Approfondimento sulle proprietà dei materiali

Nella progettazione di un pezzo, gran parte della sua funzionalità dipenderà da fattori ovvi quali forma, dimensioni, spessore delle pareti, posizione dei punti di connessione e via dicendo. Meno ovvie ma altrettanto importanti saranno le caratteristiche dal quale viene stampato, lavorato di macchina o stampato 3D.

Il design avviene a livello “macro”; le proprietà dei materiali sono generalmente controllate a livello molecolare. Tanto prima nel processo di design avrete iniziato a pensare ai materiali e alle loro proprietà, tanto più efficace ed economico sarà il vostro design finito. Questo suggerimento vuole aiutarvi ad eseguire la valutazione nelle prime fasi del processo. Esso offre una panoramica delle quattro categorie generali delle proprietà dei materiali (metalli e plastiche), alcune importanti considerazioni da tenere a mente nella scelta dei materiali per il design del vostro prossimo pezzo ed alcune questioni sulla progettazione, spesso trascurate, da considerare.

Il filtro dell’aria di un ciclomotore è un buon esempio di componente che deve possedere un equilibrio delle diverse proprietà dei materiali quali resistenza al calore, robustezza e flessibilità.

Perché la scelta del materiale è importante

La scelta del materiale, sia esso metallo o plastica, può essere semplice, quasi di secondaria importanza, oppure complessa e critica ai fini delle prestazioni di un pezzo. Ipotizziamo, ad esempio, che vogliate produrre la scatola di un dispositivo da usare in ambienti interni. Una grande percentuale degli involucri in plastica non deve rispondere a requisiti termici o elettrici particolari e né soddisfare requisiti meccanici estremi per cui può funzionare in ambienti relativamente favorevoli, come le stanze di un’abitazione. La maggioranza di tali pezzi può essere realizzata in ABS, policarbonato (PC) o in un mix di ABS/PC.

Dall’altro lato, considerate invece l’alloggiamento del depuratore dell’aria di una ciclomotore. Il pezzo dovrà essere aperto e chiuso periodicamente per la sostituzione del filtro. Nell’ambito di tale funzione, potrà presentare una cerniera integrale o un gancio flessibile incorporato. Dovrà tollerare i colpi dei detriti volanti, il calore del motore, i raggi UV del sole, l’umidità proveniente da una varietà di fonti e l’esposizione alle sostanze chimiche contenute nel carburante e nei prodotti da pulizia. L’individuazione del materiale idoneo per questa applicazione richiederà probabilmente sia ricerca che prototipazione iterativa.

I componenti di uno smartphone potrebbero essere ancora più impegnativi. Le loro funzioni potrebbero includere sia la dissipazione che la protezione dal calore, l’isolamento elettrico, il passaggio e il blocco selettivo dei segnali wireless e, per quanto riguarda il suo involucro, la protezione dalle cadute ripetute. Ogni componente di questo design complicato possiede i suoi requisiti molto specifici che, a loro volta, richiedono proprietà specifiche dei materiali. Ne consegue che la scelta del materiale è importante.

Una scelta efficace del materiale inizia dalla chiara comprensione della o delle funzioni del dispositivo completo o dell’assemblaggio. Dopodiché dovrete identificare le funzioni che il pezzo specifico deve assolvere nel funzionamento complessivo. Laddove occorra fare diverse considerazioni, dovrete assegnare delle priorità, distinguendo tra gli aspetti “imprescindibili” e quelli “auspicabili”. Per esempio, una finitura cosmetica liscia è "auspicabile” in un dispositivo portatile ma potrebbe essere una considerazione di secondaria importanza nei casi in cui la resistenza di un materiale rinforzato in vetro sia necessaria per soddisfare i requisiti di robustezza. L’elenco dei possibili fattori da tenere in considerazione è lungo ma, solitamente, essi rientreranno nelle quattro categorie che seguono: proprietà meccaniche, fisiche, termiche ed elettriche dei materiali.

Panoramica delle proprietà dei materiali

Proprietà meccaniche
Le proprietà meccaniche sono quelle esibite da un materiale all’applicazione di varie forze. Queste includono caratteristiche quali resistenza alla trazione e alla compressione, flessibilità e durezza.

Per le plastiche. Le proprietà meccaniche delle plastiche variano enormemente dalla flessibilità del polipropilene di una cerniere integrali alla rigidezza del nylon in fibra di vetro.

Per i metalli. Per contro, i metalli sono tutti relativamente rigidi. Diversi tipi di acciaio saranno più rigidi, ad esempio dell’alluminio.

Proprietà fisiche
Le proprietà fisiche rappresentano le caratteristiche estetiche di un materiale e la sua risposta alle sostanze chimiche o alle radiazioni. Esse includono densità e resistenza alla corrosione chimica e alla degradazione da parte dei raggi UV. Possono anche includere fattori estetici quali il colore e la goffratura superficiale.

Per le plastiche. Le proprietà fisiche delle plastiche variano notevolmente. Gli uretani, per esempio, potrebbero essere una scelta inadatta per gli ambienti umidi, mentre le plastiche stampate 3D e prodotte mediante stereolitografia diventeranno fragili se esposte alla luce UV.

