PROJEKTOWANIE INŻYNIERSKIE

Z UWZGLĘDNIENIEM PRODUKCJI WEDŁUG ZASADY „DOKŁADNIE NA CZAS“

Względy ekonomiczne i organizacyjne wymagają upowszechnienia produkcji

według zasady „dokładnie na czas“ (JIT – just–in–time), która stanowi zintegrowa-
ny zbiór działań projektowanych dla osiągnięcia wysokiej wydajności i efektywno-
ści produkcji przy użyciu minimalnych nakładów, w tym surowców i pracy w pro-
cesie produkcyjnym. Obrabiane elementy docierają dokładnie na czas do kolejne-
go stanowiska obróbczego lub montażowego, gdzie natychmiast są wykonywane
wymagane operacje technologiczne. Założeniem jest, że nic nie będzie produkowa-
ne zanim będzie potrzebne. Zapotrzebowanie jest kreowane przez aktualne zapo-
trzebowanie na produkt.

Produkcja według tej zasady jest związana z eliminacją wszelkich strat określa-

nych jako każdą nadwyżkę ponad potrzebne w najmniejszych możliwych ilościach
wyposażenie, materiały, elementy i czas pracy absolutnie niezbędny do produkcji
(według Fujio Cho z japońskiego koncernu Toyota), wskazując na konieczność eli-
minowania 7 typów strat związanych z:

nadprodukcją,
czasem oczekiwania,
transportem,
wyposażeniem technicznym,
procesem technologicznym,
przemieszczaniem materiałów, elementów i wyposażenia,
wadami produktów.

Konsekwencją tych założeń jest brak potrzeby magazynowania zapasów, które są
traktowane również jako źródła strat.

Można wyróżnić 7 rodzajów działań, które służą eliminacji strat:
sieć wyspecjalizowanych małych wytwórni w miejsce wielkich organizacji prze-
mysłowych,
technologia grupowa eliminująca zbędne przepływy i czas oczekiwania między
operacjami i w konsekwencji zmniejszająca niezbędny park maszynowy oraz
liczbę wymaganych pracowników,
jakość u źródła wymagająca prawidłowego działania za pierwszym razem oraz
zatrzymania produkcji lub montażu za każdym razem i natychmiast po stwier-
dzeniu nieprawidłowości przez każdego z robotników,
stabilne zaopatrzenie wytwórni związane z rytmicznością produkcji finalnej (np.
w przypadku produkcji samochodów co 2 minuty z linii produkcyjnej schodzą
wyprodukowane samochody w następującej sekwencji: limuzyna, kabriolet, li-
muzyna, kombi, limuzyna, kabriolet, limuzyna, kombi itd. przy miesięcznej licz-
bie wyprodukowanych 5000 limuzyn oraz po 2500 kabrioletów i kombi),
system kontroli produkcji z użyciem kart instruujących (w języku japońskim
„kanban“), którymi oznaczane są kontenery elementów lub podzespołów prze-
znaczonych do kolejnych operacji technologicznych lub montażowych,
minimalizacja czasu ustawiania w razie konieczności zmiany asortymentu pro-
dukcji na danej linii produkcyjnej,
produkcja „dokładnie na czas“ związana z wytwarzaniem nie więcej niż jest po-
trzebne i tylko wtedy gdy tak jest w rzeczywistości.

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1340

produktów i ich elementów

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1340

Na rysunku 9.31 przedstawiono schematycznie wymagania związane z wdroże-
niem produkcji „dokładnie na czas“ w przedsiębiorstwie przemysłowym, natomiast
na rysunku 9.32 uwzględniono zależności między taką produkcją i jakością.

PROJEKTOWANIE INŻYNIERSKIE Z UWZGLĘDNIENIEM SPOSOBÓW

TRANSPORTOWANIA I MAGAZYNOWANIA PRODUKTÓW

Ze względu na konieczność przetransportowania produktu od wytwórcy do

sprzedawcy i dalej do użytkownika, w trakcie projektowania inżynierskiego należy
uwzględnić wpływ środków transportu na produkt. Podstawowym wymaganiem
jest zabezpieczenie produktu przed pogorszeniem jakości w czasie transportu

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1341

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

Rysunek 9.31

Wymagania związane z wdrożeniem produkcji „dokładnie na czas“
(opracowano na podstawie dokumentów fabryki Hewlett Packard w Boise, USA)

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1341

i magazynowania, co wymaga starannego zabezpieczenia, szczególnie produktów
podatnych na uszkodzenia, przez odpowiednie opakowanie lub procedury eksplo-
atacji, pociągające za sobą znaczne koszty. Należy przy tym projektować produkty
tak, by ograniczać zapotrzebowanie na przestrzeń ładunkową w trakcie transportu
i składowania. Na przykład, z tego względu pojemniki na śmieci można wkładać je-
den w drugi podczas transportu, a specjalnie zaprojektowane występy ułatwiają
rozdzielanie tych pojemników w czasie rozładunku.

