5 vragen om te stellen bij het selecteren van materialen voor moderne producten

Met de enorme selectie materialen die tegenwoordig beschikbaar zijn, zijn er verschillende uitdagingen bij het selecteren van de beste materialen voor moderne producten. Gezien de verbeteringen in technologie en algehele technische knowhow, zijn er meer mogelijkheden dan ooit voor welke producten kunnen worden gemaakt en welke soorten materialen kunnen worden gebruikt.

Het selecteren van de beste materialen om te gebruiken is een cruciale stap bij het maken van moderne producten. In het verleden waren de uitdagingen meer gericht op het inkopen van materialen - vooral betaalbare - en technische beperkingen vanuit een ontwerpstandpunt.

Desalniettemin hebben moderne bouwers, aannemers en ontwerpers de taak om de beste materialen te vinden in een ongelooflijk competitieve markt. Het selecteren van de verkeerde materialen kan leiden tot onherstelbare verliezen op zoveel niveaus.

Hier zijn vijf vragen die productontwerpers en -bouwers moeten stellen bij het zoeken naar veelbelovende - en concurrerende - materiaaloplossingen.

1. Is het materiaal lichtgewicht en toch sterk?

Kracht is een waardevolle eigenschap in veel producten. Er zijn maar weinig situaties waarin je iets wilt dat met opzet zwak is ontworpen. Kracht ging echter traditioneel gepaard met extra gewicht, aangezien sterkere materialen meestal meer massa nodig hadden.

In de wereld van vandaag is dit niet langer de norm. Materialen zoals aluminium, titanium en magnesiumlegeringen hebben allemaal een hoge sterkte-gewichtsverhouding, waardoor ze de juiste materialen zijn voor hogesnelheidstreinen, consumentenvoertuigen, vliegtuigen en ruimtevaartuigen.

Aluminium heeft een treksterkte 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 breed scala aan toepassingen, waaronder vliegtuigonderdelen, koellichamen, raamkozijnen en constructie.

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

Onlangs heeft een internationaal team van onderzoekers van de North Carolina State University in de Verenigde Staten en de Qatar University een nieuw materiaal gemaakt. Ze combineerden lithium, magnesium, titanium, aluminium en scandium om een ​​nanokristallijne legering te maken die een hogere sterkte-gewichtsverhouding heeft dan enig ander bekend materiaal op aarde. Als deze legering gemakkelijk verkrijgbaar kan worden tegen een concurrerende prijs, kan dit de basis vormen voor een nieuwe generatie producten die worden gebruikt voor land-, zee- en ruimtevaart, evenals vele andere nuttige toepassingen.

2. Is het materiaal ecologisch acceptabel?

In het tijdperk van klimaatverandering en verhoogde aantasting van het milieu wordt het gebruik van materialen die vanuit ecologisch en duurzaam perspectief acceptabel zijn, steeds belangrijker. Gelukkig zijn er verschillende 'milieuvriendelijke' of 'groene' materialen, die allemaal gunstige eigenschappen hebben.

Materialen zoals grafeen, aluminium en borosilicaatglas zijn allemaal ecologisch wenselijk vanwege hun recyclebaarheid en lage impact op het milieu gedurende de levensduur van het product. Deze en andere 'groene' materialen zullen waarschijnlijk nog gebruikelijker worden als de wereld verschuift naar een circulaire economie, aangezien veel regeringen hebben aangegeven dat ze dat willen nastreven.

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

3. Zal het materiaal presteren zonder afbreuk te doen aan stijl?

Producten gemaakt van lichtgewicht, sterke en betrouwbare materialen zijn soms alleen waardevol als ze passen bij moderne stijltrends. Dit is meestal niet het geval voor industriële toepassingen, aangezien magazijnen en energiecentrales weinig behoefte hebben aan esthetische constructies en machines.

Alles wat voor consumenten wordt vervaardigd, zal echter waarschijnlijk net zo goed de oogtest moeten doorstaan ​​als de trek- en hardheidstests. Huishoudelijke apparaten, voertuigen, elektronica en andere producten zullen hoogstwaarschijnlijk niet verkopen als ze niet zijn gemaakt van visueel aantrekkelijke materialen.

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

Dit is iets dat de laatste jaren een grotere zorg is geworden voor consumenten. Met de toegenomen toegang tot producten van over de hele wereld en de toegenomen beschikbaarheid van broninformatie, is de vraag naar ethisch verantwoorde productcomponenten toegenomen.

Of het nu door verbeterde winning van grondstoffen of fairtrade inkoop is, consumenten zijn zich meer bewust van de oorsprong van hun producten en de materialen waaruit ze bestaan.

Ontwerpers en fabrikanten moeten er nu meer dan ooit voor zorgen dat ze hun materialen krijgen van fairtrade-partnerschappen en mijnbouw met een lagere milieu-impact om een ​​meer ethische inkoop van hun producten te garanderen. Net als de toegenomen vraag naar ecologisch verantwoorde materialen, is ethisch verantwoorde inkoop minder een direct kenmerk voor een enkel materiaal en meer een algemeen kader voor het selecteren van welke materialen het beste kunnen worden gebruikt. Toch is dit een van de grootste uitdagingen bij het selecteren van materialen voor moderne producten.

5. Is het materiaal kostenconcurrerend?

Dit is iets dat zowel voor de producent als voor de consument van belang is. Lichtgewicht, sterke, duurzame en esthetische materialen zijn niet haalbaar tenzij ze betaalbaar zijn. Aangezien materialen meestal per volume worden verkocht, gemeten in kilogrammen, zullen de bijbehorende kosten zwaardere materialen, zoals ijzer en staal, meer beïnvloeden dan grafeen of lichtgewicht plastic.

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

De juiste balans vinden

Zoals met veel andere aspecten van constructie of fabricage, moet er een middenweg of een goede plek zijn waar alles op één lijn ligt om het ideale materiaal voor elk beoogd product te creëren. Sommige materialen die eerder geschikt zijn voor bepaalde projecten, kunnen als ongeschikt worden beschouwd voor andere, hetzij door verschillende vereisten of door verschillende niveaus van toelaatbare ecologische impact.

Glasvezelharscomposiet kan bijvoorbeeld een perfecte optie zijn voor de constructie van boten, omdat het sterk is en kleine scheuren en onvolkomenheden in de romp kan afdekken. Toch zou hetzelfde materiaal veel slechter presteren als het in een treinwagon zou worden gebruikt, omdat er meer montageopties beschikbaar zijn.

Met de vijf leidende vragen hierboven kun je een eerste raamwerk construeren om te bepalen welke materialen beter geschikt zijn voor jouw specifieke producten en projecten.