1 / 66

LUENTO 3 Materiaalin valintaprosessi 2013

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

vangie
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. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. BK50A2300 Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta Luennot / syksy 2013TkT Harri Eskelinen LUENTO 3 Materiaalin valintaprosessi 2013

  2. Tämän luentokerran tavoitteet: • Opiskelija osaa suorittaa materiaalin valinnan käyttökohteen vaatimusten mukaisesti systemaattista “prosessimallia” ja toimintatapaa soveltaen

  3. 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

  4. Materiaali vai konstruktiomateriaali?Tuotteen materiaali?

  5. Materiaalin valintaan vaikuttavat päätekijät • A. Kustannukset • Kokonaiskustannukset eliniän aikana • Materiaalin hankintakustannukset • Valmistuskustannukset • Käytön aikaiset kustannukset • Laadunvalvontakustannukset • Hävittämis- ja/tai kierrätyskustannukset • Hallinnolliset kustannukset

  6. B. Toimintojen asettamat vaatimukset • Kuorman kantaminen • Muodon säilyttäminen • Kulumisen kesto • Energia-absorptio • jne.

  7. C. Käyttöympäristön asettamat vaatimukset • Lämpötila • Korroosio • Vanheneminen • Kosteuden imeytyminen • jne.

  8. D. Valmistusmenetelmän asettamat vaatimukset • Hitsattavuus • Valettavuus • Lastuttavuus • Muokattavuus ja muovattavuus • Pintakäsiteltävyys

  9. Valmistusmenetelmän valinta Materiaalinvalinta Materiaalin valinnassa on tehtävä kompromisseja Koneenosan geometria ja muut vaatimukset Suunnittelijan on tehtävä kompromissi kolmen näkökohdan kesken

  10. Tuotteen toiminto-vaatimukset on täytettävä

  11. 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.

  12. 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!

  13. 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

  14. Missä vaiheessa materiaalin valinta tehdään?

  15. 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

  16. 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

  17. 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

  18. 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

  19. 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

  20. 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

  21. KEINO 2 • 5. Vaatimus- ja ominaisuusprofiilien yhteensovitus (= lopullinen valinta) • Eri materiaalien vertailu (tunnusluvut) => parhaan valinta • Reunaehtojen (saatavuus, valmistettavuus jne.) tarkistus

  22. 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…

  23. 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?

  24. 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

  25. KEINO2 Valintakriteerin tunnistaminen • Onko määräävä kriteeri esim. “pelko kappaleen vaurioitumisesta” eli murtorajatila? Jatkuu…

  26. KEINO 2 • Vai onko määräävä kriteeri esim. “pelko kappaleen liian suurista muodonmuutokista”, vaikka varsinainen vaurioituminen ei uhkaa eli käyttörajatila?

  27. 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.

  28. Toimintaa kuvaavasta vikapuusta/ kaaviosta tulisi pystyä siirtymään materiaalinvalintaa varten tuotettuun vauriotyyppimatriisiin

  29. KEINO 2

  30. 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?

  31. KEINO 2 Vaatimusten ja ominaisuuksien yhteensovittaminen • Voidaan tehdä esimerkiksi seuraavilla tavoilla:1. Hyväksymisperiaate • Esim. ”totuustaulukko” • Täyttääkö materiaalivaatimukset • 2. Arvoanalyysiin pohjautuva materiaalin valinta • A. Vertailulukujen määritys 1. Ominaisuudet numeroarvoiksi 2. Valmistuskustannusten selvittäminen 3. Painokertoimen määritys a)harkinnanvarainen b)taulukkomenetelmä • B. Alustavan vertailun suorittaminen • C. Edullisimpien vaihtoehtojen vertailu yksityiskohtaisemmin • D. Lopullinen valinta

  32. KEINO 2

  33. 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)

  34. 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.

  35. KEINO 4

  36. 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

  37. KEINO 4

  38. 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.

  39. KEINO 4

  40. 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.

  41. KEINO 4 VETO TAIVUTUS LEVY Valinta huononee Valinta paranee

  42. 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).

  43. Reunaehto Sovelluskohteeseen valittiin taivutuspalkki vetosauvan tai levyn sijasta (jyrkin suora) KEINO 4

  44. 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

  45. KEINO 5 Nelikenttien käyttö valinnassa

  46. KEINO 5

  47. Nelikenttä analyysissä sama materiaali tulisi sijoittaa jokaiseen neljännekseen valinnan helpottamiseksi! Murtolujuus kasvaa Hitsattavuus paranee Korroosionkesto paranee Lastuttavuus paranee

  48. 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

More Related