5 cruciale vragen om materiaalselectie voor moderne producten te sturen

Met de enorme selectie aan materialen die vandaag beschikbaar zijn, zijn er verschillende uitdagingen in het selecteren van de beste materialen voor moderne producten. Gegeven de verbeteringen in technologie en algehele technische know-how, zijn er meer mogelijkheden dan ooit voor welke producten gecreëerd kunnen worden en welke typen materialen gebruikt kunnen worden.

Het selecteren van de beste materialen om te gebruiken is een cruciale stap in het creëren van moderne producten. In het verleden, waren uitdagingen meer gericht op het bemachtigen van materialen - met name betaalbare - en technische beperkingen vanuit een ontwerpstandpunt.

Toch worden moderne bouwers, aannemers, en ontwerpers belast met het vinden van de beste materialen in een ongelooflijk competitieve markt. Het selecteren van de verkeerde materialen kan resulteren in onherstelbare verliezen op zoveel niveaus.

Hier zijn vijf vragen die productontwerpers en bouwers moeten stellen wanneer ze zoeken naar veelbelovende - en competitieve - materialenoplossingen.

1. Is het materiaal lichtgewicht maar sterk?

Sterkte is een waardevolle eigenschap in veel producten. Er zijn heel weinig situaties waar u iets zou willen ontwerpen om exprès zwak te zijn. Echter, sterkte is traditioneel gekoppeld aan toegevoegd gewicht omdat sterkere materialen doorgaans meer massa vereisten.

In de huidige wereld is dit niet langer de norm. Materialen zoals aluminium, titanium en magnesiumlegeringen hebben allemaal hoge sterkte-gewichtsverhoudingen, wat ze de juiste materialen maakt voor hoge-snelheidstreinen, consumentenvoertuigen, vliegtuigen, en ruimtevaartuigen.

Aluminium heeft een trekkracht van 90 MPa met een dichtheid van slechts 2,7 g/cm³ bij 20 °C. Deze eigenschappen, in combinatie met zijn overvloed en lage kosten, maken het een van de beste materialen voor een wijd scala aan toepassingen, inclusief vliegtuigonderdelen, heatsinks, vensterframes, en bouw.

De toekomst zal ongetwijfeld meer toepassingen van deze metalen zien, alsook nieuwe en verbeterde legeringscombinaties.

Onlangs creëerde een internationaal team van onderzoekers van North Carolina State University in de Verenigde Staten en Qatar Universiteit een nieuw materiaal. Ze combineerden lithium, magnesium, titanium, aluminium en scandium om een nanokristallijne legering te maken die een hogere sterkte-gewichtsverhouding heeft dan elk ander bekend materiaal op de planeet. Als deze legering gemakkelijk beschikbaar kan worden tegen een concurrerende prijs, kan het de fundering zijn voor een nieuw generatie producten gebruikt voor land, zee, en ruimtereizen, alsook veel andere nuttige toepassingen.

2. Is het materiaal ecologisch acceptabel?

In het tijdperk van klimaatverandering en verhoogde milieudegradatie, het gebruik van materialen die acceptabel zijn vanuit een ecologisch en duurzaam perspectief worden steeds belangrijker. Gelukkig zijn er diverse "eco-vriendelijke" of "groene" materialen, die allemaal gunstige kenmerken bezitten.

Materialen zoals grafeen, aluminium, en borosilicaatglas zijn allemaal ecologisch wenselijk vanwege hun herbruikbaarheid en lage impact op het milieu over hun product-gebruikslevensduur. Deze en andere "groene" materialen zullen waarschijnlijk nog veelvoorkomender worden als de wereld verschuift naar een circulaire economie, zoals veel regeringen hun intentie hebben aangegeven om dat te volgen.

Deze verschuiving naar meer duurzame materialen en daaruit voortvloeiende producten vertegenwoordigt een nieuwe uitdaging in de selectie van materialen voor moderne producten, maar het is een aanzienlijke en fundamentele uitdaging die steeds belangrijker zal worden in de toekomst.