9.1.5. Czynniki socjologiczne, ekologiczne

i ekonomiczne w projektowaniu inżynierskim

RELACJE PROJEKTOWANIA INŻYNIERSKIEGO

ORAZ TWÓRCZEGO MYŚLENIA I WYNALAZCZOŚCI

Projektowanie inżynierskie często związane jest z opracowaniem rozwiązań cał-

kowicie nowych i zdecydowanie odbiegających od znanych i stosowanych dotych-
czas. Zdarza się, że proces twórczego myślenia nad rozwiązaniem inżynierskim do-
prowadza projektanta do opracowania wynalazku, a nawet odkrycia naukowego.
Dotyczy to najczęściej pracy nad dużymi i nowatorskimi projektami. Spośród moż-
liwych podejść metodologii pragmatycznej (obejmującej wyróżnianie typowych
czynności twórczych, opisywanie procedur, twórczego rozwiązywania zadań oraz
opracowywanie norm twórczego działania, kładącej jednak nacisk na uzasadnienie
twierdzeń), prakseologii (obejmującej wszelkie rodzaje działań i przyjmującej

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1342

produktów i ich elementów

gorszy materiał usuwany

mniej przepracowanych

godzin roboczych

mniej materiału i robocizny na wejściu dla takiego samego lub lepszego produktu na wyjściu

= wyższa produktywność

Rysunek 9.32

Zależności między produkcją „dokładnie na czas“ a jakością (opracowano według R.J. Schonbergera)

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1342

kryterium sprawności jako narzędzie przy wartościowaniu), szczególną uwagę
w dalszej części niniejszego opracowania zwrócono na heurystykę. Cele działań
heurystycznych są podobne do celów poprzednio wymienionych podejść, z pod-
kreśleniem sposobów uzyskiwania twierdzeń, przy nadrzędnym kryterium słuszno-
ści. W tablicy 9.12 scharakteryzowano najbardziej typowe czynności twórcze, od-
noszące się między innymi do projektowania inżynierskiego. Na rysunku 9.33
przedstawiono cykl innowacyjności, bowiem opracowanie nowego rozwiązania

oraz jego sprawdzenie i wartościowanie są
często inspiracją do ponownego sformułowa-
nia zadania i powtórzenia tegoż cyklu czyn-
ności twórczych dla osiągnięcia nowego lep-
szego rozwiązania. Spośród licznych metod
heurystycznych, których zasadniczym celem
jest eliminowanie inercji myślenia, zestawio-
nych w tablicy 9.13, niektóre mogą być
szczególnie przydatne do rozwiązywania za-
dań praktycznych w dziedzinie techniki,
w tym do zadań projektowych.

Do metod tych zaliczyć można:
metodę rozwiązywania zadania wynalaz-
czego,
analizę morfologiczną,
programowanie heurystyczne.

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1343

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

Czynności twórcze

Cechy czynności twórczych

Sekwencja działań

Formułowanie
zadania

•

•

•

•
•
•

Rozwiązywanie
zadania

•
•
•

•
•

•

•

Sprawdzanie
i wartościowanie
rozwiązania
zadania

opis rozwiązania zadania podlegający sprawdzeniu
i wartościowaniu zawiera:
•
•
•
•

•

•

wiarygodna jest możliwość dokonania działania, którego skutkiem
jest spełnienie warunku koniecznego lub wystarczającego zaspokojenia
uświadomionej potrzeby
realizacja działania (określanie, projektowanie, wytwarzanie....)
jest ograniczona przez wskazanie rozwiązującego, środki, sposoby,
czas albo przebieg rozwiązania
skutki działania są wartościowane

podjęcie zadania
wyjaśnienie zadania
uzasadnienie zadania

jedną z przyczyn podjętych działań jest sformułowanie zadania
jednym ze skutków podjętych działań jest rozwiązanie zadania
realizacja podjętych działań jest warunkowana rodzajem działań
dokonywanych przez rozwiązującego, ograniczeniem środków, sposobów
lub czasu działania oraz łączenia ich w układy działań, jak również jest
wartościowana przez formułującego lub rozwiązującego zadania

analiza zadania
zaplanowanie metody
rozwiązania zadania
ustalenie możliwych
rozwiązań zadania
wybór rozwiązań

przyczyny podjęcia zadania
wyszczególnienie i uwarunkowania dokonanych działań
skutki rozwiązania
sposoby wartościowania rozwiązania

sprawdzenie, czy rozwią-
zanie spełnia warunki
i nie wykracza poza zasięg
sformułowanego zadania
ustalenie liczby rozwiązań
na podstawie wartościo-
wania zadania

Tablica 9.12

Czynności i działania twórcze oraz ich cechy (opracowano według A. Góralskiego i W. Hartkopfa)

Rysunek 9.33

Schemat cyklu innowacyjności

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1343

Bardziej szczegółowo omówione są w niniejszym opracowaniu dwie pierwsze

metody.

