Transcript Materiaalin valintaprosessi

BK50A2300 Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta
Luennot / syksy 2013
TkT 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
Materiaalin valinnassa on tehtävä
kompromisseja
Valmistusmenetelmän
valinta
Suunnittelijan
on tehtävä
kompromissi
kolmen
näkökohdan
kesken
Koneenosan geometria
ja muut vaatimukset
Materiaalinvalinta
Tuotteen toimintovaatimukset 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 kuormitustapausten yhdistelmille
2) Otetaan koneenosan geometrian, mittojen ja
pinnanlaadun erot tutkittuun koesauvaan nähden huomioon
kertoimilla
3) Käytetään mitoituksessa haluttua vauriotodennäköisyyskriteeriä 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”):
–
–
–
–
–
–
1 Yksinkertaistettu 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?
Materiaalin yksinkertaistettu
KEINO 1
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 materiaaliominaisuuksien 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
TOIMINTOJEN ASETTAMAT
VAATIMUKSET
KEINO 1
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 minimikäyttökustannukset (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…
KEINO 2
Vaatimusprofiili
Mitä vaaditaan /halutaan?
Mikä on käyttötilanne?
Vastaava materiaaliominaisuus

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
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
KEINO 2
Valintakriteerin tunnistaminen

Onko määräävä kriteeri esim. “pelko kappaleen
vaurioitumisesta” eli murtorajatila?
Jatkuu…

Vai onko määräävä kriteeri esim. “pelko
kappaleen liian suurista muodonmuutokista”,
vaikka varsinainen vaurioituminen ei uhkaa eli
käyttörajatila?
KEINO 2
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 materiaali vaatimukset

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
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 kimmomoduulitiheyskartta, 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).
KEINO 4
Reunaehto
Sovelluskohteeseen
valittiin taivutuspalkki
vetosauvan tai levyn
sijasta (jyrkin suora)
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
Modulus of elasticity
Inverse of
friction
coefficient
Inverse of
thermal
expansion
Wear resistance
KEINO 5
Tensile strength
Min.
operating
temperature
Max.
operating
temperature
Impact toughness
– Nelikenttä analyysissä sama materiaali
tulisi sijoittaa jokaiseen neljännekseen
valinnan helpottamiseksi!
Murtolujuus kasvaa
Hitsattavuus paranee
Korroosionkesto paranee
Lastuttavuus paranee
Suuri murtolujuus
Hyvä hitsattavuus
” Eivät säikähdä
hitsaamista lujuuden
kustannuksella…”
” Valmistukselle
helppoja…”
Hyvä lastuttavuus
Hyvä hitsattavuus
Suuri murtolujuus
Hyvä korroosionkesto
” Eivät säikähdä
ulkoisia kuormituksia…”
” Tarkat geometriat
vaikeisiin
olosuhteisiin…”
Hyvä lastuttavuus
Hyvä korroosionkesto
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
Elinkaarikustannusanalyysi
materiaalinvalinnassa
KEINO 6
• Materiaalinvalinta vaikuttaa suoraan tuotteen
materiaali- ja valmistuskustannuksiin sekä
epäsuorasti käyttö- ja kunnossapitokustannuksiin.
• 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 raakaaineiden 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