11. Predavanje
Odabir materijala pri konstruiranju ________________________________
’Materials, of themselves, affect us little; it is the way we use them which influences our lives.’ Materijali, sami po sebi, imaju mali utjecaj na nas; Način na koji ih koristimo utječe na naše živote.
Epictetus, AD 50–100, Discourses Book 2, Chapter 5. 1
Tehnička tvorevina treba zadovoljiti: • tehničke zahtjeve (funkcionalno i tehnički ispravna) • zahtjeve ekonomičnosti (troškovi što manji) Isto vrijedi i pri izboru materijala tijekom procesa konstruiranja. 2
Odabrani materijal mora optimalno zadovoljiti: a) Zahtjev za funkcionalnom ispravnošću (odgovarati radnim uvjetima u kojima se konstrukcijski element nalazi pri eksploataciji)
3
b) Zahtjev za tehnološkom ispravnošću (materijal treba omogućavati što bolju i što lakšu izradu i obradu)
Izbor tehnologije ovisi i o broju komada koje treba proizvesti
a- lijevanje, b- kovanje u ukovnju, c- slobodno kovanje, d- zavarivanje
4
c) Zahtjev ekonomičnosti Troškovi ovisni o materijalu moraju biti što manji.
Troškovi konstruiranja kao dio troškova proizvodnje (Ford Motor Company)
Ukupni trošak materijala = trošak sirovine + trošak izrade i obrade + trošak transporta
Izbor materijala je uvijek kompromisno rješenje. Zadnjih 50-ak godina u upotrebi polimeri, keramički, kompozitni materijali. 5
Približni postoci troškova materijala u ukupnoj cijeni nekih proizvoda: • • • • • • • •
dizalice 78 % osobni automobili 65-75% željeznički teretni vagoni 68% željeznički putnički vagoni 57% vodne turbine 56% mali aparati 42% srednji i teški alatni strojevi 34-44% instrumenti za vozila i precizni satovi 31-34% 6
Voditi računa o: • Mogućnosti lake nabavke i roku isporuke, • • •
koristiti poluproizvode, standardizirane i gotove dijelove ponovno korištenje otpadnih materijala u istu ili drugu svrhu materijal se može uštedjeti dobrim konstruktivnim oblikovanjem do izvjesne mjere
Ovisnost troškova i težine proizvoda
7
• Danas, s više materijala nego ikad prije, mogućnosti za inovacije su nemjerljive. • Ali uspjeh je moguće postići jedino ako postoji procedura za dobivanje racionalnog izbora. • Potrebna sistemska procedura za izbor materijala i procesa, koja vodi ka podskupu koji se najbolje podudara sa zahtjevima konstrukcije • Potrebna struktura koja daje brzi pristup podacima i dopušta korisniku veliku slobodu u istraživanju potencijalnog izbora. • Potrebna metoda koja je dostupna kao softver i tako daje veću fleksibilnost. • pristup 'dizajn s materijalima' radije nego 'nauka o materijalima', iako se nauka o materijalu koristi gdje god je moguće kao podloga koja će pomoći pri strukturiranju kriterija za izbor. 8
Materijali danas • 19. stoljeće - Nije bilo polimera, lakih legura, kompozita ... - Danas - Više od 160 tisuća materijala
9
Evolucija inženjerskih materijala
.
