Projektowanie materiałowe NAUKA O MATERIAŁACH OPRACOWAŁ: EUGENIUSZ GRONOSTAJ

Transkrypt

1 Projektowanie materiałowe NAUKA O MATERIAŁACH OPRACOWAŁ: EUGENIUSZ GRONOSTAJ

2 Temat 1 PROCES WYTWARZANIA PRODUKTÓW

3 Proces wytwarzania produktów Proces przetwarzania surowców materiałowych w produkty zwany jest wytwarzaniem. Wytwarzanie polega na wykonywaniu produktów z surowców materiałowych w różnych procesach, przy użyciu różnych maszyn i w operacjach zorganizowanych zgodnie z dobrze opracowanym planem. Proces wytwarzania polega zatem na właściwym wykorzystaniu zasobów: materiałów, energii, kapitału i ludzi.

4 Cel i aspekty wytwarzania Celem wytwarzania jest zaspokajanie potrzeb rynkowych klientów, zgodnie z opracowaną strategią przedsiębiorstwa lub organizacji zajmującej się zajmującej się wytwarzaniem wykorzystującej dostępne możliwości i urządzenia.

5 Ogólny model wytwarzania (I)

6 Elementy systemu wytwarzania Elementami systemu wytwarzania są: System projektowania inżynierskiego System wytwarzania System zarządzania dostaw, System zarządzania

7 Systemy wytwarzania (I)

8 Projektowanie (I) PROJEKTOWANIE jest procesem przekładania idei lub wymagań rynku na szczegółowe informacje umożliwiające wykonanie danego wyrobu. Każdy z etapów tego procesu wymaga decyzji dotyczących materiałów, z których ten wyrób ma być wykonany. Zastosowanie nowego materiału może być inspiracją do zaprojektowania nowego produktu lub powstanie nowego produktu wymaga stworzenia nowego materiału.

9 Projektowanie - podział PROJEKT ORYGINALNY dotyczy wyrobu, który ma funkcjonować według jakiejś nowej zasady. Tworzenie nowych materiałów o unikatowych właściwościach przyczynia się do tworzenia oryginalnych projektów (krzem wysokiej czystości >>> powstanie tranzystora, szkła wysokiej czystości >>> wykonanie światłowodów, materiały magnetyczne o dużej koercji >>> miniaturowe słuchawki, nadstopy (stopy żaroodporne i żaro wytrzymałe) >>> turbiny gazowe).

10 Projektowanie - podział PROJEKT ADAPTACYJNY (rozwojowy) jest projektem, w którym dąży się do istotnej poprawy właściwości użytkowych przez stosowne przeprojektowanie działającego dotąd urządzenia. Skala produkcji tego rodzaju urządzeń i przyrządów jest bardzo duża i cechuje ją duża konkurencyjność stąd sposób wykorzystania nowych materiałów w ulepszanych wyrobach determinuje często rynkowe sukcesy lub klęski producentów

11 Temat 2 PROJEKTOWANIE INŻYNIERSKIE

12 Projektowanie inżynierskie Projektowanie inżynierskie związane jest z określeniem kształtu produktu i jego elementów, doborem materiałów oraz odpowiednich procesów technologicznych. Wymagania - zaprojektowany produkt musi spełniać parametry odpowiadające w pełni jego założonym funkcjom użytkowym, jak również wymagania co do kształtu, a także tolerancje wymiarowe. Projekt musi obejmować ponadto zestawienie materiałów, metody produkcji i inne niezbędne informacje

13 Elementy projektowania inżynierskiego Projektowanie konstrukcyjne, którego celem jest opracowywanie kształtu i cech geometrycznych produktów zaspokajających ludzkie potrzeby. Projektowanie materiałowe w celu zagwarantowania wymaganej trwałości produktu lub jego elementów wytworzonych z materiałów inżynierskich o wymaganych własnościach fizykochemicznych i technologicznych. Projektowanie technologiczne procesu umożliwiającego nadanie wymaganych cech geometrycznych i własności poszczególnym elementom produktu, a także ich prawidłowe współdziałanie po zmontowaniu.

14 Elementy projektowania inżynierskiego

15 Projektowanie materiałowe Projektowanie materiałowe realizuje się w celu zagwarantowania wymaganej trwałości produktu lub jego elementów wytworzonych z materiałów inżynierskich o wymaganych własnościach fizykochemicznych i technologicznych. MATERIAŁAMI (inżynierskimi) nazywa się skondensowane (stałe) substancje, których właściwości czynią je użytecznymi dla ludzi gdyż wykonuje się z nich złożone produkty pracy.

16 Klasyfikacja materiałów inżynierskich Podział z uwagi na występowanie w przyrodzie: Materiały naturalne - do technicznego zastosowania wymagają jedynie nadania kształtu (drewno, kamienie, skały i minerały); Materiały sztuczne - nie występują w naturze wymagają zastosowania złożonego procesu(ów) wytwórczego; Sposób uporządkowania atomów w przestrzeni: Materiały krystaliczne; Materiały amorficzne

17 Klasyfikacja materiałów inżynierskich Podział z uwagi na naturę wiązań międzyatomowych metale; polimery; ceramika; kompozyty.

18 Metale Metale charakter wiązań metalicznych zapewnia im takie cechy jak: duża przewodność elektryczna i cieplna oraz połysk metaliczny nadają swobodne elektrony walencyjne, nieprzezroczystość, możliwość odkształcenia plastycznego.

19 Polimery POLIMERY - makrocząsteczki złożone z identycznych ogniw zwanych merami, nazywane też plastikami lub tworzywami sztucznymi są materiałami organicznymi. Cechy charakterystyczne: mała gęstość, właściwościami izolacyjne, zarówno cieplne jak i elektryczne, słabo odbijają światło tendencja do przezroczystości, duża giętkość i odkształcalność (elastomery, gumy), nie nadają się do pracy w podwyższonej temperaturze

20 Ceramika I CERAMIKA to stechiometryczne związki jonowo połączonych jednego, lub kilku pierwiastków metalicznych z niemetalicznymi. Cechy charakterystyczne: wysoka twardość i kruchość, większa od metali odporność na działanie wysokiej temperatury i agresywność środowiska, mała przewodność i rozszerzalność cieplna, izolatory, choć niektóre wykazują właściwości półprzewodnikowe, a niedawno odkryto również ceramiczne wysokotemperaturowe nadprzewodniki.

21 Ceramika II Podział materiałów ceramicznych: ceramika inżynierska, cermetale, ceramika porowata, szkła, ceramika szklana

22 Kompozyty KOMPOZYTY materiał utworzony z co najmniej dwóch materiałów (faz) o różnych własnościach w taki sposób, że uzyskane własności są lepsze od każdego składnika osobno, a także lepsze od wynikających z prostego sumowania tych własności. Użytkowe funkcje materiałów tworzywa: konstrukcyjne, funkcjonalne, biomedyczne, budowlane, włókniste.

23 Dobór materiałów Dobór materiału towarzyszy procesowi projektowania na wszystkich etapach. Ogromna różnorodność dostępnych materiałów sprawia jednak, że wybór jednego, konkretnego materiału jest często procesem bardzo złożonym. Projektant potrzebuje więc dodatkowych wskazówek, pomagających mu poruszać się po tym labiryncie rożnych możliwości.

24 Etapy projektowania

25 Etap I projekt koncepcyjny Tworząc projekt koncepcyjny, projektant potrzebuje przybliżonych danych dla możliwie największej liczby materiałów. Wszystkie możliwości są jeszcze otwarte: dla jednej opcji najlepszy może być materiał polimerowy, a dla innej metaliczny, pomimo że chodzi o tę samą funkcję. Na tym etapie problemem nie jest dokładność danych, lecz tylko ich przedział i dostępność.

26 Etap II projekt ogólny Przy opracowywaniu projektu ogólnego są potrzebne dane o większym stopniu szczegółowości i dokładności, lecz dla znacznie węższego podzbioru wstępnie wybranych materiałów. Można je znaleźć w podręcznikach, poradnikach lub komputerowych bazach danych. Przedstawiane są w nich w postaci - liczb, wykresów i porównań.

27 Etap III projekt końcowy W etapie końcowym, tzn. projekcie szczegółowym, wymagana jest jeszcze większa dokładność i szczegółowość, lecz już tylko dla jednego bądź nielicznych materiałów. Takich danych najlepiej szukać w publikacjach wydawanych przez producenta konkretnego materiału.

28 Czynniki decydujące o doborze materiałów inżynierskich Ogólne - względny koszt, gęstość, Mechaniczne - moduł sprężystości, wytrzymałość, odporność na pękanie, wskaźnik zmęczeniowy. Cieplne - przewodność cieplna, dyfuzyjność, pojemność cieplna, temperatura topnienia, temperatura zeszklenia, współczynnik rozszerzalności cieplnej, odporność na udary cieplne, odporność na pełzanie. Zużycie - wskaźnik zużycia. Korozja - wskaźnik korozyjny.

29 Zadanie 1 Znaleźć następujące dane dla materiału ABS (akrylonitryl-butadien-styren): Właściwości cieplne: przewodność cieplna, rozszerzalność temperaturowa, ciepło właściwe, maksymalna temperatura pracy. Właściwości elektryczne: oporność, stała dielektryczna. Właściwości mechaniczne: moduł Younga, twardość Vicker a, granica sprężystości, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie, granica wytrzymałości, odporność na pękanie.

30 Zadanie 2 Jakie są typowe zastosowania materiału PTFE? Jaka jest temperatura topnienia oraz maksymalna temperatura pracy tego materiału?

31 Temat 3 METODYKA DOBORU MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH

32 Zasady określania kryteriów do wyboru materiałów Liczba materiałów dostępnych na runku sięga już dziesiątków tysięcy. Wybór właściwego materiału do konkretnego zastosowania staje się, więc problemem samym w sobie. Aby go rozwiązać konieczny jest dostęp do elektronicznych baz danych zawierających użyteczne informacje na temat jak największej liczby materiałów oraz oprogramowania pozwalającego dokonywać selekcji na podstawie kryteriów określonych przez konstruktora.

33 Zasady określania kryteriów do wyboru materiałów Dobór materiałów jest procesem, który polega na znalezieniu materiału, który najlepiej nadaje się do określonego zadania celu projektu przy założonych ograniczeniach. Trudność polega na tym, że nie wystarczy wybrać materiał ze względu na minimalną lub maksymalną wartość jakiejś własności (wytrzymałość, sztywność itp.), ale dodatkowo trzeba uwzględnić wymagania funkcjonalne, geometrię i inne ograniczenia.

34 Zasady określania kryteriów do wyboru materiałów Zagadnienie sprowadza się do znalezienia tzw. wskaźnika funkcjonalności zależnego od własności materiałowych. Wyznaczenie wskaźnika funkcjonalności odbywa się wg następującego algorytmu:

35 Algorytm wyznaczania wskaźnika funkcjonalności 1. Ustalenie cechy podlegającej optymalizacji. 2. Wyprowadzenie równania cechy w postaci przedstawiającej wymagania funkcjonalne (uwzględniające cechy geometryczne, funkcjonalne i materiałowe) funkcja celu. 3. Ustalenie ograniczeń projektowych. 4. Wyprowadzenie równań przedstawiających ograniczenia projektowe. 5. Ustalenie zmiennych swobodnych (niewyszczególnionych w projekcie).

36 Algorytm wyznaczania wskaźnika funkcjonalności 6. Podstawienie zmiennych swobodnych wyliczonych z (d) do równania (b). 7. Pogrupowanie zmiennych w trzy zbiory: funkcjonale (obciążenia, ugięcia ), geometryczne (wymiary, momenty bezwładności przekrojów ) i materiałowe (własności). 8. Odczytanie wskaźnika funkcjonalności M.

