애쉬비 플롯이란(Ashby Plot)?

애쉬비 차트라고도 하는 애쉬비 플롯은 엔지니어링, 기계 설계, 재료 과학, 화학 및 기타 재료 중심 분야에서 널리 사용됩니다. 이 플롯을 개발한 캠브리지 대학교의 마이클 애쉬비(Michael Ashby) 교수에게서 이름을 따왔습니다.

가장 간단한 수준의 애쉬비 플롯은 X축에 하나의재료 속성을 표시하고 y축에 다른 재료 속성을 표시하는 2D 산란 플롯입니다. 이를 통해 특정 응용 분야를 위한 재료를 선택할 때 다양한 재료 특성과 비용 등 기타 개발 파라미터 간의 절충점을 결정할 수 있습니다. 본질적으로 특정 목적을 달성하는 데 필요한 재료를 선택할 때 다양한 요인과 속성을 비교하는 방법입니다. 애쉬비 플롯은 모든 유형의 재료를 비교하는 데 사용할 수 있습니다. 3D 플롯은 시각화하기 어렵지만 2D 애쉬비 플롯에서는 색상을 사용하여 추가 속성에 대한 정보를 제공할 수 있습니다.

애쉬비 플롯은 재료 과학과 특정 속성(기계적, 열적, 물리적, 전기적, 환경적 등)이 제품의 핵심적인 요소인 모든 산업 분야에서 활용될 수 있습니다. 애쉬비 플롯은 특정 산업을 대상으로 하지 않는 광범위한 툴이기 때문에 엔지니어가 다양하게 활용할 수 있습니다. 애쉬비 플롯이 널리 사용되는 분야의 몇 가지 일반적인 예로는 자동차, 항공우주, 소비자 기술, 발전 및 건설 산업이 있으며, 학계도 마찬가지입니다. 

모든 애쉬비 플롯은 엔지니어가 다양한 재료에 대한 다양한 속성 조합을 볼 수 있는 시각적 재료 선택 및 선별 도구 역할을 합니다. 가장 진보되거나 대중적이거나 널리 사용되는 재료가 다른 요인과 비용 때문에 특정 응용 분야에서의 잠재력을 제한할 수 있다는 이유로 선택되지 않는 경우도 많습니다. 애쉬비 플롯에서는 필요한 속성과 재료 형상, 재료 가용성, 지속 가능성, 비용과 같은 기타 요인 사이에서 절충이 이루어집니다. 선택 프로세스를 거쳐 모든 요소에서 최상의 균형을 이루는 가장 적합한 재료가 선택됩니다.

애쉬비 플롯은 종종 색상을 사용하여 복합재, 폴리머, 금속, 합금, 높은 엔트로피 합금, 천연 재료, 비기술 세라믹, 기술 세라믹 등의 재료 클래스를 지정합니다.

애쉬비 플롯은 설계 프로세스 중에 보다 적합한 재료를 찾아 기존 부품의 성능을 개선하거나 새로운 응용 분야에 적합한 재료를 찾는 데 사용할 수 있습니다.

애쉬비 플롯은 강도, 비용, 환경 영향, 경량화 등의 형태로 나타나는 두 가지 재료 속성을 비교할 수 있지만, 엔지니어가 주로 살펴보는 몇 가지 예는 다음과 같습니다.

• 밀도 vs. 영률
• 영률 vs. 비용
• 항복 강도 vs. 파괴 인성
• 환경 영향 vs. 관심 재료 속성
• 밀도 vs. 최대 서비스 온도

애쉬비 플롯은 재료 선택을 중심으로 하는 애쉬비 선택 방법론의 일부입니다. 이 방법론은 모든 재료 클래스에서 사용 가능한 모든 재료를 고려하고 보다 구체적인 재료 요구 사항과 제약 조건을 고려하여 더 좁은 범위로 축소하는 것부터 시작합니다.

선택 범위를 좁히기 위해 엔지니어는 다음과 같은 질문을 고려하여 애플리케이션의 설계 요구 사항을 세분화해야 합니다.