Programowanie heurystyczne rozwijające się wraz z rozwojem metod sztucznej

inteligencji nierozerwalnie związane jest z komputerowym wspomaganiem CAx,
w tym projektowania i wytwarzania CAD/CAM, jakości CAQ oraz projektowania
materiałowego CAMD lub doboru materiałów CAMS i oparte jest między innymi
na takich narzędziach komputerowych, jak:

bazy danych,
systemy ekspertowe,
sieci neuronowe.

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1344

produktów i ich elementów

zadania proste

–

Twórca

Stopień schematyzacji metody

Jednostka

Zespół

Niesystematyczne poszukiwania pomysłu

metoda prób i błędów

burza mózgów

System dyrektyw heurystycznych

metoda pytań
(jak to rozwiązać?)

metoda synektyczna

Ogólna dyrektywa heurystyczna,
poszukiwania rozwiązania idealnego
oraz system dyrektyw szczegółowych

metoda rozwiązywania
zadania wynalazczego

metoda rozwiązania
idealnego

Modele kombinatoryczne
oraz system dyrektyw heurystycznych

analiza morfologiczna oglądu systematycznego
metody systemowe

Metody heurystyki informatycznej

programowanie heurystyczne

Tablica 9.13

Zestawienie wybranych metod i działań heurystycznych (opracowano według T. Arciszewskiego i J. Kisielnickiej)

Rysunek 9.34

Zadania inżynierii
współdziałania
(opracowano na
podstawie pomysłu
Y. Jina i K. Wanga)

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1344

Wykorzystanie tych metod wiąże się zwykle z zastosowaniem specjalistycznego
oprogramowania komputerowego i jest przydatne w modelowaniu procesów,
a dziedzina działań poznawczych jest szczególnie właściwą dziedziną ich zastoso-
wań, chociaż odpowiednie aplikacje są również coraz powszechniej stosowane
w projektowaniu inżynierskim.

Należy również zwrócić uwagę na rozwijającą się inżynierię współdziałania

(rys. 9.34), której istota sprowadza się do metodologii rozwiązywania złożonych
zadań przez liczne grupy uczestników, w wyniku łączenia działań i łączenia wiedzy
oraz synergicznego efektu uzyskiwanego w wyniku tego.

WPŁYW STANU PRAWNEGO ORAZ STANU TECHNIKI I NORMALIZACJI

NA PROJEKTOWANIE INŻYNIERSKIE PRODUKTU

W trakcie projektowania należy uwzględnić aktualny stan techniki, określany

między innymi na podstawie analizy produktów aktualnie dostępnych na rynku,
publikacji technicznych i patentów, jak również norm przemysłowych i społecz-
nych. Na przykład, prawodawstwo narzuca ograniczenia zużycia paliwa w pojaz-
dach samochodowych, określa minimalne ciśnienie w projektowanych rurocią-
gach, natomiast urządzenia elektryczne sprzedawane w Polsce wymagają napięcia
zasilającego 220 V przy częstotliwości 50 Hz, z tego względu, że inne napięcie za-
silające nie jest dostępne.

Większość norm bezpieczeństwa dla towarów konsumpcyjnych wprowadzono

jako wymagania prawne. Niektóre przepisy związane z warunkami eksploatacji,
(szczególnie z konsekwencjami niezamierzonego użycia produktów) opracowano
w wyniku postępowań w sprawie o uszkodzenia ciała. Wiele norm jest stosowanych
dobrowolnie w procesie projektowania, ponieważ są oparte na rozwiązaniach
sprawdzonych jako odpowiednie w większości zastosowań i odzwierciedlających
poziomy jakości i cechy użytkowe oferowane przez większość producentów.

Normalizacja i uproszczenie produktu, w tym zachowanie tylko najkorzystniej-

szych wymiarów, typów, gatunków i modeli, może prowadzić do istotnych oszczęd-
ności bez utraty walorów eksploatacyjnych produktów. Korzystanie ze znormalizo-
wanych elementów powoduje znaczne oszczędności, jak na przykład zastosowanie
śrub znormalizowanych z szeregu głównego, np. M10, w miejsce śrub o mniejszym
przekroju.