3. Zal het materiaal presteren zonder in te boeten op stijl?

Producten gemaakt van materialen die lichtgewicht, sterk, en betrouwbaar zijn, zijn soms alleen waardevol als ze passen in moderne stijltrends. Dit is meestal niet het geval voor industriële toepassingen, aangezien magazijnen en elektriciteitscentrales weinig behoefte hebben aan esthetisch aangename constructie en machines.

Echter, alles wat geproduceerd wordt voor consumenten, zal waarschijnlijk moeten doorstaan de oogtest net zoveel als trek- en hardheidstesten. Huisapparaten, voertuigen, elektronica, en andere producten zullen waarschijnlijk niet verkopen als ze niet gemaakt zijn met visueel aantrekkelijke materialen.

4. Is het materiaal gewonnen of verkregen via ethische sourcing?

Dit is iets wat in recentere jaren een grotere zorg is geworden voor consumenten. Met verhoogde toegang tot producten uit de hele wereld en verhoogde beschikbaarheid van broninformatie, is er een stijging in vraag naar ethisch gesourcte productcomponenten.

Of door verbeterde mijnbouw van grondstoffen of fair-trade sourcing, zijn consumenten meer bewust van de oorsprong van hun producten en de materialen die ze omvatten.

Ontwerpers en fabricanten moeten nu meer dan ooit verzekeren dat ze hun materialen van fair-trade partnerschappen en lagere milieueffect mijnbouw halen om meer ethische sourcing voor hun producten te garanderen. Vergelijkbaar met de toegenomen vraag naar ecologisch verantwoorde materialen, is ethisch verantwoorde sourcing minder een direct kenmerk voor enig enkel materiaal en meer een algehele framework voor het selecteren van welke materialen het beste te gebruiken zijn. Niettemin, is dit een van de grootste uitdagingen in het selecteren van materialen voor moderne producten.

5. Is het materiaal kosteneffectief?

Dit is iets wat zowel de producent als de consument bezighoudt. Lichtgewicht, sterke, duurzame, en esthetisch aantrekkelijke materialen zijn niet haalbaar tenzij ze betaalbaar zijn. Gegeven dat materialen meestal per volume verkocht worden, gemeten in kilogrammen, zal de geassocieerde kost zwaardere materialen zoals ijzer en staal meer beïnvloeden dan grafeen of lichte kunststoffen.

Gelukkig zijn lichtgewicht maar sterke materialen zoals aluminium, overvloedig en relatief goedkoop bij iets meer dan $0,50 USD/€0,40 per kilogram. Aan de andere kant, hooggespecialiseerde of nieuw gecreëerde materialen met vergelijkbare of betere sterkte-gewichtsverhoudingen, zoals de bovengenoemde nanokristallijne legering, kunnen prohibitief duur zijn. In veel gevallen is het beoordelen van de kosten van beschikbare materialen de beslissende factor, alle andere aspecten relatief gelijk zijnde.

Hoe het juiste evenwicht te vinden

Zoals met veel andere aspecten van constructie of productie, moet er een middengrond of een zoet punt zijn waar alle dingen lijnen om het ideale materiaal voor elk bedoeld product te creëren. Sommige materialen die redelijk geschikt zijn voor bepaalde projecten, kunnen ongeschikt geacht worden voor anderen, ofwel door verschillende eisen of verschillende niveaus van toelaatbare ecologische impact.

Bijvoorbeeld, fiberglas hars composiet kan een perfecte optie zijn voor scheepsbouw omdat het sterk is en in staat is om kleine scheurtjes en imperfecties in de romp te bedekken. Toch, zou hetzelfde materiaal veel slechter presteren als het in een railvoertuig gebruikt werd omdat er meer passende opties beschikbaar zijn.

Met de vijf sturende vragen hierboven, kunt u een initieel framework construeren om te identificeren welke materialen beter geschikt zijn voor uw specifieke producten en projecten.