Luento 3 materiaalin valintaprosessi 2013
Sponsored Links
This presentation is the property of its rightful owner.
1 / 66

LUENTO 3 Materiaalin valintaprosessi 2013 PowerPoint PPT Presentation


  • 197 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

BK50A2300 Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta Luennot / syksy 2013 TkT Harri Eskelinen. LUENTO 3 Materiaalin valintaprosessi 2013. Tämän luentokerran tavoitteet:

Download Presentation

LUENTO 3 Materiaalin valintaprosessi 2013

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


BK50A2300 Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta Luennot / syksy 2013TkT Harri Eskelinen

LUENTO 3

Materiaalin valintaprosessi

2013


  • Tämän luentokerran tavoitteet:

  • Opiskelija osaa suorittaa materiaalin valinnan käyttökohteen vaatimusten mukaisesti systemaattista “prosessimallia” ja toimintatapaa soveltaen


Materiaalin valinta

  • Materiaalin valinnan merkitys korostuu jatkuvasti:

    • Materiaalitekniikan nopea kehittyminen

    • Materiaalien lukumäärän kasvu ja materiaalien ominaisuuksien kehittyminen

    • Taloudelliset seikat korostuneet

    • Ympäristön huomioonottaminen osin jopa lakisääteistä


Materiaali vai konstruktiomateriaali?Tuotteen materiaali?


Materiaalin valintaan vaikuttavat päätekijät

  • A. Kustannukset

    • Kokonaiskustannukset eliniän aikana

    • Materiaalin hankintakustannukset

    • Valmistuskustannukset

    • Käytön aikaiset kustannukset

    • Laadunvalvontakustannukset

    • Hävittämis- ja/tai kierrätyskustannukset

    • Hallinnolliset kustannukset


  • B. Toimintojen asettamat vaatimukset

    • Kuorman kantaminen

    • Muodon säilyttäminen

    • Kulumisen kesto

    • Energia-absorptio

    • jne.


  • C. Käyttöympäristön asettamat vaatimukset

    • Lämpötila

    • Korroosio

    • Vanheneminen

    • Kosteuden imeytyminen

    • jne.


  • D. Valmistusmenetelmän asettamat vaatimukset

    • Hitsattavuus

    • Valettavuus

    • Lastuttavuus

    • Muokattavuus ja muovattavuus

    • Pintakäsiteltävyys


Valmistusmenetelmän valinta

Materiaalinvalinta

Materiaalin valinnassa on tehtävä kompromisseja

Koneenosan geometria

ja muut vaatimukset

Suunnittelijan on tehtävä kompromissi kolmen näkökohdan kesken


Tuotteen toiminto-vaatimukset on täytettävä


Voidaanko aineenkoetuskokeiden tuloksia hyödyntää suoraan materiaalia valittaessa?

Käytännön koneensuunnittelussa on otettava huomioon ainakin seuraavat näkökohdat:

  • 1) Todellisen koneenosan kuormitus poikkeaa laboratoriossa tehdystä materiaalitestin kuormituksesta. Yleensä kyseessä on yhdistetty kuormitustapaus.

  • 2) Laboratoriossa käytetyn koesauvan ja todellisen koneenosan geometria, mitat ja pinnanlaatu eroavat toisistaan.

  • 3) Laboratorio-olosuhteet eivät vastaa todellisia muuttuvia käyttöolosuhteita.

  • 4) Todellisissa koneenosissa käytettävissä materiaaleissa voi esiintyä ominaisuusvaihtelua esim. sulatuserän mukaan.

  • 5) Todelliset koneenosat liittyvät monesti osaksi suurempaa kokoonpanoa, jolloin eri osien yhteisvaikutus on otettava huomioon.