CZYNNIKI LUDZKIE W PROJEKTOWANIU INŻYNIERSKIM PRODUKTÓW

Istotnym czynnikiem wpływającym na kształt produktu jest wzajemne oddziały-

wanie między nim a jego użytkownikiem lub osobą odpowiedzialną za jego konser-
wację i eksploatację, jak na przykład rozmieszczenie wskaźników i przełączników
na desce rozdzielczej samochodu, łatwo widocznych i dostępnych dla kierowcy.

Ważnym aspektem w projektowaniu są względy estetyczne, pod warunkiem, że

nie wpływają na pogorszenie własności eksploatacyjnych produktu. Gładka lub
błyszcząca powierzchnia, piękny kształt lub wrażenie solidności i odporności na
trudne warunki pracy mogą bowiem nie mieć wcale związku ze zdolnością produk-
tu do realizacji przypisywanych mu funkcji, ale mają znaczący wpływ na zachowa-
nie klienta i akceptację produktu przez użytkowników.

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1345

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1345

ZNACZENIE KOSZTÓW W PROJEKTOWANIU INŻYNIERSKIM PRODUKTÓW

Rachunek kosztów i zysków zawsze poprzedza zakupy istotnego wyposażenia

technologicznego. Koszt zazwyczaj stanowi jedno z podstawowych kryteriów w pro-
cesie projektowania, względem których ocenia się zalety produktu. W każdym przy-
padku, gdy tylko jest wybór między różnymi materiałami, konstrukcjami czy proce-
sami produkcyjnymi, to wybiera się rozwiązanie o najniższych kosztach, przy zało-
żeniu, że spełnione są podstawowe założenia funkcjonalne stawiane produktowi.
Czasem możliwość znaczącego obniżenia kosztu może uzasadnić ponowne określe-
nie podstawowych możliwości funkcjonalnych produktu. Modyfikacje funkcji pro-
duktu i stawianych mu wymagań jakościowych mogą jednak ujemnie wpłynąć na je-
go podatność na wymogi rynku. Koszt jest najistotniejszym pojedynczym czynni-
kiem wpływającym na konstrukcję i proces produkcyjny produktu spełniającego
podstawowe wymagania określone dla niego. Koszt produktu musi być konkurencyj-
ny w stosunku do porównywalnych produktów znajdujących się na rynku.

Na całkowity koszt produktu składają się nie tylko koszty elementów i roboci-

zny związane z wytwarzaniem (z odpowiednimi narzutami, kosztami sprzedaży
i zyskiem –rys. 9.35), lecz także koszty użytkownika, w tym energii koniecznej do
eksploatacji tego produktu, koszty jego konserwacji i przeglądów, amortyzacji i po-
zbycia się produktu, jak również koszty ponoszone przez całe społeczeństwo,
w tym zużycia surowców i energii oraz wpływu tego produktu na środowisko. Na
przykład, samochód jest źródłem znaczących kosztów nie tylko dla użytkownika,
lecz i dla społeczeństwa, gdy koszty społeczne pojedynczej śrubki są tak małe, że
mogą być nawet pominięte.

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1346

produktów i ich elementów

Rysunek 9.35

Schemat struktury ceny
produktu

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1346

9.2. Podstawowe
zasady projektowania
materiałowego

9.2.1. Czynniki uwzględniane w projektowaniu

materiałowym

GŁÓWNE CZYNNIKI DECYDUJĄCE O DOBORZE MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH

DO RÓŻNYCH ZASTOSOWAŃ

Mnogość dostępnych obecnie materiałów inżynierskich stwarza konieczność ich

poprawnego doboru na elementy konstrukcyjne lub funkcjonalne, narzędzia i ewen-
tualnie inne produkty lub ich elementy. Doboru tego należy dokonywać na podsta-
wie wielokryterialnej optymalizacji, w tym także opierając się na własnościach po-
danych w tablicy 9.14. Tablica ta obejmuje zespół własności umożliwiających pełną

1347

WŁASNOŚCI FIZYCZNE
1. Struktura krystaliczna
2. Gęstość
3. Temperatura topnienia
4. Prężność pary
5. Lepkość
6. Porowatość
7. Przepuszczalność
8. Przezroczystość
9. Własności optyczne
10. Stabilność wymiarowa

WŁASNOŚCI ELEKTRYCZNE
1. Przewodność
2. Stała dielektryczna
3. Natężenie koercji
4. Histereza

