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材料選擇的魔力：為何‘Ashby圖’能讓設計更簡單？
在產品設計中，材料選擇是一個關鍵的步驟。設計師的目標是降低成本，同時滿足產品性能目標。在選擇合適材料時，材料的性質和成本是最基本的考量。針對不同應用的最佳材料選擇，需系統地考慮候選材料的性能指數。例如，若一款隔熱毯的挑選必須優先考量其熱導率，降低熱量傳導以達到理想的溫差效果。設計師必須充分了解材料的特性及其在工作條件下的行為，這是成功材料選擇的關鍵。
材料的重要特性包括：強度、耐用性、柔韌性、重量、耐熱及抗腐蝕性、可加工性等。
當今設計日益注重可持續發展，這一趨勢促使設計師在材料選擇中考慮其生態影響、可回收性和生命周期分析等因素。對於需要多重準則的應用，其材料選擇過程會變得更加複雜。例如，當某個結構材料既需具備剛性又需輕巧時，便需要同時考量高的楊氏模量和低的密度，這樣的組合能指示最佳材料。
Ashby圖的應用
Ashby圖是以劍橋大學的Michael Ashby命名的一種工具，此圖作為散點圖可以比較多種材料的特性。設計時，設計師可根據材料的特性繪製，包括楊氏模量和密度等。透過這種方式，我們不僅可以迅速找到最高剛性的材料或最低密度的材料，還能比較它們的性能比。
Ashby圖不僅使用線性尺度，還可以使用對數尺度，這樣便更容易選擇最具有彎曲剛度的材料。
材料的成本在選擇中佔據了舉足輕重的地位。對於工程設計來說，開發一套合適的金錢指標就非常重要。例如，生命周期評估可以顯示減少一輛汽車重量1公斤，大約能節省5美元的成本。因此，減重所需的材料替代成本可能高達每公斤5美元。而商業飛機和航天器的情況則會更加突出，對它們來說，成本考量可能高達450美元/公斤或20,000美元/公斤。
採用Ashby圖的系統方法
在使用Ashby圖的過程中，設計師需要首先界定三組變數：一是材料變數，如密度、模量和屈服強度等；二是自由變數，這些變數可能在載荷作用下變化；三是設計變數，這是針對設計所做的限制，比如結構的厚度或可允許的變形量。接下來，設計師需要推導出性能指數的公式，這一指數數字化地量化了特定情況下材料的合適程度，並繪製在Ashby圖上，通過視覺檢查可迅速找到最具吸引力的材料。
Ashby圖的應用示例
考慮一種材料同時承受拉伸和彎曲的情況，則最佳選擇將會在這兩種情況下表現良好。舉例來說，當材料處於拉伸狀態時，重要的材料變數包括材料的密度和強度，設計師需要選擇該材料的最佳組合以最小化重力和拉力所帶來的負擔。同樣，在彎曲的情況下，材料需抵抗彎矩與材料本身的剛性。
最後，設計師可對兩個披露的性能指數進行比較，進而獲得物料選擇的最佳解。進行Ashby圖分析後，只需找出位於高於彎曲材料線的區域，即可尋找最高性能的材料。最終選擇需要考慮經濟效益及材料的可持續發展能力。
當材料選擇變得越來越重要，你是否能夠針對當前的設計挑戰選擇到最佳的材料解決方案呢？
