Konstuktiomateriaalit ja niiden valinta Materiaalikustannukset ja kierrätys

1. Konstuktiomateriaalit ja niiden valintaMateriaalikustannukset ja kierrätys Luento 10 TkT Harri Eskelinen 2013

2. OSA 1: Materiaalikustannukset

3. Materiaalikustannusten jaottelu • Materiaalin valintaprosessista puhuttaessa kustannukset jaoteltiin seuraavasti: • Kokonaiskustannukset eliniän aikana • Mukaan lukien materiaalinvalinnan välilliset vaikutukset suunnittelukustannuksiin. (Esim. valutuotteen erityspiirteet) • Materiaalin hankintakustannukset • Perusmateriaali, toimitukset, aineenkoetustodistukset jne. • Valmistuskustannukset • Materiaalin valmistuskustannukset (esim. keraamien sekoitus ja sintraus • Materiaalinvalinnan välilliset vaikutukset valmistuskustannuksiin (Esim. vaadittavat ylimääräiset lämpökäsittelyt, viimeistelyt, tai työstöaikojen kasvu valitusta materiaalista johtuen) • Käytön aikaiset kustannukset • Kestoikä • Laadunvalvontakustannukset • Hävittämis- ja/tai kierrätyskustannukset • Hallinnolliset kustannukset

4. Materiaalikustannusten eri tarkastelutapoja • Raaka-aineiden perushinta, ”[€/kg]” • Materiaalitoimittajan ilmoittama hinta • Pörssihinta (Cu, Al, Ag, jne.) • Tunnettuun perushintaan sidotut vertailukäyrästöt • Suhteelliset hinnat • Muovien vertailu, GJS/GJL/G-X-vertailu • Puolivalmisteiden hinnat • Levyt, tangot, pinnoitukset • Perusmateriaalin hinta + erilaiset lisähinnat • Esim. lämpökäsittelyt • Esim. kokolisähinta • Tuotteen valmistusmenetelmään sidotut materiaalikustannukset • Tuoteperheen materiaalikustannusten arviointi • Tuotteen päätoimintoon ja kestoikään sidotut materiaalikustannukset • Elinkaarikustannusanalyysin ja elinkaariarvioinnin hyödyntäminen materiaalikustannuksia tarkasteltaessa • Kierrätyksen huomioon ottaminen

5. Raaka-aineiden perushinta • Sopii yleensä vain karkeiden hinta-arvioiden tekoon (”halpa”/”kallis”-vertailu) • Monesti antaa enemmän informaatiota kysyntä-tarjonta-tarkasteluille • Materiaalipörssien hintakehitystä voi hyödyntää yleisien teollisuuden talousnäkymien ennakoinnissa ym., ne indikoivat yritysten tulosnäkymiä • Joskus pörssianalyysit kuitenkin antavat viitteitä keskeisistä materiaalin hintaan vaikuttavista tekijöistä, esim. seosaineiden merkityksestä… • Käytännön materiaalinvalintatehtävien ratkaisun apuna voi hyödyntää tunnettuun perushintaan sidottuja vertailukäyrästöjä

6. Esimerkki: Outokummun osavuosikatsauksen tiedoista… Seosaineiden aiheuttaman hintalisän suhteellinen merkitys kasvaa!

7. Ruostumattoman teräksen ja nikkelin hintakehitykset seuraavat yleensä hyvin toisiaan… Mitä vähemmän seostettu teräs, sen halvempi…

8. Esimerkki: Hiilinanoputkien ennakoitu hintakehitys ja kysyntä

9. Joissakin materiaaliryhmissä hinta seuraa suhteellisen hyvin jonkin tunnetun perusmateriaalin hintaa ja riittää, kun perusmateriaalin hinta päivitetään vuosittain • Tällaisia kertoimia voidaan hyödyntää alustavassa materiaalien hintavertailussa • Ennen kertoimien laskemista on syytä seurata vertailtavien materiaalien keskinäistä hintakehitystä usean vuoden ajan, jotta tyypilliset ”markkinatekijät” eivät sekoita kertoimien laskentaa…

10. Jaksot 1 ja 2 Z≈CR HR ≈1.2…1.4×CR Jakso 3 HR ≈ 1.2…1.3 × CR Z ≈ 1.2 × CR (Z ≈ 1.4…1.6 × HR) 1 2 3

11. Yleisillä rakenneteräksillä S235 pyörötanko 50 mm voidaan Asettaa vertailukäyrästön lähtökohdaksi (kg* = 1.0). Riittää, kun tämän tuotekoon hinta ko. materiaalille tunnetaan.

