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塑料材料選擇:縮小選擇范圍

2018-09-14

塑料材料選擇:縮小選擇范圍

在幾乎所有的設計實踐中,材料選擇始終是一個重要的因素。幾乎沒有只有一種材料適用于某項作業的情況(航天飛機窗口是少數幾個例外之一),因此需要一種有效比較候選材料的方法。

隨著能源價格的上漲以及技術的改進,發生了一些重大調整。

在汽車行業中,已經越來越多地使用PEEK棒輕質鎂鋁合金替代鋼材

而在飛機行業中,正在使用碳纖維增強塑料和鈦合金替代鋁材

人造衛星長期以來一直采用特殊復合材料制成

材料選擇可以部分基于特性數值比較,部分基于定性比較。這一過程可能涉及一些“紅線”,即首先排除明顯不適用甚至不合法的材料。另外,還可以使用一些公式對材料進行嚴謹的數學比較。

當然,每千克成本并非材料選擇中唯一重要的因素。其中一個重要概念是“單位功能成本”。隨著各種材料相對成本的變化,Z佳材料的選擇也會隨時間發生變化。矛盾的是,因為材料的相對成本可能會因貿易關稅和運輸成本等因素發生變化,不同地區的Z佳材料也會有所不同。

顯然在大多數情況下,很難讓材料不僅提供一種以上特性,還要提供多種特性的組合。因此,按此邏輯類推,設計工程師必須努力確定哪些特性Z為重要,并為所需特性指定某種權重順序。

除此之外,并非始終能夠提供完全可用的數據,因此,設計工程師傾向于選擇Z熟悉的材料也許并不奇怪。這往往會導致設計原則非常保守。

在需要進行高度專業化設計比較的領域,可能會制定出高度專業化的測試方案,例如飛機機翼,其中,鋁和先進復合材料之間的比較將涉及耗時頗久的加速測試。由于鋁和復合材料的不合格方式不同,會使比較變得更加困難,所以不可能定義出可以采用有意義的方式進行比較的材料特性。

針對這些難題,已經進行了一些值得贊賞的嘗試,提供了一些材料選擇過程的輔助方法。二十世紀七十年代,在(大體上)還未出現計算機的時代,一個名為富爾默研究機構(Fulmer Research Institute)的英國機構出版了一套紙質綜合性材料選擇系統,即富爾默材料優選器(Fulmer Materials Optimizer)。它Z初由Norman Waterman策劃,在其離開后,由我以及他人獨立接手。

該出版物中包含大量與所有材料類別相關數據,以及這些材料在機械、電氣、熱學、腐蝕、磨損和其他專業特性方面的相關性能。大部分數據以簡單的表格、圖表和圖形呈現。該出版物后來由荷蘭出版公司重新出版,稱為Elsevier材料選擇器(Elsevier Materials Selector)。

“優選器”中包含的許多想法實際上是基于劍橋大學Mike Ashby教授的理念。他通過一個名為Granta Design的獨立組織繼續進行研究,設計了一款計算機化的材料選擇系統,即CES選擇器(CES Selector)。該系統今天仍在使用。

斷裂伸長率與Z終拉伸強度之間的關系(適用于增材制造的材料)圖片由Granta Design提供。

傳統的Ashby圖為散點圖,顯示了多種材料或多類別材料的兩個或多個特性。例如,如果關鍵設計目標為材料板的剛度,設計者需要的則是具有密度、楊氏模量和價格的Z佳組合的材料。

材料族(聚合物、泡沫、金屬等)可以通過顏色識別。這些圖形有助于比較不同特性之間的比例。

在上述示例中,硬質/輕質部件在一個軸上為楊氏模量,另一個軸上為密度,圖上的一個數據點代表每種候選材料。在該圖中,不僅可以輕松找到剛度Z高的材料,密度Z低的材料,還可以找到具有Z佳比例的材料。在兩個軸上使用對數刻度有利于選擇具有Z佳板材剛度的材料。

要優化技術和價格特性的復雜組合,很難手動實現,因此一款合理的材料選擇軟件是一個非常重要的工具。

CES選擇器可用于金屬到聚合物材料的替代。舉例來說,霍尼韋爾航空航天集團(Honeywell Aerospace)希望使用一種聚合物替代鋁合金來制造壓力調節器外殼。

Z初的做法是將原有鋁合金出料轉化為可模塑的Valox聚酯,幾何形狀和尺寸保持不變。然而,要在保持幾何形狀固定的同時進行金屬-聚合物替換,常常會出現問題。在這種情況下,中心部分往往較厚,導致成品率非常低,并且成型后會出現延遲開裂。為了克服這一問題,使用CES選擇器來研究能夠減少這種挑戰性狀況的注塑材料替代品。

霍尼韋爾通過對外殼、材料和生產方法的設計要求進行定義,開啟了合理的選擇過程。這些包括:

環境性能限制:Z高使用溫度和耐溶劑性。

生產方法:需要能夠注塑的材料。

Z終用戶要求:與自攻螺釘兼容,以便安裝。

CES選擇器幾乎提供了每一類可購入的工程材料(約3000種潛在的候選材料)的特性數據。由于特性值是由已知的參考數據構成,或者由估計的估算值構成,因此霍尼韋爾航空航天集團能夠將所有潛在的候選材料考慮在內,不會僅僅因特性不明而排除掉任何合適的材料。

通過將選擇限制到那些符合可加工標準的材料,迅速縮小了可能的材料的范圍(使用“樹階段”選擇)。通過增加兩個“極限階段”,并將Z高溫度和耐久性考慮在內,進一步縮小了范圍。根據設計規范,Z終將兩種材料(PEEK價格和PEI)確定為聚酯(PBT)的可能替代品。

以下Ashby圖表明,候選材料之間的疲勞強度差異相對較小。然而,考慮到熱膨脹系數和Z高使用溫度(右),PEEK被選為首選材料進行部件測試,以確保其性能與基準材料一樣,甚至優于基準材料。

(i)疲勞強度與價格關系以及(ii)熱膨脹作為Z高使用溫度的函數的阿什比圖顯示,PEEK成為此項任務的首選材料。圖片由Granta Design提供。

作為一款專業工具,CES選擇器可對材料選擇問題進行系統性圖形分析。使用Ashby方法,用戶可基于其工程問題確定候選材料。還可以訪問更詳細的材料數據集,深入探索這些候選材料?!癙rospector塑料”(Prospector Plastics)為關鍵數據集,經UL許可包含在CES選擇器中?!癙rospector塑料”是UL“Prospector材料數據庫”的一個子集,可以在線獲得,具有自主材料選擇能力。它整合了來自約1000家材料制造公司的信息,包含85,000多份塑料數據表和近10,000份金屬數據表,其中近5萬個擁有UL黃卡。

Prospector的一個特別強大的功能是塑料添加劑和設備部分。參數化搜索引擎功能強大,擁有40多萬用戶,可以快速方便地訪問對產品開發至關重要的特性和加工信息。


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