Ashby Materials Engineering Science Processing And Design

Heeft u ooit nagedacht over de cruciale rol die materiaalkeuze speelt bij het ontwerpen van producten, van de eenvoudigste alledaagse voorwerpen tot de meest complexe technologische hoogstandjes? Vaak wordt materiaalkeuze over het hoofd gezien, maar een verkeerde materiaalkeuze kan leiden tot productiefouten, veiligheidsproblemen en onnodige kosten. Gelukkig biedt het raamwerk van Ashby Materials Engineering, Science, Processing and Design een systematische benadering om de juiste materialen te selecteren en optimaal te benutten.

Dit artikel is bedoeld om u, de ingenieur, ontwerper of zelfs de nieuwsgierige geest, een helder en praktisch overzicht te geven van Ashby's aanpak. We duiken in de kernprincipes, de voordelen en hoe u deze kunt toepassen om betere, duurzamere en kosteneffectievere producten te creëren.

Waarom Ashby? Een Strategische Benadering van Materiaalkeuze

Traditioneel werd materiaalkeuze vaak gebaseerd op ervaring, vuistregels en soms, eerlijk gezegd, gewoon op wat er beschikbaar was. Ashby's methode, gebaseerd op het werk van professor Michael Ashby, brengt hier verandering in door een wetenschappelijke en systematische aanpak te bieden. Het is meer dan alleen het opsommen van materiaaleigenschappen; het is een manier van denken die het gehele ontwerpproces integreert.

De kern van de Ashby-methodologie draait om het concept van "materials selection charts" (materiaal selectie diagrammen). Deze diagrammen zetten materiaaleigenschappen, zoals sterkte, dichtheid en kosten, grafisch tegen elkaar uit. Hierdoor kan een ontwerper snel en eenvoudig materialen identificeren die voldoen aan specifieke prestatie-eisen.

Denk bijvoorbeeld aan het ontwerpen van een lichte maar sterke fietsframe. De material selection charts helpen u om materialen te vergelijken op basis van hun specifieke sterkte (sterkte per eenheid gewicht) en stijfheid. U kunt dan snel zien welke materialen, zoals aluminiumlegeringen, titanium of koolstofvezelcomposieten, de beste compromis bieden tussen gewicht en prestaties.

De Voordelen in de Praktijk

Het toepassen van de Ashby-methodologie biedt tal van voordelen:

• Optimalisatie van Prestaties: U selecteert materialen die specifiek zijn afgestemd op de eisen van de toepassing, wat leidt tot betere prestaties en een langere levensduur van het product.
• Kostenbesparing: Door de juiste materialen te kiezen, vermijdt u overdimensionering en onnodige materiaalkosten. U kunt ook goedkopere alternatieven identificeren die nog steeds aan de prestatie-eisen voldoen.
• Innovatie: De systematische aanpak stimuleert het verkennen van nieuwe materialen en technologieën die traditioneel misschien over het hoofd werden gezien.
• Duurzaamheid: U kunt materialen selecteren die minder impact hebben op het milieu, bijvoorbeeld door te kiezen voor recyclebare materialen of materialen met een lage energie-inhoud.
• Risicobeperking: Door materialen te selecteren op basis van data en analyse, vermindert u het risico op productiefouten en recalls.

De Vier Stappen van Ashby's Methode: Een Praktisch Overzicht

De Ashby-methodologie is opgebouwd rond vier cruciale stappen:

Stap 1: Vertaling - Definieer de Ontwerpvereisten

Dit is de fundamentele stap. U moet nauwkeurig definiëren wat het product of de component moet doen. Dit omvat:

• Functie: Wat is de functie van het onderdeel? (Bijvoorbeeld: dragende structuur, afdichting, isolatie)
• Objectieven: Wat wilt u optimaliseren? (Bijvoorbeeld: gewicht, kosten, sterkte, duurzaamheid)
• Beperkingen: Welke beperkingen zijn er? (Bijvoorbeeld: maximale afmetingen, temperatuurbereik, chemische bestendigheid)
• Variabelen: Welke ontwerpvrijheid heeft u? (Bijvoorbeeld: materiaalkeuze, geometrie)

Voorbeeld: Stel u voor dat u een behuizing ontwerpt voor een draagbare elektronische apparaat. De functie is bescherming van de interne componenten. De objectieven zijn een laag gewicht, lage kosten en een aantrekkelijk uiterlijk. De beperkingen zijn maximale afmetingen en bestendigheid tegen stoten en krassen. De variabele is de materiaalkeuze.

Stap 2: Screening - Identificeer Geschikte Materialen

Met behulp van materials selection charts en databases (zoals de CES EduPack-database, ontwikkeld door Granta Design, nu onderdeel van Ansys) screent u een brede reeks materialen om degenen te identificeren die voldoen aan de gestelde eisen. U filtert de materialen op basis van de harde beperkingen die u in stap 1 hebt gedefinieerd.