WŁASNOŚCI JĄDROWE
1. Okres półrozpadu
2. Przekrój poprzeczny
3. Stabilność

WŁASNOŚCI CIEPLNE
1. Przewodnictwo
2. Pojemność cieplna
3. Współczynnik rozszerzalności cieplnej
4. Emisyjność
5. Absorpcyjność
6. Współczynnik ablacyjny
7. Ogniotrwałość

WŁASNOŚCI MECHANICZNE
1. Twardość
2. Moduł sprężystości

• rozciąganie
• ściskanie

3. Współczynnik Poissona
4. Krzywa naprężenie/ odkształcenie

• rozciąganie
• ściskanie
• ścinanie

5. Wytrzymałość

• rozciąganie
• ścinanie
• element nośny

6. Własności zmęczeniowe

• chropowatość
• karb
• zmęczenie korozyjne
• naprężenia kontaktowe
• korozja cierna

7. Wykruszanie się
8. Oddziaływanie balistyczne
9. Temperatura przejścia w stan kruchy
10. Odporność na kruche pękanie (K

Ic

)

11. Zachowanie wysokotemperaturowe
12. Pełzanie
13. Naprężenie do zerwania

14. Współczynnik drgań
15. Własności cierne

• korozja cierna
• ścieranie
• erozja

16. Kawitacja

WŁASNOŚCI CHEMICZNE
1. Pozycja w szeregu napięciowym
2. Korozja i degradacja

• atmosfera
• woda morska
• kwasy
• spaliny
• promieniowanie nadfioletowe

3. Utlenianie
4. Stabilność cieplna
5. Stabilność biologiczna
6. Korozja naprężeniowa
7. Kruchość wodorowa
8. Przepuszczalność hydrauliczna

WŁASNOŚCI TECHNOLOGICZNE
1. Lejność
2. Obrabialność cieplna
3. Hartowność
4. Odkształcalność
5. Skrawalność
6. Spawalność

Tablica 9.14

Własności materiałów inżynierskich uwzględniane w projektowaniu materiałowym

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1347

charakterystykę materiałów inżynierskich. W tablicy 9.15 podano przykładowo in-
formacje o materiałach inżynierskich niezbędne w zależności od różnych zastoso-
wań przemysłowych.

Własności użytkowe materiałów inżynierskich są zwykle wyrażane przez własno-

ści fizyczne, mechaniczne, cieplne, elektryczne, magnetyczne i optyczne. Własno-
ści te są zależne od struktury i składu chemicznego materiału oraz od warunków

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1348

produktów i ich elementów

Zastosowanie

przemysłowe

Grupy
własności
materiałów

Budownictwo

Transport

Energetyka

Technika kosmiczna

Przemysł zbrojeniowy

Przemysł chemiczny

Wydobycie ropy

naftowej

Przemysł elektroniczny

i telekomunikacja

Wytwarzanie

materiałów

Wytwarzanie dóbr

konsumpcyjnych

Inne działy przemysłu

Cieplne

Mechaniczne

Elektryczne i elektroniczne

Magnetyczne

Inne własności fizyczne

Korozja

Utlenianie

Podatność na obróbkę

Tablica 9.15

Informacje o materiałach inżynierskich niezbędne w zależności od rodzaju zastosowania przemysłowego

WŁASNOŚCI

MATERIAŁÓW

INŻYNIERSKICH

nauka

o materiałach

inżynieria

materiałowa

Rysunek 9.36

Schemat relacji między strukturą, własnościami materiałów inżynierskich oraz warunkami
eksploatacyjnymi wytworzonych z nich produktów
(opracowano według G.E. Dietera)

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1348

eksploatacyjnych wytworzonego z niego elementu (rys. 9.36). Celem nauki o ma-
teriałach jest badanie wpływu ich struktury w różnej skali (elektronowa, krystalicz-
na, mikro i makro) na własności materiałów.

Bardzo obszerna liczba dostępnych obecnie gatunków materiałów stwarza no-

we możliwości innowacyjne we wdrażaniu produktów. Ustalanie zależności między
strukturą, procesem technologicznym i własnościami użytkowymi, jak również do-
bór materiałów i procesów technologicznych kształtujących ich strukturę i własno-
ści w celu stosowania w złożonych systemach produkcyjnych stanowią przedmiot
głównych zainteresowań inżynierii materiałowej.

W tablicy 9.16 porównano wybrane własności głównych grup materiałów inży-

nierskich, szczegółowo omówione dla poszczególnych materiałów inżynierskich
w poprzednich rozdziałach książki.

