循环经济、可持续发展、设计环境的一些关键字识别新的强大的挑战要面对在未来几年。原材料有主导作用达到这一目标。绿色能源、电动汽车、通信等取决于原材料贴上至关重要,因为他们的经济加上高供应风险的重要性。出于这个原因,减轻操作需要使用材料替代等材料选择和设计,提高效率和回收材料。在这个技术交流,一个方法来实现原材料临界问题材料选择是根据最近的文学描述。战略是基于阿什比的合金临界指数的定义方法和量化的临界每单位质量的材料。

材料选择应伴随设计过程的所有阶段,从概念到细节。选择的后果在概念或体现阶段才可能变得明显检查细节。迭代,循环回寻求替代方案,是一个重要的设计过程的一部分。因此,必须系统的材料选择策略,易于应用。2004年,阿什比,等。[1]发表了一篇论文处理一个强大的方法来选择材料和过程。它包括四个主要步骤(图1)。从宇宙的材料,设计要求必须首先翻译的限制,自由变量和目标优化。所有材料然后根据约束和筛选的幸存的材料是使用客观的排名。最后,支持信息需要选择最好的材料。的方法需要一个数据库物理、化学,形变场属性对每个存储材料。

阿什比的方法的一个有趣的概念的定义材料指数是用来给幸存的材料。从我们的目标方程,它通过消除自由变量计算通过约束方程。例如,如果材料,最大限度地减少拉杆的质量(m)选择,客观的方程是:

$米=\rho l\mathrm{一个}\text{(1)}$

材料密度ρ,L是长度和横截面(自由变量)的组件。如果拉杆刚度(S)是考虑的约束,

$\mathrm{年代}=\frac{E\mathrm{一个}}{l}\text{(2)}$

E =杨氏模量,得到自由变量从情商。(2)和替换成Eq。(1)获得:

$米=\mathrm{年代}{l}^2\frac{\rho }{E}\text{(3)}$

L和S的固定值,ρ/ E比值越低,拉杆的质量越低。ρ/ E称为材料指标,它是一个函数的材料只礼节。通常,使用它的逆矩阵表达式(M = E /ρ),目的是优化目标方程(Eq。(3)通过最大化该指数M .现在的问题是:这是目标方程用于选择材料关键原材料(crm)的角度?要回答这个问题,有必要首先量化一个通用的原料的临界问题。

根据评估

临界问题与每一个原材料是由一系列的量化指标等丰富的风险(支持),采购和地缘政治风险(SGR),环境国家风险(ECR),归一化供应风险(NSR),经济重要性(EI)最后,回收的缺点指数(RDI) [3]。为了使用这些指标的设计,有必要总在一个整体指标为每个关键原材料(i) (CI_CRMi):

$C{我}_{CR{\mathrm{毫克ydF4y2Ba}}_{我}}=(k_{\mathrm{一个}Rl}\mathrm{一个}R{l}_{我}+k_{\mathrm{年代}GR}\mathrm{年代}G{R}_{我}+k_{ECR}EC{R}_{我}+k_{N\mathrm{年代}R}N\mathrm{年代}{R}_{我}+k_{NE我}NE{我}_{我}+k_{RD我}RD{我}_{我})/6\text{(4)}$

Eq。(4) k是一个无因次系数的值在0和1之间,根据相应的临界的严重性方面。当所有k值设置在情商等于1。(4),平等的严重性被认为对所有的临界方面。情商的临界指数的值。(4)计算了使用数据取自文献[3]。表1收集每个临界指数的数值。可以看出欧盟的高严重性依赖从稀土反映最高价值的临界指标。

因为有可能包含,不同数量的材料组成(说,金属合金),材料的临界指数可以定义如下:

$C我={\displaystyle \underset{我=1}{\overset{n}{\sum }}C{我}_{CR{\mathrm{毫克ydF4y2Ba}}_{我}}\frac{wt{\%}_{CR{\mathrm{毫克ydF4y2Ba}}_{我}}}{\mathrm{One\; hundred.}}}\text{(5)}$

其中n是crm在材料化学成分的数量和wt %_CRMiCRM的“我”以重量百分比。有人指出临界指数(CI)代表一个单位的整体临界价值材料的质量。

材料选择crm的视角

一旦整体材料临界评估(Eq。5),材料指标的目标方程计算框架的阿什比的方法是:

$米*=米\cdot C我\text{(6)}$

从CI定义材料的临界质量单位(即。:一个通用合金),m *量化整个组件的临界crm的角度。通过使用简介中描述的例子,现在很容易证明材料指标的刚性和低危险性拉杆是:

$\mathrm{毫克ydF4y2Ba}=\frac{E}{\rho \cdot C我}\text{(7)}$

所谓的阿什比的地图,双对数图显示不同的材料在空间的位置由两种材料属性定义(或组合)(图2),Eq。(7)是一系列的平行直线的斜率为1(索引行)。随着M值增加,指数线走向地图的左上角。材料在左边的索引行(搜索区域)感兴趣的。通过增加M值缩小搜索区域并选择材料,优化目标[4]。这种方法可以很容易地扩展到设计回收[5],材料替换[3],以及设计环境中crm视角[6]。

21^圣世纪挑战与新经济方面可以解决环境和资源的优秀的知识材料,甚至收购新技能,允许工程师和设计师应用减轻对资源和能源消耗。在这个场景中,一个系统的策略来选择材料关键原材料的角度来看。提出的策略是基于材料的临界指数的定义,进而允许定义一个目标方程后的材料指标计算阿什比的过程。减轻的方法特别适合应用行动有密集的使用(回收、替换、材料效率)。

这项工作是欧洲项目的结果称为“设计的组件在关键原材料的角度(DERMAP、卡瓦胡椒项目# 17205)。作者要感谢EIT原材料的金融支持和所有的项目合作伙伴(SWEREA SWEECAST AB, Mondragon公司大学啊大学EURECAT, Enginsoft, Fonderie Zanardi)为他们的贡献的项目发展/ p >

1. 阿什比MF、布雷谢YJM Cebon D,齐射l .材料选择策略和过程。材料与设计。2004;25日:51 - 67。
2. 铁P, Bonollo F,克鲁斯SA。合金替代在关键原材料的视角。Frattura ed Integrita Strutturale。2020;51:81 - 91。
3. 研究评论列表的关键原材料。关键原材料情况说明。2017;ISBN 978-92-79-72119-9。
4. 铁P, Bonollo f .材料选择关键原材料的视角。材料和设计。2019;177:107848
5. 铁P, Bonollo f .设计回收的关键原材料的角度来看。回收利用。2019;4:44。
6. 铁P, Bonollo F,克鲁斯SA。产品设计从环境和关键原材料的角度来看。Int J可持续工程。2020。