12. Suhteelliset hinnat • Suhteellisten hintatietojen käyttö on toimiva tapa vertailulle, kun • vertaillaan hyvin samantyyppisiä materiaaleja tunnettuun (samaan) käyttökohteeseen ja/tai materiaalin valmistusprosessit ovat samankaltaisia • vertailussa on tarkoitus hyödyntää esim. arvoanalyysiä optimaalisimman materiaalin valitsemiseksi • Täysin erilaisille materiaaleille vertailun mielekkyys on vähintäänkin kyseenalainen…

13. Myötöraja määrää, ei hinta • Eräiden pyörötankomateriaalien suhteellisten hintojen vertailu...Vertailu ei ole kovin mielekäs… Lämpö-käsittelyn hinta määrää Toinen on haponkestävä, se määrää Toinen on rakenteisiin, toinen johde

14. Eräiden polymeerimateriaalien suhteellisia hintoja…Tässä vertaillaan (osin) samaan käyttötarkoitukseen sopivia polymeereja! PEEK /PA6.6 ≈ 9 PI / PA6,6 ≈ 25

15. Samalle valukappaleelle vertailu kolmelle vaihtoehtoiselle materiaalille (valuteräs ja valuraudat valittu kohteeseen sopiviksi):

16. Puolivalmisteiden hinnat • Pelkän raaka-aineen hinta ei yleensä palvele tuotesuunnittelua, parempi lähtökohta on profiilin tai muun puolivalmisteen hintatieto (lisineen)…

17. Puolivalmisteita tilattaessa on etenkin muovituotteiden kohdalla hankaluutena selvittää kaupallisen nimikkeen ja kemiallisen nimikkeen välinen yhteys (sekä muut muovien ominaisuuksiin vaikuttavat tekijät), vaikka itse hintatieto näyttäisi löytyvän suhteellisen helposti…

18. Polyamidin (PA6.6) nimi tulee meerin keskellä näkyvästä NH-CO –ryhmästä, joka on amidiryhmä. Merkintä 6,6 tulee ryhmän molemmin puolin olevien hiiliketjujen hiiliatomien lukumäärästä (6 ja 6).

19. Perusmateriaalin erilaiset lisähinnat • Esimerkkejä: • Lämpökäsittelyt lisäävät aina perusmateriaalin kustannuksia, esim: • jännityksenpoistohehkutus 8 % • pehmeäksi hehkutus 8 % • normalisointi 11 % • nuorrutus 19 %

20. Monesti lämpökäsittelyjen kustannukset riippuvat oleellisesti tarjoavan yrityksen uunien kapasiteetista… Tarjouksissa voi olla suuria eroja tapauskohtaisesti

22. Katkaisulisä

23. Muita lisäkustannuksia ovat esimerkiksi Rahti Pakkaus Kuljetuslavat Mittaukset Ainestodistukset

24. Valmistusmenetelmään sidotut materiaalikustannukset • Eri valmistusmenetelmät on nähtävä toisilleen vaihtoehtoisina. • Valmistusmenetelmä ja konstruktiomateriaali valitaan rinnakkain koneenosan vaatimusten mukaisesti. • Mitä aikaisemmin valmistusmenetelmä tunnetaan, sen valmistusystävällisemmäksi tuote voidaan suunnitella jo heti suunnittelun alkuvaiheista lähtien (DFMA). Vältytään kalliilta muutoksilta myöhemmissä vaiheissa. • Monesti tuotteen valmistus sisältää useita erityyppisiä valmistusvaiheita, joten vertailussa on itse asiassa valmistusvaiheiden ketjuja. Esimerkiksi valumetallin valinta ei suoraan tarkoita valamista suoraan valmiiksi tuotteeksi! • Moniin valmistusmenetelmiin sisältyy tyypillisesti esi- tai jälkikäsittelyvaiheita, jotka on otettava vertailussa huomioon. Monesti nämä riippuvat valitusta materiaalista.

