現代製品の材料選定を導く5つの重要な問い

今日利用可能な材料の膨大な選択肢を前に、現代製品に最適な材料を選ぶにはいくつかの課題があります。技術の向上と全体的な技術ノウハウの向上により、作れる製品と使用できる材料の種類にはこれまで以上に多くの可能性があります。

使用する最適な材料を選択することは、現代製品を作る上で重要なステップです。過去では、課題は材料の調達、特に安価な材料の調達と、設計の観点からの技術的制限を中心にありました。

それでも、現代のビルダー、請負業者、設計者は、信じられないほど競争の激しい市場で最適な材料を見つける任務を負っています。 間違った材料を選択すると、多くのレベルで取り返しのつかない損失を招く可能性があります。

ここでは、製品設計者とビルダーが、有望で、かつ競争力のある材料ソリューションを探す際に自問すべき5つの質問を示します。

1. 材料は軽量かつ強靭か？

強度は多くの製品で貴重な特性です。 故意に弱く設計する状況はほとんどありません。しかし、強度は伝統的に重量増を伴ってきました。より強い材料は通常、より多くの質量を必要としたためです。

今日の世界では、これはもはや常識ではありません。アルミニウム、チタン、マグネシウム合金などはすべて高い強度重量比を持ち、高速列車、乗用車、航空機、宇宙船に適した材料です。

アルミニウムは20℃で引張強度90 MPa、密度わずか2.7 g/cm³です。これらの特性が豊富さと低コストと相まって、航空機部品、ヒートシンク、窓枠、建設など幅広い用途で最良の材料の一つとなっています。

将来はこれらの金属の更なる活用と、新たな改良合金の登場が間違いなく見られます。

最近、米国ノースカロライナ州立大学とカタール大学の国際研究チームが新材料を作りました。リチウム、マグネシウム、チタン、アルミニウム、スカンジウムを組み合わせ、地球上のどの既知材料よりも高い強度重量比を持つナノ結晶合金を作りました。この合金がコスト競争力のある価格で容易に入手可能になれば、陸・海・宇宙旅行用の新世代製品やその他多くの有用用途の基盤となる可能性があります。

2. 材料は生態学的に受容可能か？

気候変動と環境劣化が高まる時代において、生態学的・持続可能な観点から受容可能な材料を使用することがますます重要になっています。 幸い、いくつかの「環境配慮型」または「グリーン」材料があり、それらはすべて有利な特性を備えています。

グラフェン、アルミニウム、ホウケイ酸ガラスなどの材料は、リサイクル性と製品使用寿命における低環境負荷により生態学的に望ましいです。これらと他の「グリーン」材料は、多くの政府がその意向を示しているように、世界が循環型経済へシフトすればさらに一般的になるでしょう。

より持続可能な材料とそれによる製品へのこのシフトは、現代製品の材料選定における新たな課題を表しますが、今後ますます重要になる相当かつ根本的な課題です。

3. 材料はスタイルを損なわずに性能を発揮できるか？

軽量、強靭、信頼性のある材料で作られた製品でも、現代のスタイルトレンドに合致しなければ価値がない場合があります。これは通常、産業用途では当てはまりません。倉庫や発電所は美的な建設や機械をほとんど必要としないからです。

しかし、消費者向けに製造されるものは、引張試験や硬度試験と同じくらい目でのテストをパスする必要があるでしょう。 家電、車両、電子機器、その他の製品は、視覚的に魅力的な材料で作られていなければ、ほとんど売れないでしょう。

4. 材料は倫理的に調達されているか？

これは近年、消費者にとってより大きな関心事となっています。世界中からの製品へのアクセス増と供給元情報の入手しやすさの向上により、倫理的に調達された製品コンポーネントへの需要が高まっています。

原材料の改善された採掘やフェアトレード調達を通じて、消費者は自分たちの製品の起源とそれらを構成する材料により意識的になっています。

設計者と製造者は今、これまで以上に、フェアトレードパートナーシップと低環境負荷採掘から材料を調達し、製品により倫理的な調達を保証する必要があります。生態学的に健全な材料への需要増と同様に、倫理的に健全な調達は単一材料の直接的特性というより、どの材料を使用するのが最適かを選択するための全体的なフレームワークです。それでも、これは現代製品の材料選定における最大の課題の一つです。

5. 材料はコスト競争力があるか？

これは生産者と消費者の両方にとって重要です。軽量、強靭、持続可能、美的に魅力的な材料も、手頃でなければ実現可能ではありません。材料は通常、キログラム単位で体積販売されるため、関連コストはグラフェンや軽量プラスチックよりも鉄や鋼などの重い材料により大きく影響します。

幸い、アルミニウムのような軽量かつ強靭な材料は豊富で、キログラムあたり0.50米ドル/0.40ユーロ強と比較的安価です。一方で、上記のナノ結晶合金のような、同様またはより優れた強度重量比を持つ高度に特化した、または新しく作られた材料は法外に高価になる可能性があります。 他の側面が比較的同等であれば、多くの場合、利用可能な材料のコスト評価が決定的な要因となります。

適切なバランスを見つける方法

建設や製造の他の多くの側面と同様に、すべてが整列して各製品に理想的な材料を生み出す中間地点やスイートスポットが必要です。あるプロジェクトに非常に適した材料が、異なる要件や許容される生態学的影響レベルの違いにより、別のプロジェクトでは不適切と判断されることがあります。

例えば、ガラス繊維樹脂複合材は、強度があり船体の小さな亀裂や欠陥をカバーできるため、造船には完璧な選択肢かもしれません。しかし、同じ材料を鉄道車両に使用すれば、より適した選択肢があるため、はるかに悪い性能になります。

上記の5つのガイダンス質問を用いて、あなたの特定の製品とプロジェクトに最も適した材料を特定するための初期フレームワークを構築できます。