Sitomb Blog

Dobór materiału w procesie projektowania

Właściwy wybór materiału ma kluczowe znaczenie dla funkcjonalności produkowanego komponentu. Aby spełnić wymagania wdrożeniowe, należy określić wymagania techniczne dla materiału, które następnie zostaną uwzględnione we właściwościach materiału.

Ponadto, potencjalny materiał musi być ekonomiczny w przetwarzaniu. Aby to osiągnąć, należy ocenić które procesy są dostępne i które są opłacalne dla danej wielkości serii. Należy również wziąć pod uwagę aspekty długoterminowej trwałości, konserwacji i recyklingu wybranego materiału.

Obecnie istnieje ponad 40 000 materiałów metalicznych i tyle samo niemetalicznych istotnych z technicznego punktu widzenia, a nowe są stale odkrywane. Daje to mylne wrażenie że dzięki temu wybór materiału jest łatwiejszy, a nawet możliwy dla laików. Obfitość danych materiałowych wymaga ogromnego poziomu wiedzy projektantów i konstruktorów.

Z tego powodu materiały są zmieniane lub dostosowywane wewnętrznie tylko z ważnych powodów. Przyczyny obejmują z jednej strony wzrost technicznej wartości użytkowej, a z drugiej strony obniżenie kosztów produkcji. Wybór nowego materiału, z którym projektant ma niewielkie doświadczenie+

zwykle wiąże się ze sporym ryzykiem. Dlatego nie powinno się lekceważyć wagi etapu, jakim jest dobór materiału. Należy sprawdzić, czy korzyści i ryzyka związane z nowym materiałem są w odpowiedniej równowadze.

W praktyce projektanci polegają na sprawdzonych materiałach, z którymi mają już pozytywne doświadczenia. Zazwyczaj istnieje materiał do odpowiedniego zastosowania, z którym projekt techniczny był realizowany przez dłuższy okres czasu. Całkowicie nowe materiały są rozważana tylko wtedy, gdy zaprojektowano całkowicie nowy produkt, gdy wymagania dotyczące istniejącego przedmiotu zmieniają się drastycznie lub jeśli korzyści wynikające z kosztów mają być realizowane w ramach ciągłego doskonalenia. Taki proces wyboru materiałów wyjaśniono na następnej stronie, aby zaoferować potencjalną pomoc w podjęciu decyzji.

Znaczenie wielkości serii

Oprócz kwestii odpowiedniego materiału, bardzo ważna jest świadomość wolumenów produkowanych części. Zarówno materiał, jak i proces produkcji są ściśle związane z wielkością serii danego produktu.

Produkcja małoseryjna

Przedmioty obrabiane, które są produkowane jednostkowo aż do małych serii (<100 sztuk) są wyceniane na podstawie wartości nałożonych (koszty produkcyjne, koszty oprzyrządowania). Koszty materiałowe mają tutaj drugorzędne znaczenie, ponieważ klientowi bardziej zależy na funkcjonalności i niezawodności zamawianego komponentu. W związku z tym wybiera się materiał o wysokiej wydajności (zazwyczaj) w górnym segmencie cenowym, który z pewnością spełni wymagania techniczne.

Procesy produkcyjne stosowane w małych seriach to głównie procesy obróbki skrawaniem (frezowanie, toczenie, szlifowanie itp.). Spowodowane  jest to większą elastycznością i krótkim czasem reakcji na zmienną paletę obrabianych wariantów . W niedalekiej przeszłości stosowano również procesy wytwarzania addytywnego (drukowanie 3D, metody SLS itp.), Ponieważ procesy te nie wymagają żadnych narzędzi i ich możliwości produkcyjne są w dużej mierze nieograniczone z geometrycznego punktu widzenia.

Produkcja serii średnich, dużych i masowych

Jeśli produkty są wytwarzane w średniej, dużej lub masowej serii, większy nacisk nakładany  jest na koszty materiałowe ponieważ mają one decydujący udział w finalnej cenie produktu. Im większe są komponenty, tym ważniejsza jest cena surowca, natomiast w przypadku małych komponentów koszty surowców odgrywają niewielką rolę w porównaniu z kosztami przetwarzania. Właściwy dobór materiału może prowadzić do znacznych oszczędności, szczególnie w przypadku przedmiotów takich jak artykuły gospodarstwa domowego, narzędzia lub części zamienne. Wymagania techniczne muszą być nadal spełnione, więc wybór materiału nie jest całkowicie łatwy.

W przypadku produkcji wielkoseryjnych, zastosowanie tradycyjnych procesów formowania (odlewanie, odkuwanie itp.) jest uzasadnione. Produkcja tego typu generuje niewielka ilość odpadów materiałowych które ponadto są ponownie używane w procesie, a związane z nimi koszty oprzyrządzowania i maszyn są szybko amortyzowane przez duże ilości i marże sprzedażowe produktów.

Procesy odlewnicze można podzielić na dwie główne grupy, z formą stałą i traconą. Grupę z traconą formą można z kolei podzielić na te z modelem stałym i modelem traconym. Ze względów ekonomicznych dąży się do procesów, które z jednej strony wymagają niewielu etapów pracy, a z drugiej strony generują niewiele odpadów. Najwyższą wydajność ma tutaj proces z formami stałymi (np. Odlewanie wysokociśnieniowe), ponieważ te procesy zasadniczo składają się tylko z etapów przygotowania materiału, wprowadzenia do trwałej formy, schłodzenia, a następnie wyjęcia z formy. Jednak nie każdy materiał nadaje się do tego rodzaju odlewania. Czynnikiem ograniczającym jest tutaj temperatura, którą materiał musi osiągnąć aby był w stanie ciekłym.