25. 1.Mitkä tekijät puoltavat menetelmän käyttöä kyseiselle materiaalille ?(Esim. “painevalamalla lähelle messinkituotteen loppugeometriaa”) • 2. Mitkä tekijät rajoittavat / vaikeuttavat menetelmän käyttöä kyseiselle materiaalille? (Esim. “lasersäde heijastuu voimakkaasti alumiinista”) • 3.Mitä sovelluksia on perusmenetelmästä ? (Valinta välillävalaminen/ hitsattu/ muokattu ei riitä vaan esim: “kahden materiaalin liittäminen valun yhteydessä” • 4.Menetelmällä saavutettava valmistustarkkuus? (Esim. Keraamista valmistettavan kappaleen IT-aste tms, Ra, ) • 5.Mitkä tekijät vaikuttavat eniten kustannuksiin?(Esim. “jauhemetallurgisessa prosessissa tarvittavan tuotteen raaka-aineen valmistus”) • 6. Mitkä ovat tärkeimmät valmistusmenetelmän yhteydessä hallittavat prosessi-, ohjaus- ja/tai työstöparametrit, joita voi käyttää vertailussa? (Esim. “lastuamissyvyys, -syöttö, - nopeus jne”) • 7.Onko käytettävissä perusmenetelmää, sen sovelluksia, työkaluja, teriä, kiinnittimiä yms. käsitteleviä SFS-, EN- tai ISO- standardeja? (Monesti standardisointi alentaa kustannuksia)

26. 8.Menetelmän sopivuus mekanisointiin, automatisointiin tai robotisointiin? (Esim. eri hitsausprosessit) • 9.Menetelmälle tyypillinen sarjasuuruus?(Sopiiko yksittäiselle tuotteelle vai suursarjoille? Vrt. valumenetelmät) • 10.Onko valitulle materiaalille varta vasten kehitetty jokin valmistus-prosessi? (Esim. eri hitsausprosessit, vrt. TIG) • 11. Mikä on kappaleen koon merkitys valinnassa ?(Esim. “mikrokoneenosien kemiallinen työstö”) • 12.Onko käytettävissä tuotteen valmistamiseksi eri perusmenetelmien yhdistelmiä nk. hybridimenetelmiä? (Tuotannon suunnittelussa ei valita enää yksittäisiä osavalmistusmenetelmiä! Esim. nykyaikaiset levytyökoneet) • 13.Menetelmän sopivuus oman yrityksen tuotantolaitteisiin? (Vai käytetäänkö alihankkijoita) • 14.Perustuuko vertailu konkreettisiin lukuarvoihin?(Esim. sarjan kpl-määrä / käytetty aika tai kustannukset)

29. Tuoteperheen materiaalikustannusten arviointi • Jos suunniteltavat tuotteet tai tuoteperheen eri kokovariantit noudattavat yhdenmukaisuuslakeja, voidaan kustannustietoisessa suunnittelussa arvioida mittakaavasuhteen mukaan muuttuvien tuotekokojen kustannuksia polynomifunktion muotoisella kasvufunktiolla qH : • qH=(Af3×qL3) + (Bf2 × qL2) + (Cf1 × qL) +D • Missä: • qH = uudessa mittakaavasuhteessa tehdyn tuotteen kustannusten kasvua kuvaava suhdeluku • qL= tuotesarjan mittakaavasuhteen muutos • Af3 ,Bf2 , Cf1 = kolmannen, toisen ja ensimmäisen kertaluvun termien suhteellinen osuus tunnetun tuotteen kokonais-kustannuksista (ks. seuraava taulukko) • D = kiinteiden kustannusten suhteellinen osuus tunnetun tuotteen kokonaiskustannuksista

30. Esimerkki

31. Esimerkki • Jos mittakaavan kasvu on qL=1.5, sijoitetaan kaavaan: • qH=(Af3 × qL3) + (Bf2 × qL2) + (Cf1 × qL) +D • qH=((0,25+0,30) × 1.53) + (0,20 × 1.52) + (0,15 × 1.5) +0.10 = 2.63 • Tässä esimerkissä siis mittakaavan kasvu 1.5-kertaiseksi johtaisi kokonaiskustannusten kasvuun 2.63-kertaiseksi