Voor het voorbeeld van de behuizing: U zou materialen screenen op basis van hun sterkte, dichtheid en kosten. Materialen die te zwaar of te duur zijn, worden in deze fase geëlimineerd.

Stap 3: Ranking - Rangschik de Materialen op Basis van Prestatie-indices

Nu u een kleinere set materialen heeft, rangschikt u ze op basis van prestatie-indices. Een prestatie-index is een wiskundige combinatie van materiaaleigenschappen die de prestatie van een materiaal in een specifieke toepassing kwantificeert.

Voorbeeld: Voor de behuizing is een relevante prestatie-index de verhouding tussen sterkte en dichtheid (specifieke sterkte). Materialen met een hoge specifieke sterkte zijn lichter en sterker, wat ideaal is voor een draagbaar apparaat.

Het belangrijkste is hier om de juiste prestatie-index te kiezen. Dit vereist inzicht in de fysica van de toepassing.

Stap 4: Onderzoek - Diepgaand Onderzoek en Selectie

De laatste stap omvat een gedetailleerd onderzoek van de beste kandidaten. U bekijkt niet alleen de materiaaleigenschappen, maar ook factoren als de beschikbaarheid, verwerkbaarheid, levenscycluskosten en milieu-impact. U kunt ook prototypes maken en testen om de prestaties van de materialen in de praktijk te evalueren.

Voor de behuizing: U zou de beste kandidaten onderzoeken, zoals bepaalde soorten kunststoffen (polycarbonaat, ABS), aluminiumlegeringen of composieten. U zou rekening houden met de verwerkbaarheid (hoe gemakkelijk het materiaal te vormen is), de kosten van de productie, de slagvastheid en de krasbestendigheid. U zou ook prototypes kunnen maken om de prestaties in de praktijk te testen.

Ashby in Actie: Voorbeelden uit de Industrie

De Ashby-methodologie wordt in een breed scala aan industrieën toegepast:

• Automobielindustrie: Voor het ontwerpen van lichtere en brandstofzuiniger auto's, worden materialen zoals aluminium, magnesium en composieten steeds vaker gebruikt.
• Lucht- en Ruimtevaart: Voor het bouwen van vliegtuigen en ruimtevaartuigen met een hoge sterkte-gewichtsverhouding, worden materialen zoals titanium, koolstofvezelcomposieten en keramische matrixcomposieten gebruikt.
• Medische Industrie: Voor het ontwerpen van implantaten en medische apparatuur die biocompatibel en duurzaam zijn, worden materialen zoals titanium, roestvrij staal en polymeren gebruikt.
• Consumentenproducten: Voor het ontwerpen van producten die aantrekkelijk, duurzaam en kosteneffectief zijn, worden materialen zoals kunststoffen, metalen en glas gebruikt.

De key takeaway hier is dat de Ashby-methodologie niet beperkt is tot één specifieke industrie. Het is een universele aanpak die kan worden toegepast op elke toepassing waar materiaalkeuze van cruciaal belang is.

Implementatie van Ashby: Tips en Best Practices

Hier zijn enkele tips en best practices voor het implementeren van de Ashby-methodologie:

• Gebruik de juiste tools: Maak gebruik van softwarepakketten zoals CES EduPack om toegang te krijgen tot uitgebreide materiaaldatabases en selectie diagrammen.
• Betrek een multidisciplinair team: Betrek ingenieurs, ontwerpers, materiaalkundigen en productiemedewerkers bij het selectieproces.
• Documenteer uw beslissingen: Documenteer de redenen achter uw materiaalkeuzes, zodat u in de toekomst kunt leren van uw ervaringen.
• Blijf op de hoogte van nieuwe materialen: De materiaalkunde is een dynamisch vakgebied. Blijf op de hoogte van nieuwe materialen en technologieën.
• Denk aan de gehele levenscyclus: Houd rekening met de milieu-impact en de levenscycluskosten van materialen, inclusief productie, gebruik en recycling.

Onthoud: Materiaalkeuze is een iteratief proces. Wees bereid om uw keuzes te herzien en aan te passen op basis van nieuwe informatie en testresultaten.

Conclusie: Een Investering in Betere Producten

De Ashby-methodologie biedt een krachtig raamwerk voor het systematisch selecteren van materialen. Door de vier stappen van vertaling, screening, ranking en onderzoek te volgen, kunt u de prestaties van uw producten optimaliseren, de kosten verlagen, innovatie stimuleren en de duurzaamheid verbeteren.

Het is een investering in betere producten, een investering in de toekomst van uw bedrijf en een investering in een duurzamere wereld.

Klaar om de principes van Ashby toe te passen in uw volgende project? De tools en kennis zijn binnen handbereik. Begin vandaag nog met het ontwerpen van betere, slimmere en duurzamere producten.