Toiminta käytännön mitoitustehtävissä:Edellä esitetyt erot laboratoriokokeiden ja todellisen koneenosan käyttötilanteen välillä voidaan ottaa huomioon esim. seuraavasti:

  • 1) Hyödynnetään perusaineenkoetuskokeiden perusteella laadittuja materiaalikohtaisia taulukoita eri kuormitus-tapausten yhdistelmille

  • 2) Otetaan koneenosan geometrian, mittojen ja pinnanlaadun erot tutkittuun koesauvaan nähden huomioon kertoimilla

  • 3) Käytetään mitoituksessa haluttua vauriotodennäköisyys-kriteeriä ja varmuuskerrointa ko. epävarmuustekijöiden huomioon ottamiseksi

Oikean konstruktiomateriaalin valinta on eräs haasteellisimmista koneenrakennuksen tehtävistä!


Materiaalin valintaprosessi

  • Materiaalin valinta on prosessi, joka tähtää sellaisen konstruktiomateriaalin valintaan, että vaaditut tuotteen toiminnot voidaan toteuttaa mahdollisimman tehokkaasti, turvallisesti ja taloudellisesti siltä osin kuin toimintojen toteutuminen on materiaalista riippuvaista.

  • Valintaprosessi voidaan toteuttaa joillakin seuraavista tavoista (joskus puhutaan ”valintajärjestelmistä”):

    • 1Yksinkertaistettu valintaprosessi

    • 2 Vaatimus- ja ominaisuusprofiilien yhteensovittamiseen perustuva prosessi

    • 3 Materiaalin valinta jakamalla konstruktio osakokonaisuuksiin

    • 4 Materiaalin valinta käyttämällä apuna ominaisuuskarttoja ja toimivuusindeksejä

    • 5 Nelikenttien käyttö materiaalin valinnassa

    • 6 Elinkaarikustannusanalyysin (LCC) ja elinkaariarvioinnin (LCA) soveltaminen

      materiaalin valintaan


Missä vaiheessa materiaalin valinta tehdään?


KEINO 1

Materiaalin yksinkertaistettu valintaprosessi sisältää:

  • 1) Käyttökohteen asettamien vaatimusten kokoamisen (toiminnalliset, ympäristöön liittyvät ja valmistukselliset)

  • 2) Käyttökohteen asettamien vaatimusten muuttamisen vastaamaan vaadittavia teknisiä materiaaliominaisuuksia

  • 3) Materiaalivaihtoehtojen etsimisen esim. materiaalikaaviosta

  • 4) Alustavan valinnan materiaalipääluokkien ominaisuuksien mukaan tai nk. yleisyysperiaatteen mukaan (edes) yhden referenssimateriaalin löytämiseksi


KEINO 1

  • 5) Vaihtoehtojen täydentämisen ottamalla huomioon lämpökäsittelyjen ja pinnoituksen tarjoamat mahdollisuudet materiaali-ominaisuuksien parantamiseen

  • 6) Konkreettisten lukuarvojen kokoamisen ja vertailun vaadittujen ominaisuuksien suhteen sekä mahdollisten vaihtoehtojen listaamisen

  • 7) Saatavissa olevien aihiokokojen ja nimikkeiden selvittämisen sekä käytettävissä olevien standardimateriaalilaatujen etsimisen

  • 8) Kustannusvertailun ja lopullisen valinnan


Yksinkertaistetun valintaprosessin kaavioesitys

KEINO 1

TOIMINTOJEN ASETTAMAT VAATIMUKSET

YMPÄRISTÖOLOSUHTEIDEN ASETTAMAT VAATIMUKSET

KÄYTTÖKOHTEEN ASETTAMIEN VAATIMUSTEN MUUTTAMINEN VASTAAVIKSI MATERIAALIOMINAISUUKSIKSI

KONEENOSAN MATERIAALIVAIHTOEHDOT

MEKAANISET OMINAISUUDET

KUSTANNUKSET

VALMISTETTAVUUS

KONKREETTISET LUKUARVOT OBJEKTIIVISTA VERTAILUA VARTEN

KONEENOSAN STANDARDIN MUKAISEN MATERIAALIN VALINTA


KEINO 2

Vaatimus- ja ominaisuusprofiilien yhteensovittamiseen perustuva prosessi

  • 1. Vaatimusprofiilin laadinta

    • Tuotteen toiminnon asettamat vaatimukset

    • Käyttöympäristön asettamat vaatimukset

    • Valmistettavuuden selvitys (menetelmät)