• 무엇을 구축하고 있는가?
• 제품의 기능은 무엇인가?
• 어떤 하중 요구 사항이 필요한가?
• 허용 오차는 얼마인가?
• 고온 속성이 필요한가?
• 부식 요소에 대한 내성이 있어야 하는가?
• 지오메트리 제약 조건은 무엇인가?
• 탄소 발자국이 중요한가?

이러한 모든 유형의 설계 질문은 재료에 중요한 재료 속성, 재료의 필수 요소, 유연하게 타협할 여지가 있는 속성을 결정하는 데 도움이 됩니다.

재료 목표가 식별되면 재료를 제약 조건 및 '필수' 속성에 따라 선별하여 적합한 재료 선택을 좁힙니다. 이러한 제약 조건을 벗어나는 모든 것은 제거되지만, 나머지 재료는 최상의 잠재적 유형(비용 등의 요인 고려)에 따라 고려하고 순위를 매길 수 있습니다. 애쉬비 플롯 결과는 제약 조건으로 아직 제거되지 않은 재료만 표시합니다. 플롯의 재료에 대한 속성은 단일 값이 아닌 범위로 표시되는 경우가 많습니다(성능의 일반적인 변화를 고려). 따라서 재료는 주로 재료가 가질 수 있는 속성의 범위를 나타내는 '버블'로 표시됩니다.

간단한 목표의 경우 다른 제약 조건과 결합된 하나 또는 두 개의 애쉬비 플롯이면 일반적으로 의사결정에 도달하는 데 충분합니다. 그러나 많은 고급 응용 분야의 경우 특정 하중 조건에서 특정 형상을 비교하는 등 여러 목표가 필요합니다. 이를 위해서는 응용 분야에 적합한 재료를 찾기 위해 성능 지수를 사용하는 여러 개의 애쉬비 플롯 또는 보다 복잡한 애쉬비 플롯이 필요합니다.

더 복잡한 분야나 특정 응용 분야의 경우 보통 단순한 애쉬비 플롯으로는 충분하지 않습니다. 이럴 때 성능 지수 사용이 필요합니다. 성능 지수는 애쉬비 차트의 축에 있는 단일 속성 값이 아니라, 차트의 단일 축을 사용하여 여러 성능 요소를 분석할 수 있는 여러 재료 속성의 수학적 조합입니다. 이를 통해 여러 목표를 처리할 때 시각적 요소가 간소화되며, 최적의 재료를 찾는 데 도움이 되도록 단일 플롯에서 여러 요소를 고려합니다.

성능 지수의 몇 가지 간단한 예로는 굽힘 패널, 압축 컬럼 또는 비틀림 샤프트가 있습니다. 굽힘 패널 예시를 보면, 필요한 성능에 따라 패널의 두께 등 설계 중에 잠재적으로 변경될 수 있는 자유 변수가 있습니다. 설계에서 변경할 수 없는 변수인 고정 변수도 식별해야 합니다. 예를 들어, 특정 공간에 맞아야 하는 패널의 길이와 너비가 이에 해당할 수 있습니다.

이를 결정한 후에는 제한 제약 조건을 식별할 수 있습니다. 특정 지점을 지나서 구부리지 않아야 하는 강성 제한 설계 또는 특정 하중 하에서 파손될 수 없는 강도 제한 설계와 같은 재료의 거동을 중심으로 합니다. 제한 제약 조건은 특정 조건에서 재료가 파손되는지 여부를 파악하고 파손되지 않는 재료를 찾는 것과 관련이 있습니다.

