Progettazione e scelta dei materiali per i componenti meccanici

La selezione dei materiali è un processo importante per il successo di un prodotto.

Lo scopo della selezione dei materiali è quello di trovare il materiale più economico ma che permetta allo stesso tempo di ottenere prestazioni e affidabilità massime. Il processo di selezione dei materiali prevede diverse fasi e la scelta del materiale più idoneo ad un certo progetto può avvenire in diversi momenti del ciclo di vita di un prodotto.

Lo sviluppo di un nuovo prodotto

In questa fase, possono esserci molte alternative per i materiali, ma non tutte saranno fattibili per la produzione.
Ad esempio, se state progettando una nuova autovettura, potreste voler utilizzare plastiche rinforzate con fibre di carbonio (CFRP) per alcune parti o leghe di titanio e alluminio, in quanto offrono un eccellente rapporto forza-peso e resistenza alla corrosione (leggi qui per approfondire) con un peso ridotto.

Tuttavia, questi materiali sono difficili da lavorare e richiedono utensili specializzati se devono essere prodotti in grandi quantità. Pertanto, il CFRP potrebbe essere troppo costoso in questa fase, mentre le leghe di titanio e alluminio potrebbero non avere la forza o la resistenza alla corrosione richieste dal team di progettazione.

Riduzione dei costi: l’obiettivo è trovare il modo di ridurre i costi eliminando gli sprechi o utilizzando meno materiale senza sacrificare le prestazioni o l’affidabilità. Ciò può avvenire attraverso modifiche alla progettazione, come l’utilizzo di un minor numero di componenti o la modifica della loro forma, ma anche testando diverse soluzioni in un laboratorio di prove meccaniche sui materiali. D’altronde è anche vero che bisogna anche capire quali sono le esigenze dell’utente finale attraverso attente analisi di mercato (leggi qui cosa sono), perché oltre a stare attenti ai costi bisogna anche capire quale prodotto è più apprezzato.

Il primo passo nella selezione dei materiali consiste nell’identificare i requisiti che devono essere soddisfatti per ogni componente o parte di assemblaggio in tutte le fasi del suo ciclo di vita (dall’ideazione alla produzione). Questi requisiti possono includere:

  • Caratteristiche prestazionali – come resistenza, rigidità, resistenza alla corrosione, resistenza al fuoco o conduttività termica – o altri attributi come la resistenza all’usura o le qualità di schermatura elettromagnetica.
  • Tolleranze di fabbricazione, come la lavorabilità o la saldabilità.
  • Proprietà del materiale come densità, coefficiente di espansione termica (TCE), porosità o permeabilità (gas).

I materiali selezionati influenzano il successo del prodotto

La scelta dei materiali è una fase critica nella progettazione di qualsiasi prodotto perché i materiali scelti influenzano il successo del prodotto, i costi, l’affidabilità e l’impatto ambientale. Inoltre, determinano se un componente può essere prodotto internamente o se deve essere affidato a terzi. La selezione dei materiali inizia con l’identificazione dei requisiti di progettazione del componente o della giunzione tra i componenti.

Per evitare questi problemi, è importante adottare un approccio rigoroso alla selezione dei materiali. Questo inizia con l’identificazione dei requisiti di progettazione e dei criteri di selezione dei materiali, prima di passare alla valutazione dei materiali candidati e alla loro selezione.

I requisiti di progettazione sono tipicamente definiti dalle specifiche del cliente e comprendono parametri di prestazioni e affidabilità come peso, dimensioni, costo, durata, resistenza alla corrosione e così via. Questi requisiti vengono poi tradotti in criteri di selezione dei materiali che definiscono come questi parametri saranno soddisfatti dai diversi materiali candidati.

Requisiti e criteri di scelta

Il processo di selezione dei materiali è un processo a più fasi che inizia con la valutazione dei requisiti dei componenti, seguita dalla valutazione dei materiali candidati.

Può accadere che per determinati materiali non vi siano dati sufficienti per determinare se possono soddisfare tutti i criteri tecnici, per cui potrebbe rendersi necessario eseguire dei test appositi sul materiale; solitamente per questi test ci si rivolge ad un laboratorio specializzato in prove sui materiali.
I requisiti prestazionali descrivono le carratteristiche tecniche che il componente deve possedere per essere idoneo, e questi possono essere proprietà meccaniche, chimiche, termiche, ecc.

L’affidabilità di un componente si riferisce alla sua capacità di svolgere la sua funzione per un determinato periodo di utilizzo quando è esposto a una serie specifica di condizioni operative, come ad esempio l’esposizione a temperature estreme, a condizioni di umidità o acqua salata (che possono portare a corrosione) o a tensioni e vibrazioni.

Standard e normative

In alcuni casi, uno standard specifico discuterà i requisiti dei componenti e dei giunti, per quanto riguarda gli standard specifici per i componenti, essi trattano i seguenti aspetti:

  • Le dimensioni e la forma dei componenti utilizzati nelle diverse applicazioni.
  • Materiali che possono essere utilizzati o meno come componenti di un prodotto finito.
  • I test eseguiti per determinare la qualità dei componenti.

Le normative relative ai materiali utilizzati in un prodotto (come la UNI EN 1090 per gli acciai) sono generalmente legate ai requisiti con cui possono o non possono essere realizzati i componenti e i giunti. I requisiti riguardano i materiali che possono o non possono essere utilizzati in un componente, nonché la qualità e l’affidabilità previste.