BK20A2100 Konstruktiomateriaalit Luennot / syksy 2012 TkT Harri Eskelinen. LUENTO 3 Materiaalin valintaprosessi 2012

Koko: px
Aloita esitys sivulta:

Download "BK20A2100 Konstruktiomateriaalit Luennot / syksy 2012 TkT Harri Eskelinen. LUENTO 3 Materiaalin valintaprosessi 2012"

Transkriptio

1 BK20A2100 Konstruktiomateriaalit Luennot / syksy 2012 TkT Harri Eskelinen LUENTO 3 Materiaalin valintaprosessi 2012

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

10 Tuotteen toimintovaatimukset 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 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!

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 ): 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

14 Missä vaiheessa materiaalin valinta tehdään?

15 Materiaalin yksinkertaistettu valintaprosessi sisältää: KEINO 1 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 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

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 Vaatimus- ja ominaisuusprofiilien yhteensovittamiseen perustuva prosessi KEINO 2 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 minimikäyttökustannukset (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 Vaatimusprofiili Mitä vaaditaan /halutaan? Mikä on käyttötilanne? KEINO 2 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

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

26 Valintakriteerin tunnistaminen Onko määräävä kriteeri esim. pelko kappaleen vaurioitumisesta eli murtorajatila? KEINO 2 Jatkuu

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

28 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.

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

30

31 KEINO 2

32 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?

33 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

34 KEINO 2

35 Materiaalin valinta jakamalla KEINO 3 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)

36 Materiaalin valinta käyttämällä apuna ominaisuuskarttoja KEINO 4 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.

37 KEINO 4

38 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

39 KEINO 4

40 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.

41 KEINO 4

42 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), E ½ /ρ(taivutuspalkki) ja E 1/3 /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.

43 KEINO 4 VETO TAIVUTUS LEVY Valinta huononee Valinta paranee

44 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).

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

46 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

47 KEINO 5 Nelikenttien käyttö valinnassa Modulus of elasticity Inverse of friction coe fficie nt Inverse of thermal expansion Wear resistance

48 KEINO 5 Tensile strength Min. operating te mpe rature Max. operating te mpe rature Impact toughne ss

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

50 Suuri murtolujuus Hyvä hitsattavuus Suuri murtolujuus Hyvä korroosionkesto Eivät säikähdä hitsaamista lujuuden kustannuksella Eivät säikähdä ulkoisia kuormituksia Valmistukselle helppoja Tarkat geometriat vaikeisiin olosuhteisiin Hyvä lastuttavuus Hyvä hitsattavuus Hyvä lastuttavuus Hyvä korroosionkesto

51 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

52 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

53 Elinkaarikustannusanalyysi KEINO 6 materiaalinvalinnassa 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.

54 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

55 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

56 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

57 Huom! Materiaalin valintaprosessin toteutukseen palataan uudelleen, kun luennoilla puhutaan Kierrätettävyydestä Kustannuksista Valintaohjelmistoista ja tietokannoista

58 Esimerkki valintasivustosta:

59

60

61

62

63

64

65

66