이러한 모든 요소를 성능 지수에 통합하여 엔지니어가 특정 시나리오에서 설계 최적화를 위해 사용할 다양한 재료 및 재료 클래스 순위를 매길 수 있습니다. 따라서 성능 계수는 지오메트리와 하중을 어느 정도 고려합니다. 즉, 단순히 '최저 비용 재료'를 제공하는 것이 아니라 '강성이 제한된 설계에서 패널의 굽힘에 대한 최저 비용 옵션'을 특정 제약 조건에 따라 제공한다는 것입니다. 예: 금속을 사용하면 더 얇은 부품을 생산할 수 있지만 두꺼운 플라스틱은 전체적으로 더 가벼워서 특정 시나리오에서 더 유리할 수 있습니다. 성능 지수는 수동으로 도출하거나 각 시나리오에 대해 수동으로 계산할 수 있지만, 오늘날 성능 지수 지표를 사용하는 가장 빠르고 쉬운 방법은 광범위한 엔지니어링 시나리오를 포괄하며 선택하기 쉬운 형식으로 미리 정의된 성능 지수를 통합한 소프트웨어를 사용하는 것입니다.

응용 분야에 따라 선별할 수 있는 다양한 상황과 재료가 있습니다. 다음은 Ansys, part of Synopsys의 한 엔지니어가 성능을 개선하기 위해 기존 재료를 대체할 수 있는 새로운 재료를 결정한 일반적인 방법입니다. 이 예에서는 현재의 모래 주조 357 알루미늄 합금을 대체하기 위해 자동차 크로스빔의 새로운 재료를 모색했습니다. 알루미늄 크로스빔으로도 충분했지만, 엔지니어들은 더 가벼운 새로운 재료를 찾는 방법을 고려하여 자동차 부품의 무게를 줄이고 결과적으로 차량의 전반적인 환경 영향을 줄였습니다.

선택 프로세스를 시작하기 위해 크로스빔은 굽힘 시 빔으로 근사화되었습니다. 고정 및 자유 변수는 다음과 같이 결정되었습니다. 빔의 길이와 모양은 변경할 수 없지만 필요한 경우 빔의 영역(단면)을 변경할 수 있습니다.

자동차 크로스빔의 제한 제약 조건은 강도이므로 재료는 파손 없이 하중을 견딜 수 있을 만큼 튼튼해야 했습니다. 질량 또한 주요 목표 중 하나입니다. 첫 번째 애쉬비 플롯에는 두 가지 성능 지수가 사용되었습니다. Y축에서는 굽힘 빔의 강도 단위당 질량이었고, X축에서는 굽힘 빔의 강도 단위당 비용이 사용되었습니다. 이로 인해 기술 세라믹부터 금속, 금속 합금, 비기술 세라믹에 이르기까지 많은 재료 제품군이 이 초기 분석에 잠재적으로 적합해졌습니다. 어떤 재료는 두껍지만 가볍고, 다른 재료는 재료의 밀도에 따라 더 얇으면서 무겁습니다.

이 시점에서 제거된 재료가 없으므로 자동차 응용 분야에서는 이 재료 목록을 완전히 사용할 수 없게 되었습니다. 질량 및/또는 강도 단위당 비용 측면에서 기술적으로 괜찮지만, 목재 및 콘크리트와 같은 재료는 자동차 응용 분야에 적합하지 않습니다. 합리적인 제약 조건이 적용되고 나면 적절한 재료만 남기기 위해 실행 불가능한 재료는 제거되었습니다. 자동차 크로스빔의 경우, 예를 들어 충분한 기계적 특성, 넓은 온도 범위(-40 ~ 100°C)에서 작동하고 담수와 해수에 대한 허용 가능한 저항이 포함되었습니다.

이러한 제약 조건을 적용한 후 애쉬비 플롯의 바닥에 남아 있는 재료들은 가장 가벼웠지만 탄소 섬유 복합재료처럼 더 비싼 경향이 있었습니다. 애쉬비 플롯의 맨 왼쪽에 있는 옵션은 가장 저렴했지만 더 무거운 경향이 있었습니다. 저질량, 저가격 타협의 경우 유리섬유 충전 PA66(나일론 66) 등급 폴리머가 모든 요구 사항을 충족하는 훌륭한 대체 재료가 될 수 있는 것으로 밝혀졌습니다. 다음으로는 이 후보 물질에 대한 추가 분석, 시뮬레이션 및 물리적 테스트를 진행했습니다.

