[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Tekst na folie
Projektowanie i dobór materia³ów in¿ynierskich
Dobór materia³u jest integraln¹ czêœci¹ projektowania. Podstawy mechaniki,
dynamiki i nauk pokrewnych s¹ dobrze poznane, natomiast nowe materia³y
pojawiaj¹ siê przez ca³y czas, co powoduje, ¿e dziêki stosowaniu nowych
materia³ów mo¿liwa jest czêsta innowacyjnoœæ w projektowaniu. Projektanci
maj¹ do swojej dyspozycji szeroki zakres materia³ów:
metale, ceramiki,
polimery
i kompozycje tych materia³ów, tj.
kompozyty
. Ka¿da klasa
materia³ów ma szerokie spektrum w³asnoœci oraz zalety i wady, które
projektant powinien bardzo dobrze znaæ.
Czêœci mechaniczne maj¹ masê, przenosz¹ obci¹¿enie, przewodz¹ ciep³o i
elektrycznoœæ, s¹ nara¿one na zu¿ycie i korozyjne dzia³anie otoczenia, s¹
zbudowane z jednego lub wiêcej materia³ów, maj¹ kszta³t i wielkoœæ oraz
musz¹ zostaæ wykonane. Bêdziemy siê zajmowali relacjami miêdzy tymi
czynnikami.
Wyrób bêd¹cy sukcesem rynkowym - spe³niaj¹cy dobrze swoj¹ funkcjê,
warty ceny i daj¹cy przyjemnoœæ i satysfakcjê u¿ytkownikowi - jest
wykonany z najlepszych materia³ów dla danego przeznaczenia i w pe³ni
wykorzystuje ich mo¿liwoœci i w³asnoœci.
Materia³y i projektowanie
Projektowanie jest procesem przetwarzania nowych idei lub potrzeb rynku na
szczegó³owe informacje umo¿liwiaj¹ce wykonanie wyrobu. Ka¿dy z etapów
procesu projektowania wymaga decyzji dotycz¹cej materia³ów, z których
planuje siê wykonanie wyrobu oraz procesu wytwarzania. Zwykle wymagania
projektu okreœlaj¹ dobór materia³u. Niekiedy jest odwrotnie, gdy¿ opracowanie
nowego materia³u umo¿liwia wytwarzanie nowego wyrobu lub zmianê
materia³u, z którego wykonywany jest wyrób ju¿ istniej¹cy na rynku. Liczba
dostêpnych materia³ów jest olbrzymia - ponad
120 000
. Celem dzia³añ
standaryzacji (normalizacji) jest miêdzy innymi ograniczenie liczb materia³ów.
Jednak ci¹gle pojawiaj¹ siê materia³y o nowych w³asnoœciach u¿ytkowych, co
powiêksza mo¿liwoœci wyboru. Obecnie jest ok.
50%
wiêcej ró¿nego rodzaju
materia³ów ni¿ by³o
20
lat temu.
Materia³y i procesy ich kszta³towania s¹ obecnie rozwijane szybciej ni¿
kiedykolwiek wczeœniej. Dobór materia³u nie mo¿e byæ realizowany
niezale¿nie od doboru procesów:
kszta³towania
,
³¹czenia
,
wykoñczenia
i
jakiegokolwiek innego procesu wytwarzania wyrobu. Koszt wystêpuje zarówno
na etapie doboru materia³u jak i doboru procesu wytwarzania. Wa¿nym
1
czynnikiem jest równie¿ wp³yw doboru na œrodowisko. Nale¿y byæ
œwiadomym, ¿e jedynie dobry projekt in¿ynierski, to za ma³o aby wyrób mo¿na
by³o sprzedaæ. Prawie we wszystkich wyrobach od sprzêtu gospodarstwa
domowego poprzez samochody do samolotów wa¿ne s¹: kszta³t, tekstura
powierzchniowa, odczucie, barwa i walory dekoracyjne wyrobu, tj. satysfakcja
i zadowolenie jakie daje wyrób w³aœcicielowi lub u¿ytkownikowi. Ten aspekt
znany jako
projektowanie przemys³owe
, je¿eli zostanie zaniedbany, to mo¿e
byæ przyczyn¹ utraty rynku.
Dobry projekt jest skuteczny; wspania³y daje
równie¿ satysfakcjê i zadowolenie.
Bardzo czêsto w œwiecie rzeczywistym cele s¹ sprzeczne. Przyk³adem mo¿e
byæ jednoczesna minimalizacja kosztu i masy; wówczas konieczne jest
stosowanie metody ustêpstw - coœ za coœ.
