LUENTO 3 Materiaalin valintaprosessi 2013

Esitys aiheesta: "LUENTO 3 Materiaalin valintaprosessi 2013"— Esityksen transkriptio:

1 LUENTO 3 Materiaalin valintaprosessi 2013
BK50A2300 Konstruktiomateriaalit ja niiden valinta Luennot / syksy 2013 TkT 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 Materiaalin valinnassa on tehtävä kompromisseja
Valmistusmenetelmän valinta Koneenosan geometria ja muut vaatimukset Materiaalinvalinta 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”): 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 8) Kustannusvertailun ja lopullisen valinnan
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 2. Valintastrategian päättäminen
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 3. Materiaalien esivalinta Vaihtoehtojen listaus
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 Eri materiaalien vertailu (tunnusluvut) => parhaan valinta
KEINO 2 5. Vaatimus- ja ominaisuusprofiilien yhteensovitus (= lopullinen valinta) Eri materiaalien vertailu (tunnusluvut) => parhaan valinta Reunaehtojen (saatavuus, valmistettavuus jne.) tarkistus

22 Uudelleenarvioinnit ja mahdollinen valintamenettelyn uusiminen
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 KEINO 2 Mitä vaaditaan /halutaan? Vastaava materiaaliominaisuus Mikä on käyttötilanne? 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 Vaatimusprofiilin laadinta
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
KEINO 2 Onko määräävä kriteeri esim. “pelko kappaleen vaurioitumisesta” eli murtorajatila? Jatkuu…

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

28 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.                                                                                                                                                                      

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

30

31 KEINO 2

32 Ominaisuusprofiilin laadinta
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
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

34 KEINO 2

35 Materiaalin valinta jakamalla konstruktio osakokonaisuuksiin
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)

36 Materiaalin valinta käyttämällä apuna ominaisuuskarttoja
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.

37 KEINO 4

38 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

39 KEINO 4

40 Toimivuusindeksin määritys
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 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.

43 KEINO 4 VETO TAIVUTUS LEVY Valinta huononee Valinta paranee

44 Toimivuusindeksin (vertailuluvun) käyttö
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 Nelikenttien käyttö valinnassa
KEINO 5 Nelikenttien käyttö valinnassa

48 KEINO 5

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

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

51 Elinkaarikustannusanalyysi materiaalinvalinnassa
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 LCC-tarkastelun tavoitteet
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 materiaalinvalinnassa
KEINO 6 Elinkaarikustannusanalyysi materiaalinvalinnassa Materiaalinvalinta vaikuttaa suoraan tuotteen materiaali- ja valmistuskustannuksiin sekä epäsuorasti käyttö- ja kunnossapito-kustannuksiin. Valituilla materiaaleilla on suuri merkitys tuotteen käyttövarmuuteen. Materiaalinvalinnalla voidaan vaikuttaa tuotteiden elinkaarikustannuksiin erityisesti tapauksissa, joissa rakenteiden korroosio, murtuminen, kuluminen yms. tekijät rajoittavat elinikää.

54 Elinkaariarviointi LCA
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 raaka-aineiden rikastamisen ja prosessoimisen, valmistamisen, kuljetuksen ja jakelun, käytön, uudelleenkäytön ja ylläpidon, kierrätyksen ja lopullisen hävittämisen

56 Elinkaariarviointi (LCA) materiaalinvalinnassa
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