Per i metalli. Analogamente, la tolleranza dei metalli all’esposizione alle sostanze chimiche varierà considerevolmente. Tra i metalli, l’acciaio inossidabile rappresenta la scelta ovvia per molti ambienti potenzialmente corrosivi, ma darà prestazioni scadenti per altri aspetti come il trasferimento del calore.

Proprietà termiche
Le proprietà termiche sono quelle che influiscono sulla risposta di un materiale alla temperatura. È probabile che il materiale si indebolisca o deformi per l'effetto dell’esposizione al calore o che diventi fragile in risposta al freddo? Il materiale conduce rapidamente il calore o è in grado di svolgere un’azione isolante? Le temperature che influiscono sul pezzo possono essere ambientali o generate dall’assemblaggio all’interno del quale il pezzo funziona.

Per le plastiche. La risposta termica può rappresentare una questione importante nella scelta delle plastiche. Mentre il silicone è ideale per gli articoli da forno, molte plastiche possono essere danneggiate dal calore interno dell’abitacolo di un’auto in una giornata estiva.

Per i metalli. Sebbene i metalli possano generalmente tollerare un calore superiore rispetto a molte plastiche, una “superlega” di nickel-cromo come Inconel sopporta temperature fino a 700° C, il che la rende idonea alla realizzazione dei pezzi del motore dei razzi. In applicazioni meno impegnative, l’alluminio può essere il materiale ideale per un dissipatore, mentre lo stesso non si può dire per l'acciaio inossidabile.

Proprietà elettriche
Le proprietà elettriche comprendono caratteristiche quali conduttività, resistenza e induttanza.

Per le plastiche. Le proprietà elettriche delle plastiche variano notevolmente. Questo può essere un fattore critico nei dispositivi compatti come gli smartphone, nei quali corrente e segnale devono essere isolati per evitare la distorsione o nei dispositivi medicali, nei quali si utilizzano forti correnti o campi magnetici per fini diagnostici o di trattamento.

Per i metalli. Analogamente, la conduttività varia molto tra i metalli. Il rame è generalmente la nostra prima scelta per quanto riguarda la conduttività ma l’alluminio offre una buona conduttività riducendo i costi e migliorando la resistenza alla corrosione, qualora la conduttività non dovesse avere un’importanza critica.

Considerazioni sui materiali frequentemente trascurate

Molti progettisti usano i soliti pochi materiali a meno che questi non presentino ovvi difetti. Questo va bene se il materiale risponde alle esigenze ed il prezzo è giusto. Ma in alcuni casi, potreste perdere alcuni vantaggi che, con un po’ di ricerca, potrebbero tornarvi utili. Oppure potreste scoprire problemi in un prototipo che sarebbero stati evidenti se aveste condotto una ricerca sulle sue proprietà, rallentando così il vostro processo di sviluppo. O ancora, potreste soddisfare le esigenze ad un prezzo inferiore, che alla lunga potrebbe risultare più dispendioso quando si tratta di produzione di volumi maggiori. Ecco alcuni esempi:

• Potreste ritenere che i danni causati dal calore o dai raggi UV siano irrilevanti in un prodotto progettato per essere usato in ambienti interni. Ma cosa accade se rimane fuori al sole o in una vettura chiusa?
• Avete previsto tutte le forme di esposizione alle sostanze chimiche? La stampa in caratteri piccoli può mettervi in guardia rispetto a determinate sostanze chimiche, ma la scelta di un materiale più resiliente può evitare l’insoddisfazione dell’utilizzatore.
• Avete considerato tutte le condizioni d’uso sul campo? Un componente automotive può essere protetto ai raggi UV sotto al cofano, ma deve resistere al calore accumulato, mentre un pezzo analogo di un ciclomotore potrebbe trovarsi soggetto a condizioni esattamente opposte.
• Come invecchierà il componente? È monouso? Sostituibile? Permanente?
• Occorre tenere in considerazione la densità? Alcuni pezzi mobili possono beneficiare del peso leggero, mentre altri hanno bisogno di essere pesanti per funzionare correttamente.
• Dimensioni e resistenza possono essere intercambiabili. Un pezzo più sottile realizzato in un materiale più resistente può permettere di risparmiare spazio. L’impiego di un minor quantitativo di materiale potrebbe compensare il costo superiore per unità di volume.
• La finitura non è soltanto una questione cosmetica. Fattori come la goffratura possono avere un ruolo critico in termini di ergonomia.
• Il giusto materiale può aiutarvi a risolvere problemi di design. Per esempio, ganci flessibili incorporati o cerniere integrali possono eliminare l’esigenza di connettori.
• Il calore può essere un problema per molti prodotti. Un dissipatore ben progettato, realizzato nel giusto metallo o plastica, può allontanare efficacemente il calore dalle aree critiche.

Per maggiore assistenza, non esitate a contattarci al numero + 39 (0)321 381211 o all’indirizzo [email protected]. Per iniziare oggi stesso il vostro prossimo progetto, non dovete fare altro che caricare un file CAD 3D per ottenere in poche ore un preventivo interattivo.