10
• >10,000 pne, kameno doba (keramika, staklo, oružje-drvo i kremen, kuće:kamen i drvo) • 4000–1000 pne – brončano doba • 1000 pne – 1620 ne – željezno doba • 1620-e lijevano željezo (dominacija metala) • 1850. – čelici • 1940-e – lake legure • 1960ih inženjerski materijali su metali • Od 1960ih polimeri, kompoziti, keramika
11
• • • • • • •
•
1945. - 1975. god. proizvodnja čelika je narasla 6 puta, a aluminija čak 13 puta. Od 1975. do danas rast proizvodnje i potrošnje osnovnih metalnih materijala je gotovo zaustavljen zbog: porasla motivacija za štednjom materijala dobivenih iz neobnovljivih sirovina Došlo do zasi}enja industrijskih proizvoda Tehnički razvoj omogućio lakše i sigurnije konstrukcije – materijali više nosivosti, pouzdanije metode proračuna, bolje metode kontrole i sl. u primjeni raste udio polimera i njihovih kompozita te ostalih novih materijala Povećan udio recikliranih materijala, što smanjuje dio potreba za primarnom proizvodnjom materijala. Najveći rast bilježe polimerni materijali: od nekoliko milijuna tona 60-tih godina do oko 200 milijuna tona 2000.godine, s procjenom dvostruke proizvodnje za idućih 30-tak godina . 12
Primjer: Evolucija materijala kod usisavača
a) the hand-powered bellows cleaner of 1900, largely made of wood and leather
(b) the cylinder cleaner of 1950
(d) a centrifugal dust-extraction cleaner of 1997.
(c) the lightweight cleaner of 1985, almost entirely made of polymer;
13
Današnji život i proizvodnja: “bez materijala ništa ne postoji, bez energije se ništa ne zbiva i bez informacija ništa nema smisla” (A. G. Öttinger).
14
Primjer #2
15
Proces konstruiranja
16
Proces konstruiranja i odabir materijala podaci o materijalima podaci za SVE materijale, mala preciznost
podaci za PODGRUPU materijale, veća preciznost
podaci za JEDAN materijal, visoka preciznost I detalji
17
Funkcija, materijal, oblik i proces - Složenost (izbor materijala i procesa ne može ići odvojeno od geometrije) - Geometrija (vanjska makro – geometrija, i unutrašnja mikro-geometrija) -
Da bi se izradio oblik, materijal je podvrgnut procesima koje zajedno zovemo proizvodnja (primarni proces:lijevanje, kovanje i sl.; proces uklanjanja materijala: strojna obrada, bušenje i sl; završna obrada: poliranje i sl; proces spajanja: zavarivanje i sl.
INTERAKCIJA FUNKCIJA-MATERIJAL –GEOMETRIJA-PROCES - Funkcija diktira odabir i materijala i oblika. - Na proces utječe materijal (obradivost, sposobnost zavarivanja, toplinska vodljivost ...) - Proces utječe na geometriju: oblik, veličinu, preciznost, troškove. INTERAKCIJA JE DVOSMJERNA I NALAZI SE U SREDIŠTU POSTUPKA IZBORA MATERIJALA
Primjer: Otvarači za plutane čepove
Potreba tržišta
Fizikalni efekti Skice oblikovanja
Radni principi
19
Primjer
Itd.... 20
Primjer Funkcionalna struktura
Radni principi
Skice oblikovanja
Direktno izvlačenje Izvlačenje polugom
Izvlačenje pomoću zupčanika
21 Izvlačenje pomoću opruge
Funkcionalni zahtjevi za svaki dio, npr.: • jeftin vijak da prenese zadanu silu na čep • Vitka elastična oštrica koja se neće izviti pri uvlačenju između pluta i vrata boce • Tanka šuplja igla, dovoljno kruta i jaka da probije čep • Itd.
