Mekaaniset ominaisuudet

Transkriptio

1 Mekaaniset ominaisuudet

2 Kertaus Jäykkyys E Lujuus Myötö- Murto- Muokkauslujittuminen Sitkeys 2 2

3 Esimerkkejä Golf-maila Keinonivel Hammaspyörä 3 3

4 Esimerkki: Golf-maila

5 Golf-mailalta vaadittavat ominaisuudet Suuri elastisuus Pieni kimmokerroin Suuri lujuus => Suuri energian siirtyminen mailasta palloon => Suuri nopeus ja liikemäärä mailan päällä

6

7 Patentti: Valmistetaan maila osin amorfisesta metallista Amorfinen metalli: Yleensä metallit kiteisiä (eli atomit järjestyneet energeettisesti suotuisaan kiderakenteeseen) Tietyillä seoksilla hyvin nopeassa jäähdytyksessä kiteytyminen estyy Seurauksena ei-kiteinen, amorfinen metalli "Metallic glass" Suuri lujuus Pieni kimmokerroin

8 Vrt. erikoistitaaniseos

9 Vähäinen energiahäviö

10

11

12 Esimerkkejä Kiitokset: Wade Karlsen, VTT Eero Mäsä, Ata Gears 12 12

13 Esimerkki: Bioimplantti 13

14 70-luvulta alkaen kolmiosainen rakenne: metallinen tukiosa polymeerinen nivelkuppi PMMA liitos luuhun 14 14

15 15 15

16 Vaatimukset Vastaa korvattavaa raajaa painon, liikealueen jne. osalta Kestää lopun ikää Aggressivinen ympäristö Voimakkaat kuormat Rajallinen tila 16 16

17 Ongelmia Väsyttävä kuorma voi aiheuttaa proteesin murtuman Tuskallinen kokemus, joudutaan tekemään uusi leikkaus proteesin korvaamiseksi Kuluminen synnyttää kulumisjätettä joka kulkeutuu kudokseen ja aiheuttaa hylkimisreaktion Proteesi voi löystyä (irtoaa luusta) kipuja uusi leikkaus 17 17

18 Materiaalit Vaatimukset Hyvä staattinen puristuslujuus (ei ylikuormaa) Hyvä väsymiskestävyys Suuri kovuus => hyvä kulumiskestävyys ja minimoitu kulumajäte Riittävä korroosionkesto Biokompatibiliteetti Korroosioväsymiskestävyys Matala kimmokerroin hyvän yhteensopivuuden takaamiseksi Hinta 18 18

19 Yleisimmät materiaalit AISI-316L -ruostumaton teräs Ti-6Al-4V titaaniseos F75 koboltti-kromi-molybdeeniseos 19 19

20 Ruostumaton teräs Valssatuista levyistä/tangoista koneistettuja komponentteja Altis korroosiolle Korroosioväsymisvaurioita on tapahtunut Hintakilpailukykyinen 20

21 Ti-6Al-4V Hyvät mekaaniset ja korroosio-ominaisuudet Kimmokerroin vastaa hyvin (paremmin kuin muilla käytetyillä seoksilla) luun vastaavaa Melko kallis valmistaa Kulumisominaisuudet jättävät toivomisen varaa 21

22 Co-Cr-Mo Hyvä korroosionkestävyys Hyvä biokompatibiliteetti Korroosioväsyminen voi olla riski Hyvät kulumisominaisuudet 22

23 Esimerkki: Hammaspyörä 23 23

24 Hammaspyörä Kuormat pintapaine taivutus tyvessä 24 24

25 Rakenne Suuritehoiset pyörät Hiiletyskarkaistua terästä Kovaksi karkaistu pinta Sitkeä sisus Puristusjännitys pinnassa (parantaa väsymiskestävyyttä) 25

26 Lähde: Ata gears, Eero Mäsä 26 26

27 Hammasvaihteet Hammasvaihteiden koot tehoyksikköä kohti ovat pienentyneet viime vuosikymmenien aikana. Hammasvaihteiden tehonsiirtokyvyn kasvu on ollut riippuvainen mm seuraavista tekijöistä: Hammaspyöriin liittyvä kehitys Laakerointi / voitelu -teemat Kotelo 27 27

28 Seurauksena on ollut paitsi vaihteiden fyysisen koon pieneneminen, niin 2000-luvulla on tullut em syiden johdosta mahdollisuudet ylipäänsä suunnitella ja valmistaa hammasvaihteita sellaisille suurille teholuokille, joita ei pidetty mahdollisena (ainakaan järkevillä kustannuksilla) vielä 80 tai 90-luvullakaan

29 Hammaspyörät hammaspyörämateriaalien väsymislujuuksien paraneminen hammastuksen koneistustarkkuuden parantuminen dynaamiset voimat alhaisemmat hammaspyörän kuormitustilanteen parempi laskennallinen hallinta tasaisempi kuorman jakautuminen hampaan pinnalle alhaisemmat todelliset jännitykset 29 29

30 Hammaspyörien väsymislujuuden maksimointi on seurausta perusaineen (teräksen), muokkauksen ja lopullisen lämpökäsittelyn yhteensovittamisesta. Hiiletyskarkaisulla saavutetaan parhaat väsymislujuusarvot

31 Teräksen kehitys: teräksen puhtaus parantunut haitallisten kaasujen määrää voidaan hallita vakuumikäsittelyjen avulla koostumuksen vaihtelut ovat erittäin pienet alumiini-nikkeli suhdetta säätämällä pystytään saamaan rakeenkasvun kannalta pitkiä hiiletysaikoja kestävä teräs muokkauksella (valssaus + taonta) ja siihen liittyvillä lämpökäsittelyillä saadaan aikaan hienorakeinen ja homogeeninen (isotrooppinen) rakenne 31 31

32 EN-, DIN-, tms. standardin perusteella ostettu materiaali ei täytä nykyvaatimuksia Tilausspesifikaatiot täytyy nimenomaan kohteeseen soveltuviksi Tänä päivänä lähes kaikilla kansainvälisillä hammasvaihteiden ja hammaspyörien valmistajilla (kuten mm ATA Gears Oy:llä) on oma hammaspyörätakeiden ja tankojen tilausspesifikaatio 32 32

33 Hiiletyskarkaisu mahdollisuus hiiletyskarkaista jopa 5 mm tehollisia hiiletyssyvyyksiä hiiletysprosessien ohjausjärjestelmät instrumentteineen ja optimointimenetelmineen ovat johtaneet prosessin laadun tilastolliseen paranemiseen jäännösaustenniitti rajoitettu kovuus (pinta-, sydän-) rajat hammastuksen kovuusprofiilin optimointi kuormitustilanteen mukaan 33 33

34 Tulevaisuuden trendejä Vakuumihiiletys Plasmahiiletys lisää mahdollisuuksia karkaisuominaisuuksien optimointiin Kontrolloitu kuulapuhallus hampaan juureen saadaan lisää puristusjännitystä hampaan tyven kuormitusta kasvattaa %. 34

35 Kotelot -kotelon jäykkyys / muodonmuutosten parempi hallinta ja ennakointi (FEM) 35