    • Alustava kustannustarkastelu (eri materiaalien saatavuus, varastotilanne)

  • Vaatimukset => materaaliominaisuudet, jotka ovat merkittäviä valinnassa


KEINO 2

  • 2. Valintastrategian päättäminen

    • Halpa valmistus ja hinta => käytönaikaisten kustannusten hyväksytään kohoavan (käyttöikä laskee)

    • Paras mahdollinen tuote ja minimi-käyttökustannukset (käyttöikä kasvaa)

    • Alustavan elinkaari-ajattelun toteuttaminen


KEINO 2

  • 3. Materiaalien esivalinta

    • Vaihtoehtojen listaus

    • Epätodennäköisten karsinta

  • 4. Ominaisuusprofiilien kokoaminen

    • Materiaalitietojen hankinta taulukoista yms.

    • Eri ominaisuuksien painottaminen ja painotetun ominaisuusprofiilin laadinta

    • Tunnuslukujen (vertailulukujen) laskenta eri materiaaleille


KEINO 2

  • 5. Vaatimus- ja ominaisuusprofiilien yhteensovitus (= lopullinen valinta)

    • Eri materiaalien vertailu (tunnusluvut) => parhaan valinta

    • Reunaehtojen (saatavuus, valmistettavuus jne.) tarkistus


KEINO 2

6. Käyttöseuranta

  • Prototyyppi

  • Käyttökokemukset

  • Uudelleenarvioinnit ja mahdollinen valintamenettelyn uusiminen

  • Virheistä voi oppia ja vaurioanalyysi ei ole pelkkää syyllisten etsintää, vaan sitä voidaan käyttää ja tulee käyttää suunnittelun apuvälineenä…


Muodon säilyttäminen

Kuormankantokyky

Jännitys

Jännityskeskittymät ja

Vaihteleva kuormitus

Iskumaiset kuormitukset

Kuluminen

Valmistettavuus

Kustannukset

Kovuus, lämpölaajenemiskerroin, kimmo- ja liukumoduuli

Myötöraja, väsymislujuus

Sitkeys, loviherkkyys, haurastumistaipumus

Väsymislujuus, lovenvaikutusluku, kestävyys termistä väsymistä vastaan

Haurasmurtumistaipumus, iskusitkeys, transitiolämpötila

Adhesiivisuus, kovuus, kitkakerroin

Valettavuus: sulamispiste, jähmettymisalue, juoksevuus, lämpökapasiteetti, sulamislämpö Kylmämuovattavuus: muokkauslujittumiskyky (tasavenymä), anisotrooppisuus (r-arvo), rajamuovattavuuspiirros Lastuttavuus: teknologisten kokeiden tulokset jne.

Kilohinta, valmistus-, lämpökäsittely- ja viimeistelykustannukset

KEINO 2

Vaatimusprofiili

Mitä vaaditaan /halutaan? Vastaava materiaaliominaisuus Mikä on käyttötilanne?


KEINO 2

Vaatimusprofiilin laadinta

  • Menetelmät:

    • Omakohtainen harkinta / kokemus

    • Erilaiset kyselyt (aikaisempien vastaavien tuotteiden kohdalla)

    • Vauriotapausten ja reklamaatioiden seuranta (aikaisempien vastaavien tuotteiden kohdalla)

    • Kaikki valintaan vaikuttavat vaatimukset tulisi ottaa huomioon


KEINO2

Valintakriteerin tunnistaminen

  • Onko määräävä kriteeri esim. “pelko kappaleen vaurioitumisesta” eli murtorajatila?

