Blicharski.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

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,

Masa,

Koszt

odniesiony

do 1998 r., $

Rêczny, 1900

drewno, p³utno, skóra

380

Cylindryczny,

1950

stal miêkka

300

150

Cylindryczny,

1985

ABS, polipropylen

800

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.

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

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

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.

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

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: