نگاهی دقیق‌تر به خواص مواد

هنگامی که یک قطعه را طراحی می‌کنید، بسیاری از عملکردهای آن به عوامل آشکاری مانند شکل، اندازه، ضخامت دیواره‌ها، محل نقاط اتصال و غیره بستگی دارد. ویژگی‌های ماده‌ای که این قطعه از آن قالب‌گیری، ماشینکاری، چاپ سه بعدی یا با هر تکنیک دیگری ساخته شده است، کمتر آشکار اما به همان اندازه مهم است.
طراحی در سطح ماکرو انجام می‌شود، در حالی که خواص مواد به طور کلی در سطح مولکولی کنترل می‌شوند. در فرآیند طراحی، هرچه سریعتر شروع به فکر کردن در مورد مواد و خواص آن‌ها کنید، طراحی نهایی شما مؤثرتر و مقرون به صرفه‌تر خواهد بود. این مقاله برای کمک به شما در ارزیابی‌های اولیه طراحی شده است و یک نمای کلی از چهار دسته از خواص مواد (فلزات و پلاستیک‌ها)، برخی از ملاحظات اصلی که باید در هنگام انتخاب مواد برای طراحی مد نظر داشت و برخی از مسائل طراحی که اغلب نادیده گرفته می‌شوند را ارائه می‌دهد.

چرا انتخاب مواد مهم است؟

انتخاب مواد (خواه فلز یا پلاستیک) می‌تواند ساده، تقریبا تصادفی یا پیچیده باشد، ولی با این حال همچنان برای عملکرد یک قطعه حیاتی است. مثلاً بگویید می‌خواهید برای دستگاهی که برای استفاده در فضای داخلی طراحی شده است، یک قاب بسازید. درصد زیادی از پوسته‌های پلاستیکی به ویژه از نظر حرارتی یا الکتریکی به چالش کشیده نمی‌شوند، نیازهای مکانیکی شدیدی ندارند و بنابراین می‌توانند در محیط‌های نسبتاً خوش‌خیم مانند اتاق شما کار کنند. اکثر این قطعات می‌توانند از ABS، پلی کربنات (PC) یا ترکیب آن‌ها (ABS/PC) ساخته شده باشند.
از طرف دیگر، محفظه پاک کننده هوای موتورسیکلت را در نظر بگیرید. برای تعویض فیلتر باید به صورت دوره‌ای باز و بسته شود. به عنوان بخشی از این عملکرد، ممکن است از یک لولای زنده یا گیره فنری یکپارچه استفاده شود. باید برخورد با زباله‌های معلق در هوا، مجاورت با گرمای موتور، تابش اشعه ماوراء بنفش خورشید، رطوبت از منابع مختلف، و قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی ناشی از سوخت و مواد شیمیایی پاک کننده را تحمل کند. پیدا کردن مواد مناسب برای این کاربرد احتمالاً به تحقیق و نمونه سازی مکرر نیاز دارد.
انتخاب مواد برای اجزای یک گوشی هوشمند، می‌تواند چالش برانگیزتر باشد. عملکرد آن‌ها می‌تواند شامل دفع و محافظت در برابر گرما، عایق الکتریکی، عبور انتخابی و مسدود کردن سیگنال‌های بی‌سیم، و برای پوشش آن محافظت در برابر ضربه‌های مکرر باشد. هر یک از اجزای این طراحی پیچیده دارای الزامات خاصی است و آن‌ها نیز به نوبه خود به مواد با خواص ویژه‌ای نیاز دارند. بر این اساس، انتخاب مواد بسیار مهم است.
انتخاب مواد موثر با درک روشنی از عملکرد(های) کلی دستگاه آغاز می‌شود. در مرحله بعد باید عملکردهای بخش‌های جزئی را در عملکرد کلی دستگاه شناسایی کنید. در مواردی که چندین پارامتر مؤثر وجود دارد، باید اولویت بندی کنید، و موارد “ضروری است” را از موارد “بهتر است” جدا کنید. به عنوان مثال، یک سطح نهایی نرم برای یک قطعه که در تماس با دست قرار می‌گیرد یک پارامتر “ضروری است”، در حالی که ممکن است یک پارامتر ثانویه محسوب شده باشد اگر از پرکننده شیشه برای برآورده کردن الزامات استحکام مورد نیاز قطعه استفاده شده باشد. فهرست ملاحظات احتمالی طولانی است، اما معمولاً در این چهار دسته قرار می‌گیرند: خواص مکانیکی، فیزیکی، حرارتی و الکتریکی مواد.