Jatkuu…


KEINO 2

  • Vai onko määräävä kriteeri esim. “pelko kappaleen liian suurista muodonmuutokista”, vaikka varsinainen vaurioituminen ei uhkaa eli käyttörajatila?


Käyrä (6.11) perustuu palkin keskiosan enimmäistaipumaan, joka on jännevälin l/200-osa.Lähtöarvo q/b/E lasketaan käyttörajatilan kuormitusyhdistelmällä ja kimmomoduulilla (E).

Käyrä (6.11) perustuu palkin keskiosan enimmäistaipumaan, joka on jännevälin l/200-osa.Lähtöarvo q/b/E lasketaan käyttörajatilan kuormitusyhdistelmällä ja kimmomoduulilla (E).Kuva 6.10 Yksiaukkoisen vapaastituetun liimapuupalkin mitoitus kestävyydelle. Suorat palkit, harja- ja pulpettipalkit. Kiepahdus- ja nurjahdusmahdollisuus oletetaan olevan estetty. Käyrä A = Suora palkki. Käyrä B = Harja- ja pulpettipalkki 1:20. Käyrä C = Harja ja pulpettipalkki 1:16. Mitoitusnomogrammi EC5 mukainen. Laskentakuorma qd lasketaan varmuuskertoimilla.


Toimintaa kuvaavasta vikapuusta/ kaaviosta tulisi pystyä

siirtymään materiaalinvalintaa varten tuotettuun

vauriotyyppimatriisiin


KEINO 2


KEINO 2

Ominaisuusprofiilin laadinta

  • Ominaisuusprofiili vastaa seuraaviin kysymyksiin:

    • Mitä materiaaliominaisuuksia asetetut vaatimukset edellyttävät?

    • Mitkä ovat ko. ominaisuudet (niiden lukuarvot) kysymykseen tuleville materiaaleille?

    • Mikä on kunkin ominaisuuden painoarvo (merkitys) tuotteen toiminnan kannalta (ominaisuuksien tärkeysjärjestys)?

    • Mitä ominaisuuksia ei (välttämättä) tarvita?


KEINO 2

Vaatimusten ja ominaisuuksien yhteensovittaminen

  • Voidaan tehdä esimerkiksi seuraavilla tavoilla:1. Hyväksymisperiaate

    • Esim. ”totuustaulukko”

    • Täyttääkö materiaalivaatimukset

  • 2. Arvoanalyysiin pohjautuva materiaalin valinta

    • A. Vertailulukujen määritys1. Ominaisuudet numeroarvoiksi2. Valmistuskustannusten selvittäminen3. Painokertoimen määritysa)harkinnanvarainenb)taulukkomenetelmä

    • B. Alustavan vertailun suorittaminen

    • C. Edullisimpien vaihtoehtojen vertailu yksityiskohtaisemmin

    • D. Lopullinen valinta


KEINO 2


KEINO 3

Materiaalin valinta jakamalla konstruktio osakokonaisuuksiin

  • Lähtökohtana on teknisen, toimintoja toteuttavan systeemin / konstruktion jakaantuminen osakokonaisuuksiksi, jotka edelleen jakaantuvat komponenteiksi

    • Tekninen systeemi = polkupyörä

    • Osakokonaisuus = polkupyörän etupyörä

    • Komponentit = vanne, napa, pinnat, sisärengas, ulkorengas, akseli, laakerikuulat

    • Materiaalit on valittava

      • toimimaan yksittäisinä ratkaisuina kunkin komponentin vaatimusten mukaisesti

      • ja materiaalipareina (esim. korroosio- tai kulumisparit)

      • sekä kokonaisuutena (esim. pyrkimys kokonaismassan minimointiin, liitokset)


KEINO 4

Materiaalin valinta käyttämällä apuna ominaisuuskarttoja

  • Perusajatuksena on, että materiaaleja voidaan täysipainoisesti käyttää vain ominaisuuksien tiettyjen lukuarvojen välillä

  • Useimmiten materiaalin ”toimivuus” on yhdistelmä kahdesta tai useammasta ominaisuudesta, esim. lujuus/tiheys tai jäykkyys/tiheys

  • Kunkin materiaaliryhmän sisällä ominaisuudet vaihtelevat tietyissä, ryhmälle tyypillisissä rajoissa.