Przyk³ady stosowania materia³ów - odkurzacz
Odkurzacz i rok
produkcji
podstawowe materia³y
Moc,
W
Masa,
kg
Koszt
odniesiony
do 1998 r., $
Rêczny, 1900
drewno, p³utno, skóra
50
10
380
Cylindryczny,
1950
stal miêkka
300
6
150
Cylindryczny,
1985
ABS, polipropylen
800
4
95
Dyson, 1995
polipropylen,
poliwêglan, ABS
1200
6,3
300
Odkurzacz z 1985 r. (rys. 1c) sk³ada siê tylko z 4 czêœci po³¹czonych razem za
pomoc¹ 1 spinacza; odkurzacz z 1950 r. (rys. 1b) sk³ada siê z 11 czêœci i 28
spinaczy.
W odkurzaczu przedstawionym na rys. 1d zastosowano inn¹ koncepcjê ni¿
w pozosta³ych odkurzaczach, a mianowicie oddzielenie kurzu jest
bezw³adnoœciowe a nie przez filtracjê powietrza. Aby to zrealizowaæ wymagana
jest wiêksza moc i szybkoœæ obrotowa, dlatego wyrób jest wiêkszy, ciê¿szy i
dro¿szy ni¿ wyroby konkurencji.
Projektowanie wyrobów odnosz¹cych sukcesy na rynku wymaga
innowacyjnego stosowania nowych materia³ów i inteligentnego wykorzystania
ich szczególnych w³asnoœci zarówno in¿ynierskich jak i estetycznych. Wielu
producentów odkurzaczy nie unowoczeœnia³o w ten sposób swoich wyrobów,
dlatego zostali wyeliminowani z rynku.
2
Proces projektowania
Punktem wyjœcia w procesie projektowania jest
potrzeba rynku
lub
nowa idea
ujête w postaci wymagañ projektowych, natomiast punktem koñcowym jest
opracowanie dokumentacji produkcyjnej
wyrobu zaspakajaj¹cego potrzeby
lub urzeczywistniaj¹cego idee.
W fazie
projektu koncepcyjnego
mo¿liwe s¹ wszystkie opcje. Na tym
etapie rozpatruje siê alternatywne koncepcje i sposoby jakimi mo¿na je ³¹czyæ
lub rozdzielaæ. Na etapie
projektu ogólnego
koncepcje rokuj¹ce nadzieje s¹
analizowane w sposób przybli¿ony. Sprowadza siê to do okreœlenia wielkoœci
czêœci, wyboru materia³u ze wzglêdu na wynikaj¹ce z wymagañ projektowych
naprê¿enia, temperaturê i œrodowisko. Analizuje siê implikacje zwi¹zane z
w³asnoœciami i kosztem.
Na etapie
projektu szczegó³owego
zostaj¹ okreœlone szczegó³owe
wymagania dla ka¿dej czêœci oraz jej koszt. Elementy krytyczne mog¹ byæ
poddawane szczegó³owej analizie mechanicznej lub cieplnej. Stosowane s¹
metody optymalizacji do poszczególnych czêœci lub grupy czêœci w celu
maksymalizacji w³asnoœci u¿ytkowych. Koñcowym etapem projektu
szczegó³owego jest opracowanie
szczegó³owej dokumentacji produkcyjnej.
Dobór materia³u wystêpuje na ka¿dym etapie projektowania. Rodzaj
niezbêdnych danych na etapie pocz¹tkowym i etapach póŸniejszych ró¿ni siê
znacznie poziomem dok³adnoœci i zakresem. Na etapie koncepcji wymagane s¹
dane przybli¿one, ale dla mo¿liwie najszerszego zakresu materia³ów, gdy¿
otwarte s¹ wszystkie opcje. Pomimo, ¿e funkcja jest taka sama, to dla jednej
3
koncepcji najlepszym materia³em mo¿e byæ polimer a dla innej metal.
Problemem na tym etapie nie jest precyzja i szczegó³y lecz zakres i szybkoœæ
dostêpu.
Na etapie projektu ogólnego choryzont siê zawê¿a. Wymagane s¹ dane dla
podgrupy materia³ów jednak na znacznie wy¿szym stopniu dok³adnoœci i
uszczegó³owienia. Projektowanie szczegó³owe wymaga jeszcze wiêkszej
dok³adnoœci i uszczegó³owienia, jednak tylko dla jednego lub niewielkiej liczby
materia³ów.
Zainteresowanie materia³em nie koñczy siê z chwil¹ rozpoczêcia produkcji.
Wyroby ulegaj¹ zu¿yciu i zniszczeniu podczas pracy a analiza zu¿ycia i
zniszczenia dostarcza cennych informacji. Tylko nierozwa¿ny wytwórca nie
zbiera i nie analizuje danych dotycz¹cych uszkodzeñ i zniszczeñ wytwarzanych
wyrobów.
Funkcja, materia³, kszta³t i proces
Materia³ i proces nie mog¹ byæ dobierane niezale¿nie od doboru kszta³tu.
S³owo kszta³t dotyczy zarówno kszta³tu zewnêtrznego, tj. makrokszta³tu jak
równie¿, je¿eli jest to konieczne, kszta³tu wewnêtrznego, tj. mikrokszta³tu. Pod
pojêciem
mikrokszta³tu
nale¿y rozumieæ, np. strukturê komórkow¹ lub plastra
miodu.