بررسی اجمالی خواص مواد

خواص مکانیکی

خواصی هستند که یک ماده با اعمال نیروهای مختلف از خود نشان می‌دهد. این ویژگی‌ها شامل مواردی مانند مقاومت کششی و فشاری، انعطاف پذیری و سختی است.

برای پلاستیک‌ها: خواص مکانیکی پلاستیک‌ها از انعطاف پذیری پلی‌پروپیلن برای یک لولای زنده گرفته تا سختی نایلون پر شده با الیاف شیشه متفاوت است.
برای فلزات: در مقابل، فلزات همگی نسبتاً سفت و سخت هستند. به عنوان مثال، انواع مختلف فولاد سخت‌تر از آلومینیوم خواهند بود.

خواص فیزیکی

ویژگی‌های زیبایی یک ماده و پاسخ آن به مواد شیمیایی یا تشعشع را نشان می‌دهد. این خواص شامل چگالی، مقاومت در برابر خوردگی شیمیایی و تجزیه در برابر اشعه ماوراء بنفش است. آن‌ها همچنین می‌توانند شامل مسائل زیبایی مانند رنگ و بافت سطح نیز باشند.

برای پلاستیک‌ها: خواص فیزیکی پلاستیک‌ها بسیار متفاوت است. برای مثال، اورتان‌ها ممکن است انتخاب نامناسبی برای محیط‌های مرطوب باشند، از طرفی پلاستیک‌های پرینت سه بعدی که توسط استریولیتوگرافی تولید می‌شوند، در صورت قرار گرفتن در معرض نور UV شکننده می‌شوند.
برای فلزات: به طور مشابه، تحمل فلزات در برابر قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی متفاوت است. در میان فلزات، فولاد ضد زنگ برای بسیاری از محیط‌های بالقوه خورنده یک انتخاب قطعی خواهد بود، اما در زمینه‌های دیگر مانند انتقال حرارت انتخاب مناسبی نیست.

خواص حرارتی

خواصی هستند که پاسخ یک ماده به دما را تعیین می‌کنند. آیا احتمال دارد در اثر قرار گرفتن در معرض گرما ضعیف شده یا تغییر شکل دهند یا در پاسخ به سرما شکننده شوند؟ آیا مواد به راحتی گرما را هدایت می‌کنند یا عایق هستند؟ دماهای تأثیرگذار بر قطعه می‌تواند محیطی باشد یا می‌تواند توسط مجموعه‌ای که قطعه در آن کار می‌کند ایجاد شود.

برای پلاستیک‌ها: پاسخ حرارتی می‌تواند یک مسئله اصلی در انتخاب پلاستیک باشد. در حالی که سیلیکون برای دستگیره‌های ظروف اجاق گاز ایده آل است، بسیاری از پلاستیک‌ها می‌توانند در اثر گرمای ایجاد شده در یک اتومبیل با درهای بسته در یک روز تابستانی آسیب ببینند.
برای فلزات: در حالی که فلزات به طور کلی می‌توانند گرمای بالاتری را نسبت به بسیاری از پلاستیک‌ها تحمل کنند، یک “سوپرآلیاژ” نیکل کروم مانند اینکونل می‌تواند تا دمای 700 درجه سانتیگراد را تحمل کند و برای قطعات موتور موشک مناسب باشد. آلومینیوم می‌تواند ماده ایده‌آلی برای هیت‌سینک باشد، در حالی که فولاد ضد زنگ اینطور نیست.

خواص الکتریکی

ویژگی‌هایی مانند رسانایی، مقاومت و اندوکتانس را نشان می‌دهد.