KEINO 4


KEINO 4

Valintakartat

  • Materiaaliominaisuudet voidaan esittää koordinaatistossa, jonka akseleina ovat toimivuutta rajoittavat ominaisuudet. Kutakin materiaaliryhmää edustaa tällöin oma alueensa. Esim.:

    • Kimmomoduuli - tiheys tai lujuus - tiheys y- ja x-akseleina

    • Koordinaatistossa on helppo esittää materiaaliryhmien ominaisuusalueet

    • Eri kuormitustilanteita vastaten koordinaatistoon voidaan piirtää nk. toimivuusindeksejä apuna käyttäen esim. rakenteen painon minimointiin tähtäävät "opassuorat”, jotka rajaavat kelpaavat ja hylättävät materiaalit


KEINO 4


KEINO 4

Toimivuusindeksin määritys

  • Tuotteen tai rakenneosan muotoilu riippuu toiminnallisista vaatimuksista, geometrisista rajoituksista ja materiaaliominaisuuksista.

  • Optimaalinen muotoilu on sellaista tuotteen geometrian ja materiaalin toisiinsa sidottua valintaa, joka parhaalla mahdollisella tavalla johtaa toiminnallisten vaatimusten täyttymiseen.

  • Monesti toimivuusindeksiä kutsutaan myös ominaisuuskohtaiseksi vertausluvuksi. Vertailulukuja on johdettu ja taulukoitu valmiiksi eri kuormitustapauksille, perusgeometrioille ja toimintovaatimuksille.


KEINO 4


KEINO 4

  • Eri toimivuusindeksit edustavat kartoissa suoria, joilla on erilainen kaltevuus kartasta ja indeksistä riippuen. Seuraavassa kuvassa on esitetty kimmomoduuli-tiheyskartta, johon on piirretty toimivuusindeksien E/ρ (vetosauva), E½/ρ(taivutuspalkki) ja E1/3/ρ (levy) vakioarvoja vastaavat suorat.

  • Samalle suoralle sattuvat materiaalit ovat samanarvoisia ko. toimivuusindeksiä vastaavan kriteerin kannalta (jäykkyys); suoran yläpuolella sijaitsevat ovat parempia ja alapuolella olevat huonompia.


KEINO 4

VETO

TAIVUTUS

LEVY

Valinta huononee

Valinta paranee


KEINO 4

Toimivuusindeksin (vertailuluvun) käyttö

  • Toimivuuden maksimoiva materiaalin valinta suoritetaan valitsemalla opassuora, jolla on mahdollisimman suuri toimivuusindeksin arvo ja joka rajoittaa etsintäalueen sellaiseksi, että siinä on järkevästi käsiteltävissä oleva määrä vaihtoehtoja lopullista valintaa varten.

  • Primääriset materiaalinvalinnan rajaehdot on luonnollisesti pidettävä mukana etsintäalueen rajaamisessa (ks. seuraava kuva).


Reunaehto

Sovelluskohteeseen

valittiin taivutuspalkki

vetosauvan tai levyn

sijasta (jyrkin suora)

KEINO 4


KEINO 4

  • Usein materiaalin valintaongelmissa rajoituksia on lukumääräisesti enemmän kuin vapaita muuttujia

  • Toimivuusindeksit voidaan tällöin laskea tärkeysjärjestykseen asetetuille ominaisuuksille erikseen ja ottaa lopulliseen vertailuun eri toimivuusindeksien mukaan lupaavimmat materiaalivaihtoehdot


KEINO 5

Nelikenttien käyttö valinnassa


KEINO 5


  • Nelikenttä analyysissä sama materiaali tulisi sijoittaa jokaiseen neljännekseen valinnan helpottamiseksi!