Kszta³t jest nadawany w procesie produkcyjnym obejmuj¹cym:
C
pierwotne procesy kszta³towania
, np. odlewanie, kucie, obróbkê
ubytkow¹ (skrawanie, wiercenie),
C
procesy wykoñczeniowe
, np. polerowanie,
C
procesy ³¹czenia
, np. spawanie.
Miêdzy funkcj¹, materia³em, procesem i kszta³tem wystêpuj¹ wzajemne
zale¿noœci (rys. 2).
Funkcja wywiera mocny wp³yw na dobór materia³u i kszta³tu. Dobór procesu
jest zale¿ny od w³asnoœci materia³u, a mianowicie od jego
formowalnoœci
,
skrawalnoœci
, i
spawalnoœci
,
obrabialnoœci cieplnej
itd. Proces okreœla
4
kszta³t, wielkoœæ, dok³adnoœæ wykonania i oczywiœcie koszt wyrobu.
Oddzia³ywanie jest w obu kierunkach. Wybór kszta³tu ogranicza zakres
materia³ów i procesów, natomiast wybór procesu ogranicza zakres materia³ów i
kszta³tów.
Materia³y in¿ynierskie i ich w³asnoœci
Wyró¿nia siê szeœæ rodzin materia³ów in¿ynierskich:
metale
,
polimery
,
elastomery
,
ceramiki
,
szk³a
i
hybrydy
.
Metale
maj¹ wzglêdnie du¿e sta³e sprê¿ystoœci, je¿eli s¹ czyste, to zwykle s¹
miêkkie i s¹ ³atwo odkszta³calne. Stopy mo¿na ³atwo umacniaæ roztworowo
oraz przez obróbkê plastyczn¹ i ciepln¹. S¹ dobrymi materia³ami
konstrukcyjnymi, gdy¿ nawet stopy o bardzo du¿ej wytrzyma³oœci maj¹
wystarczaj¹c¹ dla wielu zastosowañ ci¹gliwoœæ i odpornoœæ na pêkanie, a stopy
o œredniej i ma³ej wytrzyma³oœci mo¿na kszta³towaæ procesami
odkszta³ceniowymi. Maj¹ dobr¹ przewodnoœæ ciepln¹ i elektryczn¹. W
temperaturze pokojowej i niezbyt odleg³ej, metale i ich stopy maj¹ œciœle
okreœlone i niewiele zmieniaj¹ce siê z temperatur¹ sta³e sprê¿ystoœci,
R
i
R
(w
przeciwieñstwie do polimerów). Wiêkszoœæ metali ma ci¹gliwoœæ powy¿ej
20%. Ci¹gliwoœæ niektórych stopów wysokowytrzyma³ych (np. stali
sprê¿ynowej) i czêœci otrzymanych metalurgi¹ proszków jest znacznie mniejsza
ok. 2%. Jednak jest ona wystarczaj¹ca do tego, aby pêkanie elementów bez
karbu by³o poprzedzone odkszta³ceniem plastycznym. Dlatego je¿eli pêkanie
takich materia³ów nastêpuje, to jest ono ci¹gliwe - wysokoenergetyczne. Jednak
metale ze wszystkich klas materia³ów s¹ najmniej odporne na korozjê i
utlenianie, a ponadto maj¹ najwiêksz¹ gêstoœæ.
m
Ceramiki
maj¹ du¿e modu³y i s¹ z natury kruche. Dlatego wytrzyma³oœæ na
œciskanie maj¹ ok.
15
razy wiêksz¹ ni¿ na rozci¹ganie. Podczas rozci¹gania
nastêpuje ich kruche pêkanie. Ze wzglêdu na kruchoœæ maj¹ ma³¹ tolerancjê na
koncentory naprê¿enia, np. pustki, pêkniêcia i naprê¿enia stykowe. W
materia³ach ci¹gliwych nastêpuje roz³adowanie koncentracji naprê¿enia przez
odkszta³cenie plastyczne, co prowadzi do bardziej równomiernego obci¹¿enia.
Dlatego materia³y ci¹gliwe mog¹ byæ obci¹¿ane statycznie do naprê¿enia tylko
nieznacznie mniejszego od granicy plastycznoœci przy zachowaniu du¿ej
pewnoœci, ¿e nie zostan¹ przedwczeœnie zniszczone. Ceramiki nie mog¹
przenosiæ tak du¿ych obci¹¿eñ rozci¹gaj¹cych. Cech¹ materia³ów kruchych jest
szeroki zakres rozrzutu wytrzyma³oœci i zale¿noœæ wytrzyma³oœci od objêtoœci
materia³u pod obci¹¿eniem. Powoduje to, ¿e projektowanie z zastosowaniem
materia³ów kruchych jest znacznie trudniejsze ni¿ z zastosowaniem materia³ów
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]