Language
Country/Area
No result found
設計中的神奇公式：如何用材料指數提升你的產品表現？
材料選擇是設計任何實體物品過程中的一個重要步驟。在產品設計的背景下，材料選擇的主要目標是以最小成本實現產品性能目標。系統地選擇適合特定應用的最佳材料，首先要考慮候選材料的性能和成本。利用材料指數或性能指數，可以在很大程度上幫助進行材料選擇，這些指數與所需的材料性質是相關的。
例如，熱毯必須具備良好的隔熱性能，以最小化在特定溫度差下的熱傳導。
設計師必須全面了解材料的性能及其在工作條件下的行為。一些重要的材料特性包括：強度、耐用性、靈活性、重量、耐熱性和抗腐蝕性、可鑄性、可焊性或硬化性、可加工性以及電導率等。在當代設計中，可持續性成為了材料選擇的關鍵考量因素。隨著環保意識的提高，專業人士在決策過程中開始優先考慮生態影響、可回收性和全生命周期分析等因素。
材料選擇的挑戰
在需要多項標準的應用中，系統化選擇變得複雜。例如，當材料需要具備剛性與輕量特性時，對於一根棒材來說，高楊氏模數與低密度的組合顯示出最佳材料，而對於一個板材來說，板材的彎曲剛度通常與其厚度的立方成正比，因此可以用厚度的立方根除以密度來作為最佳指標。與此同樣考慮，「剛性」與「輕質」的需求，如果要應對張力負荷的棒材，則應考慮比率，將模數除以密度。
現實往往存在局限性，因此必須考慮實用性因素。理想材料的成本，根據形狀、大小和成分等因素，可能是過高的。
Ashby 圖與成本考量
Ashby 圖是由劍橋大學的邁克爾·阿什比命名的散點圖，顯示了多種材料或材料類別的兩個或多個屬性。這些圖對於比較不同性能之間的比率非常有用。在材料選擇中，成本佔據了非常重要的角色。最直觀的做法是為材料屬性開發一個貨幣度量標準，例如，生命周期評估可以顯示出降低一輛車重量 1 公斤的淨現值約為 5 美元。
對於商用飛機，這一數字接近 450 美元/公斤，而對於航天器，發射成本約 20,000 美元/公斤，因此這些因素主導了選擇決策。隨著能源價格的上漲和技術的進步，汽車逐漸以輕量化的鎂和鋁合金取代鋼材，飛機則用碳纖維增強塑料和鈦合金取代鋁等材料。
Ashby 圖的應用方法
利用 Ashby 圖是選擇適當材料的常見方法。首先需要確定三組不同的變數：材料變數、自由變數和設計變數。材料變數是材料的固有屬性，而自由變數是指隨著載荷循環可變的量，例如施加的力量。設計變數則是對設計的限制，例如梁的厚度或梁的最大撓度。
對於這些變數，我們需要推導出性能指數的方程式，這個方程式能將特定情況下材料的可取程度進行量化。
最佳材料選擇的實例
在一個實際的情況中，當材料同時面對拉伸和彎曲時，理想材料必須能夠在這兩種情況下均表現良好。通過創建對應的 Ashby 圖，並對所有已知材料進行標定，就可以輕鬆選擇出最合適的材料。
最終，隨著材料性能指數的提高，高性能材料的選擇不再是一個簡單的過程，而是需要考慮到成本降低及性能最佳化之間的平衡。每一次材料的選擇，都將大大影響最終產品的性能與可持續性。
在產品設計中，你準備好探索這些材料指數以提升你的產品表現了嗎？