Funkcionalni zahtjevi za svaku komponentu predstavljaju ulaz u proces odabira materijala. Služe za definiranje grupe materijala koji mogu dobro ispuniti tražene funkcije. Ovo je ‘design-led materials selection’ (odabir materijala vođen dizajnom). 22
Inženjerski materijali
23
24
Metali
25
26
27
Karakteristike materijala
28
Svojstva materijala Svojstva
Metali
Keramike
Polimeri
čvrstoća
visoka
Visoka –T Niska - V
niska
krutost
visoka
visoka
fleksibilni
tvrdoća
srednja
tvrdo
mekano
otpornost na koroziju
slaba
dobra
izvrsna
vodljivost (toplinska/električna)
vodič
izolator
izolator
temperaturna snošljivost
dobra
izvanredna
slaba
29
Ashbyevi dijagrami karakteristika materijala
30
Toplinska vodljivost
31
Ashby-evi dijagrami
32
Ashby-evi dijagrami
33
Ashby-evi dijagrami
34
CES (Cambridge Engineering Selector) •
jedan od najčešće korišćenih ES za izbor materijala • CЕSnudi аlаtе kоје pоdržаvајu rаciоnаlnu mеtоdоlоgiјu sеlеkciје kојu је rаzviо M.Аshby • Razvijeni su sledeći CES paketi: • Granta Materials Intelligence (www.grantadesign.com)–sistеm zа uprаvlјаnjе infоrmаciјаmа o mаtеriјаlima u inžеnjеrskim poduzеćimа. • Granta MI: Materialsgateway – Menadžment podacima o materijalima pri dizajnu proizvoda, analizi i simulaciji. Omogućava brz i efikasan pristup i primjenu podataka o materijalima u CAD, CEA PLM softveru. • CES Selector – PC baziran softver za pomoć pri donošenju kritičnih odluka o materijalima, procesima i dizajnu. • Data products–Sveobuhvatna biblioteka referentnih podataka o različitim vrstama materijala (plastike, metali, keramike, kompoziti, prirodni materijali). • CES EduPack – Nastavni resurs za materijale u inženjerstvu, nauci, preradi i dizajnu Izbor materijala je vođen dizajnom konstrukcije (design led material selection), sto znači da su ulazni podaci upravo zahtjevi konstrukcije. Ovi zahtjevi se dalje35 prevode u naloge za izbor materijala i osobine procesa obrade.
Granta Materials Intelligence (www.grantadesign.com)
36
Ako se uzme da je relativna cijena čelika St37 (Č0370) jednaka jedinici C=1,0, približne cijene nekih drugih materijala (za poluproizvod u šipkastom obliku) su: • Čelici:
- opći konstrukcijski - za cementiranje - za poboljšanje - postojani pri višim temperaturama - za nitriranje - nemagnetični - nerđajući - vatrostalni
C=
1,0...1,7; 1,1...2,3; 1,2...2,7; 2,0...2,9; 2,6; 4,1; 3,2...5,8; 5,1...9,2.
37
Neželjezni metali: - mjed - elektrolitski bakar - Cu-Sn legure - Cu legure za gnječenje - Čisti Al - Al legure za gnječenje - Čisti Ti - Ti-legure za gnječenje Umjetne plastične mase (polimeri): - PVC - poliamid - pleksiglas - tvrda guma - PTFE (teflon)
C=
6,8...8,0 9,5...10,0 17,3 17,1...27,0 2,3 2,9...3,9 37,7 39,6
1,0 3,3 3,9 4,5 15,0 38
39
OPĆE TENDENCIJE DANAŠNJE PROIZVODNJE I ISTRAŽIVANJA MATERIJALA Od 90-ih razvoj materijala odvija se po novom obrascu – paradigmi: “materijali kao vrijednost” (klasični obrazac:“materijali kao resurs”.)
40
Najčešće korišteni materijali za strojarske konstrukcije Na temelju iskustva, uobičajeni se materijali uobičajene kakvoće koriste u strojarstvu najčešće kako slijedi:
41
...
42
Smjernice eko dizajna pri odabiru materijala Proces odabira materijala može se sažeti u četiri kratka cilja za konstruktore: • pokušati dobiti većinu potrebnih materijala kroz reciklirane tokove, a ne kroz ekstrakciju sirovina • birati netoksične, neregulirane materijale, i materijale kojih ima u izobilju, ako je moguće. Ako su toksični materijali potrebni za proces proizvodnje, pokušat ih napraviti na licu mjesta, a ne da ih se napravi negdje drugdje i zatim dostavlja. • konstruirati za minimalno korištenje materijala u proizvodima, procesima i uslugama • konstruirati za dugovječnost, obnavljanje i recikliranje, da bi se povećala korisnost materijala u nekoj određenoj upotrebi, i omogućio oporavak materijala kada se proizvod iskoristi. 43
Literatura • • •
M.F. Ashby: Materials selection in mechanical design, 2005 B.Križan: Metodičko konstruiranje, 2007 T.Filetin: Pregled razvoja i primjene suvremenih materijala, 2000
44