Oczywiste jest, że wybór materiałów i sam proces produkcji są ze sobą ściśle powiązane i ich niezależne rozważanie nie ma sensu.

Systematyczny dobór materiałów

Definicja wymagań
Przy wyborze odpowiedniego materiału najważniejsze są wymagania techniczne dotyczące wytwarzanego przedmiotu. Stopień przydatności odpowiedniego materiału jest następnie oceniany na podstawie spełnionych wymagań.

Należy je zdefiniować i udokumentować za pomocą dyskretnych wartości lub przedziałów docelowych. Wymagania powinny być również ważone zgodnie z ich istotnością. Należy spełnić obowiązkowe wymagania (np. wytrzymałość lub odporność na korozję). Wymagane parametry (np. połysk powierzchni), które zwiększają przydatność komponentu, są pożądane ale nie absolutnie konieczne. Wymagania należy rozpatrywać indywidualnie dla danego przedmiotu, ponieważ ich znaczenie różni się w zależności od zastosowania.

Wstępny dobór materiału

Uprzednio definiując funkcje oraz niezbędne właściwości można rozpocząć poszukiwanie odpowiedniego materiału. Jeśli w wymaganiach nie wspomniano o właściwościach ograniczonych tylko do niektórych rodzin materiałów (ceramika, metale itp.), korzystne jest rozpatrywanie wszystkich grup i ich kombinacji. Zapobiega to przedwczesnemu wykluczeniu niektórych możliwości, mimo iż  mogą spełniać wymagania. Zazwyczaj przeszukuje się literaturę w celu znalezienia różnych opcji i jeśli właściwości materiału odpowiadają wymaganiom danego produktu, umieszcza się go na liście możliwych rozwiązań materiałowych.

 

W międzyczasie użytkownik może skorzystać ze specjalnego oprogramowania (np. CES Edupack), który przyspiesza wybór materiałów. Indywidualnie stworzona lista materiałów służy teraz jako podstawa do dalszych kroków.

Dokładny wybór i ocena

Potencjalne propozycje materiałów ze wstępnej selekcji są teraz szczegółowo analizowane pod kątem ich przydatności i są oceniane. Jak dotąd wybrane materiały zostały sprawdzone tylko ilościowo pod kątem ich podstawowej przydatności. Aby móc ocenić ich przydatność pod względem pożądanych kryteriów i wydajności względem siebie, należy najpierw zdefiniować macierz ryzyka.

Przypisując wartości dyskretne, można filtrować szczególnie korzystne i mniej odpowiednie propozycje materiałów. Znalezione w ten sposób opcje są objętę dokładniejszą selekcją, z kolei materiały o niższym spektrum nie są już brane pod uwagę. Użytkownik może wybrać liczbę innych istniejących materiałów, ale ich zakres nie powinien być zbyt mały. Następnie przeprowadzane są bardziej szczegółowe analizy i badania pozostałych materiałów. Po ponowym filtrowaniu sporządzana jest lista materiałów testowych.

Ocena i walidacja materiałów

Pozostałe propozycje na materiały są następnie testowane pod kątem ich przydatności w testach idealnych lub rzeczywistych, a ich odpowiednie właściwości są udokumentowane. Wyniki testów należy wykorzystać do omówienia, który materiał jest najbardziej odpowiedni, ponieważ decyzja nie zawsze jest jednoznaczna. Materiał o niższych właściwościach mechanicznych, który nadal spełnia wymagania, może być bardziej odpowiedni niż kandydat do pracy pod dużym obciążeniem mechanicznym. Przyczyną tego może być cena i/lub dostępność materiału.

 

Elektroniczne wyszukiwanie materiałów

W międzyczasie proces poszukiwania materiału można rozwiązać elektronicznie. Specjalne programy z aktualnymi bazami danych, pozwalają użytkownikowi dokonać odpowiedniego wyboru materiału w bardzo krótkim czasie. Jednym z takich programów jest CES Edupack, opracowany przez Cambridge University. Procedura jest podobna do ręcznego wyszukiwania materiałów.

Po pierwsze, wymagane są zdefiniowane kryteria zastosowania. Na podstawie danych można znaleźć odpowiedni materiał w interfejsie programu za pomocą filtrów i ograniczeń. Wyniki są przedstawione na przyjaznym dla użytkownika schemacie i można nimi manipulować w czasie rzeczywistym zgodnie z zapotrzebowaniem.

Wnioski

Jak łatwo zauważyć, wybór materiału produktu nie jest tak oczywisty jak mogło by się wydawać. Zaprojektowany detal musi przede wszystkim spełniać zadane wymagania wytrzymałościowe.  Z obfitości materiałów dostępnych na rynku, pewna liczba kandydatów na materiały jest dostępna dla każdego rodzaju zastosowania. Należy jednak zawsze wziąć pod uwagę specyfikę danego materiału. Odpowiedni materiał może np. spełniać podstawowe wymagania, ale pod innymi względami może zawieść, ponadto trzeba uwzględnić  ekonomiczność  produkcji oraz cenę zakupu.

Zbyt ogólnikowe podejście do tej tematyki, może oznaczać wykluczenie materiałów, które mogą być najlepiej dostosowane do pożądanego zastosowania. Jeśli konstruktor zdaje sobie sprawę ze zdefiniowanych warunków  działania produkowanego detalu, odpowiedniego wyboru materiału można dokonać poprzez badania i procesy filtrowania. Do przyspieszenia procesu można również użyć internetu lub specjalnych programów.