32. Tutkittaessa edellisen kasvufunktion paikkansa pitävyyttä on havaittu seuraavia tuloksia: • Pienissä ja geometrisesti samankaltaisissa tuotteissa valmistuskustannukset kasvavat likimain mittakaavan suhteessa (× qL) • Keskikokoisissa tuotteissa valmistuskustannukset ovat verrannollisia mittakaavan neliöön (×qL2) • Suurissa tuotteissa valmistuskustannukset ovat verrannollisia mittakaavan kuutioon (×qL3) • Eri valmistusmenetelmillä voi olla eri kustannusfunktion kertaluku (vrt. edellinen esimerkki) • Materiaalin kertaluku on kolme (×qL3), (vrt. edellinen esimerkki),

33. Tuotteen päätoimintoon ja kestoikään sidotut materiaalikustannukset • Materiaalinvalinnassa käytetään johdettuja tunnuslukuja, esimerkiksi: • Hinta/ materiaalin lujuusyksikkö (yhden MPa:n hinta euroina, [€/MPa]) • Kasvatetaanko väsymislujuutta materiaalia vaihtamalla (yleensä epäedullinen keino)? • Hinta/ jäykkyys (taipuma) (yhden taipumayksikön hinta euroina [€/mm] • Kasvatetaanko jäykkyyttä poikkileikkauksen taivutusvastusta vai materiaalin kimmomoduulia kasvattamalla? • Hinta/ kestoikä (yhden käyttöikätunnin hinta euroina, [€/h]) • Kasvatetaanko kulumiskestävyyttä materiaalia vaihtamalla vai kuormituspinta-alaa kasvattamalla? • Hinta/ tehonsiirtokyky (yhden siirrettävän tehoyksikön hinta euroina €/kW) • Parannetaanko tehohäviöitä pienentämällä pyörivien osien massaa vaihtamalla materiaali, joka mahdollistaa tämän (tiheys vs. lujuus)

34. 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

35. 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.

36. LCC:n toteutusajankohta • Aloitettava jo esisuunnitteluvaiheessa, koska suurin osa kustannuksista muodostuu silloin • Tuotteeseen tehtävien muutosten kustannukset ovat alussa pienemmät

37. LCC-analyysin kannalta erityisen tärkeitä ovat kustannusten vuorovaikutukset • Kustannukset voidaan optimoida siten, että panostus johonkin kustannustekijään merkitsee säästöjä muissa kustannustekijöissä • Kustannuksia voidaan kohdentaa esim. edullisimpaan suursarjatuotteen valmistusteknologiaan (valaminen vs. valumateriaali) • kustannuksia voidaan kohdentaa esim. materiaalin hankintaan (materiaali vs. lastuttavuus)

38. LCC:n mahdollisuudet 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.

39. Haasteita LCC:n käytössä • Tarkastelujen lähtökohtana käytettävien toteutuneiden kustannusten selvittämisen vaikeus. • Kaikkien tulevaisuudessa esiintyvien kustannustekijöiden määrittämisen vaikeus. • Pitkän tarkasteluajan aiheuttama kustannustietojen ennustamisen epätarkkuus. • Laskennan kriittisten tekijöiden (laskentakorko, elinkaaren pituus, tuotteen teknologinen vanhentuminen ym.) määrittämisen vaikeus. • Analyysin käytön vaatima suuri työmäärä.

40. Esimerkkejä LCC:n käytöstä • Ruostumattoman teräksen investointikustannukset junan korissa ovat korkeammat kuin hiiliteräksellä. • Ruostumaton teräs on kuitenkin pienempien kunnossapitokustannustensa ansiosta LCC- kokonaiskustannuksiltaan sekä hiiliterästä että alumiinia edullisempi. • Alumiinisen linja-auton korin käytönaikaiset kustannukset ovat huomattavasti pienemmät kuin ruostumattomasta teräksestä valmistetun. • Valmistuskustannukset ruostumattomasta teräksestä tehtäessä ovat kuitenkin niin paljon pienemmät, että elinkaarikustannukset jäävät pienemmiksi kuin alumiinilla.