DOBÓR MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH

W STADIUM PROJEKTOWANIA SZCZEGÓŁOWEGO

Dobór właściwego materiału inżynierskiego wraz z odpowiednim procesem

technologicznym ma kluczowe znaczenie zapewniając największą trwałość pro-
duktu przy najniższych kosztach, zważywszy że trzeba go dokonać z ponad
100 000 możliwych i dostępnych na rynku materiałów inżynierskich, pomimo że
przeciętny inżynier projektant dysponuje szczegółową wiedzą o zastosowaniach
praktycznych 50 do 100 materiałów inżynierskich.

9.2. Podstawowe zasady projektowania materiałowego

1349

Własności

Metale

Materiały ceramiczne

Polimery

Gęstość, g/cm

3

2÷22 (średnio ~8)

2÷19 (średnio ~4)

1÷2

Temperatura topnienia

niska (Ga=29,78°C)
do wysokiej (W=3410°C)

wysoka
(≤4000°C)

niska

Twardość

średnia

wysoka

niska

Skrawalność

dobra

słaba

dobra

Wytrzymałość na rozciąganie, MPa

≤2500

≤400

≤140

Wytrzymałość na ściskanie, MPa

≤2500

≤5000

≤350

Moduł sprężystości wzdłużnej, GPa

15÷400

150÷450

0,001÷10

Żarowytrzymałość

mała do średniej

bardzo dobra

–

Rozszerzalność cieplna

średnia do wysokiej

niska do średniej

bardzo wysoka

Przewodność cieplna

średnia do wysokiej

średnia, ale często zmniejsza się
gwałtownie wraz z temperaturą

bardzo niska

Odporność na zmęczenie cieplne

dobra

ogólnie mała

–

Własności elektryczne

przewodniki

izolatory

izolatory

Odporność chemiczna

niska do średniej

bardzo dobra

dobra

Odporność na utlenianie

ogólnie mała

tlenki – bardzo dobra,
SiC i Si

3

N

4

– dobra

–

Tablica 9.16

Ogólne porównanie własności materiałów metalowych, ceramicznych i polimerowych

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1349

Możliwe są dwa podejścia do doboru kombinacji materiałów inżynierskich

i procesu technologicznego danego elementu. W pierwszej kolejności można do-
brać albo materiał inżynierski, co jest częściej preferowane przez inżynierów, albo
proces technologiczny, czego konsekwencją jest dobór w następnym ruchu odpo-
wiednio procesu technologicznego lub materiału inżynierskiego.

Ze względu na bardzo zróżnicowane warunki eksploatacji różnych produktów,

jak również ich bardzo różnorodne cechy konstrukcyjne, do poprawnego doboru
materiałów inżynierskich niezbędne jest zebranie wielu informacji szczegółowych,
przykładowo zestawionych w tablicy 9.17.

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1350

produktów i ich elementów

IDENTYFIKACJA MATERIAŁU
• rodzaj materiału

(stopy metali, materiały
polimerowe, kompozytowe,
ceramiczne)

• grupy materiałów
• program produkcji materiałów
• postać dostarczenia materiałów
• określenie stanu materiału

(wyżarzony, obrobiony
cieplnie, itp.)

• wybór materiału
• inne nazwy materiału
• określenie składu materiału

HISTORIA PRODUKCJI
MATERIAŁU
• zalecenia i ograniczenia dotyczące

technologiczności

• skład chemiczny
• postać dostarczenia materiału
• technologia montażu materiału
• równania konstytutywne opisujące

własności

WŁASNOŚCI MATERIAŁU
I ICH BADANIA
• gęstość
• pojemność cieplna
• współczynnik rozszerzalności

cieplnej

• przewodność cieplna
• wytrzymałość na rozciąganie
• granica plastyczności
• wydłużenie
• przewężenie
• moduły sprężystości
• krzywa lub równanie

rozciągania

• twardość
• wytrzymałość zmęczeniowa

TEMPERATURA PRACY
(OBNIŻONA LUB PODWYŻSZONA)
• wytrzymałość na rozciąganie
• granica plastyczności
• szybkość pełzania
• trwałość w podwyższonej temperaturze
• relaksacja w podwyższonej temperaturze
• ciągliwość

ODPORNOŚĆ NA PROPAGACJĘ
PĘKNIĘĆ
• odporność na kruche pękanie
• pękanie zmęczeniowe
• wpływ temperatury

STABILNOŚĆ W RÓŻNYCH
ŚRODOWISKACH
• dane dotyczące odporności materiałów

w różnych ośrodkach

• odporność na korozję ogólną
• odporność na korozję naprężeniową
• toksyczność – na wszystkich etapach

produkcji i działania

• podatność na recykling/utylizację

WŁASNOŚCI KONSTRUKCYJNE
MATERIAŁÓW
• rozciąganie
• ściskanie
• ścinanie
• trwałość zmęczeniowa