برای پلاستیک‌ها: خواص الکتریکی پلاستیک‌ها بسیار متفاوت است. این ویژگی در دستگاه‌های فشرده مانند تلفن‌های هوشمند، که در آن‌ها جریان و سیگنال باید جدا شوند تا از اعوجاج جلوگیری گردد، یا در دستگاه‌های پزشکی که در آن جریان‌های قوی یا میدان‌های مغناطیسی برای تشخیص یا درمان استفاده می‌شود، می‌تواند بسیار مهم باشد.
برای فلزات: به طور مشابه، رسانایی در بین فلزات به طور گسترده‌ای متفاوت است. مس به طور کلی اولین انتخاب ما برای رسانایی است، اما آلومینیوم نیز رسانایی خوبی را ارائه می‌دهد در حالی که هزینه‌ها را نیز کاهش می‌دهد و اگر رسانایی حیاتی نباشد، از نظر مقاومت در برابر خوردگی نیز گزینه مناسب‌تری نسبت به مس است.

ملاحظاتی که اغلب در انتخاب مواد نادیده گرفته می‌شوند!

بسیاری از طراحان از چند متریال رایج در طرح‌های خود استفاده می‌کنند، مگر اینکه کاستی‌های آشکاری وجود داشته باشند. اگر مواد، نیاز را برآورده کنند و قیمت مناسبی داشته باشند، ایرادی ندارد؛ اما در برخی از موارد ممکن است مزایایی را از دست دهید که می‌توانستید با کمی تحقیق به آن‌ها دست پیدا کنید. یا ممکن است مشکلاتی را در یک نمونه اولیه کشف کنید که در جستجوی ویژگی‌ها، ظاهر می‌شوند و روند توسعه شما را کند می‌کنند. یا شاید بتوانید نیازها را با قیمت کمتری برآورده کنید، که واقعاً می‌تواند در یک دوره تولید طولانی افزایش یابد. در اینجا چند نمونه از این ملاحظات آورده شده است:
• ممکن است فکر کنید که آسیب گرمایی یا اشعه ماوراء بنفش در محصولی که برای استفاده در محیط داخلی طراحی شده است بی ربط باشد. اما اگر آن را زیر نور خورشید یا در خودرویی با درهای بسته رها کنیم چه اتفاقی می‌افتد؟
• آیا همه اشکال قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی را پیش‌بینی کرده‌اید؟ قطعه کوچک چاپ شده شما ممکن است در مورد برخی مواد شیمیایی هشدار دهد، اما یک ماده انعطاف پذیرتر می‌تواند از نارضایتی کاربر جلوگیری کند.
• آیا تمام شرایط میدانی را در نظر گرفته‌اید؟ یک قطعه خودرو ممکن است در برابر اشعه ماوراء بنفش در زیر کاپوت محافظت شود، اما باید با گرمای انباشته شده مقابله کند، در حالی که یک قطعه موتورسیکلت مشابه ممکن است دقیقاً با شرایط متفاوت روبرو شود.
• طول عمر قطعه چقدر است؟ آیا یکبار مصرف است؟ قابل تعویض؟ دائمی؟
• آیا چگالی قطعه مورد توجه است؟ برخی از قطعات متحرک ممکن است از سبکی بهره‌مند شوند، در حالی که برخی دیگر برای عملکرد صحیح به وزن نیاز دارند.
• اندازه و استحکام می‌توانند جایگزین یکدیگر شوند. یک قسمت نازک‌تر که از مواد قوی‌تر ساخته شده است ممکن است باعث صرفه‌جویی در فضا شود. همچنین استفاده از مواد کمتر می‌تواند هزینه بیشتری را برای هر واحد حجم جبران کند.
• سطح نهایی قطعه فقط یک موضوع آرایشی نیست. عواملی مانند بافت می‌توانند برای ارگونومی حیاتی باشند.
• مواد مناسب می‌تواند به حل مسائل طراحی نیز کمک کند. به عنوان مثال، گیره‌های فنری داخلی یا لولاهای زنده می‌توانند نیاز به اتصال دهنده‌ها را از بین ببرند.
• گرما می‌تواند در بسیاری از محصولات مشکل ساز باشد. یک هیت‌سینک با طراحی خوب، ساخته شده از فلز یا پلاستیک مناسب، می‌تواند به طور مؤثری گرما را از مناطق بحرانی دور کند.

منابع:

www.protolabs.com/resources/design-tips/plastic-and-metal-material-properties/

www.plasticstoday.com/medical/complexities-material-selection-process