troppo presto nel processo di progettazione.

Le nostre specifiche di design dicevano chiaramente “normale bici da città”, altrimenti sarebbe stato facile essere tentati dal legno come in questa bellissima Selva.

Fonti ed ulteriori letture

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/