41. OSA 2: Materiaalien kierrätys

42. Käsiteltäviä aihepiirejä: • Materiaalitehokkuus • Kestävä kehitys • Uudelleenkäyttö, kierrätys ja hyödyntäminen • Elinkaariarviointi (LCA) • FACTOR-ajattelu • Ekotehokkuuden mittari (MIPS =Material Input Per Service Unit) • Esimerkkejä materiaalien kierrätyksestä

43. Materiaalitehokkuus – kaksi päätekijää • 1. Materiaalien käytön ”hyötysuhde” tuotannossa = ”vähemmästä enemmän” (material efficiency) • ei juuri vaikutuksia kierrätykseen • 2. Luonnosta otetun materiaalin ”kokonaiskäytettävyys” (material effectiveness) • kierrätyksellä tärkeä rooli materiaalien palauttamisessa käyttöön ja haitattomasti takaisin ympäristöön

44. Kestävä kehitys • Käsite ”kestävä kehitys” (sustainable development) on syntynyt vastaamaan maapallon tilan aiheuttamaan kansainvälisen yhteistyön tarpeeseen. • Ydinkysymyksenä ekologisesti kestävässä kehityksessä on ihmisen aiheuttaman ympäristökuormituksen vähentäminen. • Pitää löytää toimintatapoja, joiden avulla maapallolla on mahdollista elää myös tulevien sukupolvien aikana. • Kestävän kehityksen periaatteen tavoitteena on integroida ympäristöpolitiikka ja kehitysstrategiat niin, että myös taloudellinen kasvu on mahdollista. (Perinteisesti on ajateltu, että ympäristönsuojelu ja taloudellinen kasvu ovat toisensa poissulkevia). • Perinteisen ajatustavan uudistuminen on saanut myös yritysmaailman hyväksymään kestävän kehityksen -periaatteen.

45. Uudelleenkäyttö, kierrätys ja hyödyntäminen • Uudelleenkäytöllä tarkoitetaan sitä, että laitteen tms. osia käytetään samaan tarkoitukseen kuin mihin ne on alun perin tarkoitettu. • Kierrätyksellä tarkoitetaan jätemateriaalien jälleenkäsittelyä alkuperäiseen tarkoitukseen tai muuhun kuin energiantuotanto tarkoituksiin. • Hyödyntäminen on esimerkiksi materiaalin käyttöä energian tuottamiseen.

46. Elinkaariarviointi LCA • LCA =Tuotteeseen liittyvien ympäristö-kuormien arvioiminen tunnistamalla ja laskemalla mm. käytetyn energian, materiaalien ja ympäristöön päästettyjen jätteiden määrät. • LCA sisältää energian ja materiaalien käytön ja niistä seuraavien päästöjen vaikutusten arvioimisen ja ympäristöllisten parannusmahdollisuuksien arvioimisen ja toteuttamisen.

47. 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

48. Elinkaariarviointi (LCA) materiaalinvalinnassa Periaatteellinen pohdintaesimerkki: • Linja-auton kori, RST vs. Al • Alumiinia käytettäessä kori kevenee tehon tarve pienenee ja/tai matkustajien (hyötykuorman) määrä voi lisääntyä • Edellyttää materiaalin käytön optimointia, koska huonosti suunniteltu Al-tuote ei välttämättä ole terästä kevyempi (muotojäykkyys!). • Alumiinin kierrätyksen avulla saavutetaan teräkseen verrattuna 1.5-kertainen energian säästö raaka-aineen valmistuksessa.

50. Factor-ajattelu • Ekologiselle kestävyydelle voidaan asettaa määrällisiä tavoitteita, jotka on myös suhteutettavissa nykyiseen materiaalien kulutustasoon ja siitä aiheutuvaan ympäristökuormitukseen. Ekotehokkuuden lisäämiseen pyritään ns. factorien eli tehostuskertoimien avulla. • Käyttöön on yleistynyt kaksi tehostamiskerrointa, Factor4 ja Factor10. • Factor 4-ajattelu lähtee siitä, että luonnonvarojen käyttöä voidaan tehostaa vähintään nelinkertaiseksi nykytilanteeseen verrattuna taloudellisesti kannattavalla tavalla. • Factor 10 -tavoite perustuu luonnonvarojen kokonaiskäytön puolittamiseen vuoteen 2040 mennessä. Se edellyttää luonnonvaratuottavuuden kymmenkertaistamista rikkaissa teollisuusmaissa nykytilanteeseen verrattuna. • Suurimpia esteitä Factor 10 tavoitteen toteutumisessa ovat vanhat luutuneet talous- ja yhteiskuntarakenteet, jotka kannustavat pikemminkin luonnonvarojen tuhlailevaan käyttöön. • Pelkät tuotanto- ja kulutustapojen muutokset eivät kuitenkaan riitä vaan esimerkiksi verotuksen painopisteen tulisi siirtyä työn verotuksesta luonnonvarojen käytön verotukseen.