플롯의 데이터 소스는 Ansys MaterialUniverse 데이터베이스였습니다. 완전하고 비교 가능한 정보가 있는 수천 개의 일반 엔지니어링 재료로 구성된 고유한 Ansys 특정 데이터베이스로, 애쉬비 플롯의 재료 선택 및 성능 지수에 특히 적합합니다.

애쉬비 플롯을 사용하는 데는 많은 장점이 있지만, 완벽한 방법은 아닙니다. 다른 분석 방법과 마찬가지로 몇 가지 한계가 늘 존재합니다. 애쉬비 플롯의 제한 사항은 다음과 같습니다.

• 두 개 또는 세 개 이상의 요소를 단일 애쉬비 차트와 동시에 비교할 수 없으며, 그렇게 하려면 여러 개의 애쉬비 차트를 만들고 데이터를 나란히 비교해야 합니다.
• 하나의 답변이나 최상의 재료 하나를 제시하지 않는 시각적 방법인 대신, 더 자세히 조사할 필요가 있는 일련의 재료 또는 다양한 잠재적 후보 물질을 제시합니다. 엔지니어링적 판단이 이 시점에 개입하는데, 각 조직은 각각의 타협 요소가 얼마나 중요한지, 예컨대 성능 향상을 위해 비용 증가를 얼마나 허용할 수 있는지 결정해야 하기 때문입니다.
• 재료가 응용 분야에 적합한지 완전히 이해하려면 애쉬비 플롯을 다른 검색 및 선택 쿼리와 함께 사용해야 합니다.
• 애쉬비 플롯은 속성에 대한 데이터가 없는 경우 재료를 플롯할 수 없으므로 완전하고 비교 가능한 데이터가 필요합니다. 따라서 Ansys MaterialUniverse 데이터베이스가 이 애플리케이션에 특히 적합합니다.

Ansys Granta Selector 재료 선택 소프트웨어 및 Ansys Granta MI Enterprise 재료 데이터 관리 소프트웨어를 포함한 Ansys Granta 재료 정보, 선택 및 데이터 관리 제품 컬렉션을 사용하여 애쉬비 플롯을 생성할 수 있습니다. Ansys Granta에서는 데이터를 플로팅하고 라벨을 지정할 수 있으며, 제약 조건과 요구 사항을 얼마든지 포함시켜  재료 선택을 몇 가지 옵션으로 좁혀 더 자세히 조사할 수 있습니다. 제약 조건이 적용되면 재료 수를 수만 가지에서 다섯 가지나 열 가지의 잠재적 재료로 줄일 수 있습니다.

Ansys Granta Selector 소프트웨어는 재료 선택 작업을 목표로 하는 독립 실행형 프로그램입니다. 설계자, 시뮬레이터 및 재료 과학 전문가를 위한 Windows 데스크톱 기반 솔루션입니다. Ansys Granta MI 소프트웨어는 조직이 자체 재료 데이터를 관리하고 저장하는 데 사용하는 엔터프라이즈급 애플리케이션으로, 재료 검색 및 선택 기능과 결합되어 있습니다. 두 소프트웨어 툴 모두 재료 데이터를 가져와 애쉬비 플롯을 생성할 수 있습니다.

Granta 툴을 사용하여 재료를 선택하면 Ansys Mechanical 구조 유한 요소 해석 소프트웨어, Ansys Discovery 3D 제품 시뮬레이션 소프트웨어, Ansys Maxwell 고급 전자기장 솔버 또는 Ansys HFSS 고주파 전자기 시뮬레이션 소프트웨어와 같은 다른 Ansys 툴에서 이러한 재료와 다양한 응용 시나리오에서의 용도를 시뮬레이션할 수 있습니다. 관련 데이터를 Granta에서 다른 툴로 직접 내보내 원하는 서비스에 대한 잠재적 후보를 보다 심층적으로 시뮬레이션하고 어떤 재료가 가장 적합한 옵션인지 확인할 수 있습니다.

애쉬비 플롯을 활용하여 응용 분야에 적합한 재료 또는 재료 세트를 선택하는 방법에 대해 자세히 알아보려면 지금 당사 전문가에게 문의하십시오.

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