37 Dobór materiałów za pomocą wykresów własności Dogodnym sposobem ilościowej prezentacji właściwości materiałów są wykresy doboru materiałów, na których jedna z właściwości jest zestawiana z inną na wykresie z podziałką logarytmiczną. Przykład: moduł Younga E jest zestawiony z gęstością

38 Moduł Younga (E) zestawiony z gęstością E- moduł sprężystości wzdłużnej, K sprężystość objętościowa, G sprężystość poprzeczna (

39 Wskaźniki materiałowe w projektowaniu i doborze materiałów

40 Dobór materiałów za pomocą wykresów własności Zakres wartości na osiach wykresu jest tak dobrany, aby objąć wszystkie materiały, od najlżejszych, najdelikatniejszych pianek do najwytrzymalszych i najcięższych metali. Dane dotyczące poszczególnych rodzajów materiałów są na wykresach obwiedzione liniami zamkniętymi i zawierają informacje o wszystkich materiałach określonego rodzaju. Proces doboru materiałów opiera się na analizie właściwości użytkowych wyrobu i polega na wyselekcjonowaniu z grupy wszystkich materiałów kolejno podgrupy, zmniejszonego zestawu materiałów i w końcu konkretnego materiału spełniającego założone kryteria.

41 Wskaźniki funkcjonalności zadanie1 Zadanie: Dokonaj wyboru materiału na wał spełniący następujące warunki - minimum masy przy maksimum wytrzymałości dla Minimalna masę gwarantują materiały o małej gęstości ρ, zaś dobrą wytrzymałość materiały o wysokiej granicy plastyczności R e lub wytrzymałości R m. Czy zatem należy szukać materiału, który jest lekki, czy który jest wytrzymały? Rozwiązanie strona internetowa

42 Wybór materiału spełniającego kryterium minimum masy przy maksimum wytrzymałości (

43 Wskaźniki materiałowe - przykład Potrzebny jest materiał na lekki sztywny pręt poddany rozciąganiu, który ma mieć minimalną masę. Pręt nie może ulec wydłużeniu trwałemu, określona jest wartość dopuszczalnego odkształcenia sprężystego. m (masa) = A * L * ρ σ (naprężenie) = F/A Prawo Hook`a σ (naprężenie) = E * εn m = (F/εn) (L) (ρ/e) min M = E/ρ max (wskaźnik funkcjonalności) Gdzie: ρ gęstość, F siła rozciągająca, A - pole przekroju poprzecznego εn odkształcenie, E moduł Younga

44 Schemat wykresu sztywność-gęstość, z zaznaczonymi liniami przewodnimi dla zaprojektowania konstrukcji sztywnej i lekkiej (

45 Wytrzymałość i gęstość

46 Wytrzymałość i względny koszt

47 Wytrzymałość i odporność na pękanie

48 Pękanie i gęstość

49 Moduł sprężystości i współczynnik tłumienia

50 Nośność łożyska współczynnik zużycia

51 Wytrzymałość - temperatura

52 Rozszerzalność i przewodność

53 Założenia do projektu (wybór własny) Definicje elementu wraz z jego szkicem, na którym umieszczone są główne gabaryty oraz wymiary, Analiza warunków pracy (środowisko, w jakim dany element pracuje, temperatura pracy, naprężenia, jakim jest on poddawany), Przegląd różnego rodzaju materiałów inżynierskich, z których detal może być wykonywany (podstawowe własności materiałów), Opis wybranego materiału wraz z jego oznaczeniami wg norm europejskich lub branżowych, Określenie wybranych technologii przetwarzania materiału z półwyrobu w gotowy detal (odlewnictwo, przeróbka plastyczna, obróbka skrawaniem),

54 Założenia do projektu (wybór własny) Opis podstawowych procesów technologicznych występujących podczas produkcji gotowego detalu (obróbka cieplna, cieplno chemiczna, galwaniczna) Szacunkowe obliczenia kosztów materiału z uwzględnieniem odpadów, Szacunkowe obliczenia kosztów wytworzenia jednego detalu, należy uwzględnić wielkość produkcji, koszty roboczogodziny, Porównanie ceny detalicznej oferowanej przez firmę produkującą dany detal z kosztami obliczonymi.