Murtolujuus kasvaa

Hitsattavuus paranee

Korroosionkesto paranee

Lastuttavuus paranee


Suuri murtolujuusHyvä hitsattavuus

Suuri murtolujuusHyvä korroosionkesto

” Eivät säikähdä

hitsaamista lujuuden

kustannuksella…”

” Eivät säikähdä

ulkoisia kuormituksia…”

” Tarkat geometriat

vaikeisiin

olosuhteisiin…”

” Valmistukselle

helppoja…”

Hyvä lastuttavuusHyvä korroosionkesto

Hyvä lastuttavuusHyvä hitsattavuus


KEINO 6

Elinkaarikustannusanalyysi materiaalinvalinnassa

  • Life Cycle Cost (LCC), tuotteen elinkaaren aikaiset kustannukset

    • Pyritään ottamaan huomioon kaikki tuotteen tai järjestelmän koko elinkaaren aikana syntyvät merkittävät kustannukset riippumatta siitä, missä elinkaaren vaiheessa kustannukset syntyvät


KEINO 6

LCC-tarkastelun tavoitteet

  • saada kokonaiskuva siitä, mitä tuotteen omistaminen maksaa sen koko elinkaaren aikana

  • tuoda esiin muutosehdotuksia, joilla tuotteen taloudellisuutta voidaan parantaa kohdentamalla resurssit uudella tavalla


KEINO 6

Elinkaarikustannusanalyysi materiaalinvalinnassa

  • Materiaalinvalinta vaikuttaa suoraan tuotteen materiaali- ja valmistuskustannuksiin sekä epäsuorasti käyttö- ja kunnossapito-kustannuksiin.

  • Valituilla materiaaleilla on suuri merkitys tuotteen käyttövarmuuteen.

  • Materiaalinvalinnalla voidaan vaikuttaa tuotteiden elinkaarikustannuksiin erityisesti tapauksissa, joissa rakenteiden korroosio, murtuminen, kuluminen yms. tekijät rajoittavat elinikää.


KEINO 6

Elinkaariarviointi LCA

  • Tuotteeseen liittyvien ympäristökuormien arvioiminen tunnistamalla ja laskemalla mm. käytetyn energian, materiaalien ja ympäristöön päästettyjen jätteiden määrät

  • Energian ja materiaalien käytön ja niistä seuraavien päästöjen vaikutusten arvioiminen ja ympäristöllisten parannusmahdollisuuksien arvioiminen ja toteuttaminen


KEINO 6

  • Elinkaariarviointi (LCA) sisältää tuotteen koko elinkaaren käsittäen myös raaka-aineiden rikastamisen ja prosessoimisen, valmistamisen, kuljetuksen ja jakelun, käytön, uudelleenkäytön ja ylläpidon, kierrätyksen ja lopullisen hävittämisen


KEINO 6

Elinkaariarviointi (LCA) materiaalinvalinnassa

Periaatteellinen esimerkki:

  • Linja-auton kori, RST vs Al

    • kori kevenee - tehon tarve pienenee - matkustajien määrä lisääntyy

    • edellyttää materiaalin käytön optimointia, koska huonosti suunniteltu Al-tuote ei ole terästä kevyempi

    • alumiinin kierrätys


Huom!

  • Materiaalin valintaprosessin toteutukseen palataan uudelleen, kun luennoilla puhutaan

    • Kierrätettävyydestä

    • Kustannuksista

    • Valintaohjelmistoista ja tietokannoista


Esimerkki valintasivustosta:

  • http://www.format.mwn.de/Werkstoffe/statisch/werkstoffsuche/werkstoffsuche_de.jsp


  • Login