TECHNOLOGICZNOŚĆ
• charakterystyka obróbki wykończającej
• spawalność
• podatność na kucie, wyciskanie

i walcowanie

• lejność
• odkształcalność (gotowy produkt)
• naprawialność
• łatwopalność

MOŻLIWOŚĆ ZASTOSOWANIA
ODPOWIEDNICH TECHNOLOGII
ŁĄCZENIA
• spajanie
• klejenie
• połączenie śrubowe
• parametry spawania
• podatność na obróbkę

wykończającą

• impregnacja
• malowanie
• stabilność koloru

DOŚWIADCZENIA
W STOSOWANIU
• udane zastosowanie
• nieudane zastosowanie
• zastosowania, których należy unikać
• raport analizujący uszkodzenia
• maksymalna trwałość eksploatacji

DOSTĘPNOŚĆ
• źródła pozyskiwania
• sieć handlowa
• wymiary
• kształty

KOSZT I CZYNNIKI
KOSZTOTWÓRCZE
• surowce
• gotowy produkt lub wymagana

dodatkowa obróbka

• specjalna obróbka wykończająca/

powłoki ochronne

• specjalne narzędzia/koszty narzędzi

ZAPEWNIENIE I KONTROLA
JAKOŚCI
• podatność na kontrolę
• naprawa
• powtarzalność

Tablica 9.17

Informacje o materiałach inżynierskich niezbędne podczas szczegółowego projektowania materiałowego

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1350

PODSTAWOWE CZYNNIKI DECYDUJĄCE

O DOBORZE MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH

Do podstawowych czynników decydujących o doborze materiałów inżynier-

skich zaliczyć można:

wymagania funkcjonalne i ograniczenia,
własności mechaniczne,
kształt,
dostępność, terminowość dostaw, zamienniki,
możliwość wykonania,
odporność na korozję i degradację,
stabilność,
technologiczność z uwzględnieniem problematyki jakości oraz zrównoważone-
go rozwoju,
szczególne własności,
względy estetyczne,
kryteria ekonomiczne (cena materiału, koszty pozyskania, przetwarzania i eks-
ploatacji),
kryteria koniunkturalne (moda, preferencje polityczne, prywatne powiązania).
Uogólniając, za najważniejsze kryteria doboru materiału uznać należy:
jakość i nowoczesność materiału,
cenę,
dostępność (terminowość dostaw).
Terminowość dostaw jest kryterium, które w wielu przypadkach jest ważniejsze

od ceny.

Ogólne podejście przy doborze materiału inżynierskiego, np. konstrukcyjnego,

do określonego zastosowania ilustruje rysunek 9.37.

CZYNNIKI DECYDUJĄCE O DOBORZE MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH

ZE WZGLĘDU NA WYTWARZANIE

Ostatecznym kryterium doboru materiałów jest koszt wytworzenia elementu

o wysokiej jakości. Dla doboru najlepszych materiałów inżynierskich ze względu
na wytwarzanie elementów należy uwzględnić następujące czynniki:

rodzaj i skład chemiczny materiału inżynierskiego (rodzaj stopu, materiału po-
limerowego, ceramicznego lub kompozytowego),
postać materiału inżynierskiego (pręt, rura, drut, arkusz, blacha, płyta, proszek
itp.),
wielkość (wymiary i tolerancje wymiarowe),
stan obróbki cieplnej,
anizotropię własności mechanicznych,
obróbkę powierzchniową,
jakość (struktura, wtrącenia niemetaliczne itp.),
wielkość produkcji,
technologiczność (skrawalność, spawalność, lejność itp.),
przydatność do recyklingu,
koszt materiału inżynierskiego.

9.2. Podstawowe zasady projektowania materiałowego

1351

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1351

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1352

produktów i ich elementów

min.

min.

min.

g

–

Rysunek 9.37

Sposób podejścia do zagadnień
doboru materiałów inżynierskich

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1352

9.2.2. Metodyka projektowania materiałowego

STADIA DOBORU MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH

Można wyróżnić cztery stadia w procesie doboru materiałów inżynierskich na

wytypowane elementy:

na podstawie własności kryterialnych określenie, czy element będzie wytwarzany
ze stopów metali, materiałów polimerowych, ceramicznych lub kompozytowych,
w przypadku stopów metali określenie, czy element będzie wytwarzany przez
obróbkę plastyczną czy też odlewanie, a w przypadku materiałów polimero-
wych określenie, czy zostanie zastosowany polimer termoplastyczny lub termo-
utwardzalny,
ograniczenie wyboru do ściśle określonej kategorii materiałów, np. w przypadku
stopów metali określenie, że element będzie wytworzony ze stali konstrukcyjnej
stopowej do ulepszania cieplnego, stali żarowytrzymałej lub stopu aluminium do
obróbki plastycznej, a w przypadku materiałów polimerowych, że zostanie zasto-
sowany jeden z termoplastów lub duroplastów, np. poliester lub poliwęglan,
dobór konkretnego materiału inżynierskiego z podaniem oznaczenia lub cechy.
Dwa pierwsze stadia procesu doboru materiału wiążą się zwykle z koncepcyjną

fazą projektowania inżynierskiego, której może również dotyczyć niekiedy stadium
trzecie, najczęściej związane jednak z projektowaniem ogólnym. Stadium czwarte
doboru materiałów dotyczy fazy projektowania szczegółowego.

Na rysunku 9.38 przedstawiono schemat komputerowego wspomagania plano-

wania zapotrzebowania na materiały inżynierskie niezbędne ze względu na wyma-
gania produkcyjne.

METODYKA ANALITYCZNEGO DOBORU MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH

Szczegółowe wymagania dotyczące produktów, a w tym także materiałów, for-

mułowane są jako warunki techniczne wykonania i odbioru. Bardzo często wyma-
gania dotyczą korzystnego stanu jednocześnie kilku własności. W takich przypad-
kach jedynie racjonalnym rozwiązaniem, jest zastosowanie metod ilościowego
określenia stanów względnych kryteriów jakości, którymi są wielkości opisujące
różne własności materiałów.

W metodzie analitycznego doboru materiałów konstrukcyjnych tok postępowa-

nia obejmuje:

sporządzenie zestawu najistotniejszych kryteriów odtwarzających wymagania
jakościowe dotyczące rozpatrywanych materiałów inżynierskich, ujętych w po-
staci kryterialnego wzorca jakości (rys. 9.39),
wyznaczenie lub pobranie z odpowiednich dokumentów dopuszczalnych i po-
żądanych wartości stanów bezwzględnych własności (lub cech) rozpatrywa-
nych materiałów, z wprowadzeniem ich do odpowiednich rubryk formularza
kryterialnego wzorca jakości,
relatywizacja stanów bezwzględnych własności mierzalnych i niemierzalnych,
obliczenie poziomów jakości, tzn.:
— średniej arytmetycznej wyróżników kryterialnych W

i

(stany względne

w przedziale od 0 do 1), odtwarzających stopień spełnienia wymagań jako-
ściowych przez n uwzględnionych kryteriów jakości,

9.2. Podstawowe zasady projektowania materiałowego

1353

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1353

— rozpiętości stanów względnych kryteriów jako różnicy najmniejszych i naj-

większych wartości wyróżników kryterialnych w rozpatrywanym zbiorze
przedmiotu analizy,

— współczynników preferencji (szczególnego znaczenia) kryteriów ze wzoru:

(9.1)

gdzie:

g

i

– stan względny i–tego kryterium preferencyjnego,

h – liczba kryteriów preferencyjnych,

— średniej zmodyfikowanej różnicowo, ze wzoru:

R

=

X

−

d ,

(9.2)

gdzie:

X – średnia arytmetyczna,
d – odjemnik obliczany według wzoru:

(9.3)

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1354

produktów i ich elementów

SUMARYCZNY

PLAN

PRODUKCJI

,

Rysunek 9.38

Schemat komputerowego wspomagania planowania zapotrzebowania na materiały inżynierskie potrzebne
ze względu na wymagania produkcyjne

h

g

p

h

i

i

=

=

,

1

∑

r

n

d

z

i

i

,

1

1

∑

=

=

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1354

gdzie:

z – liczba kryteriów zaniżających średnią,
r

i

– pojedyncze zaniżające odchylenie od średniej:

r

i

=

X

−

W

i

,

(9.4)

gdy stan i–tego kryterium W

i

< X,

— wskaźników decyzyjnych jednostkowej jakości ekonomicznej, w tym jed-

nostkowej jakości ekonomicznej q

m

materiału ze wzoru:

(9.5)

gdzie:

R – wskaźnik poziomu jakości materiału inżynierskiego, jest ułamkiem

dziesiętnym,

c – przelicznik walutowy, umożliwiający uwzględnienie kosztu materia-

łu wyrażonego w walutach obcych,

K – koszt materiału inżynierskiego potrzebnego do wykonania projektowa-

nego przedmiotu, wyrażony w złotych na jednostkę masy (ujęcie bar-
dziej uniwersalne) lub w złotych na masę rozpatrywanego przedmiotu,

p – współczynnik preferencji (szczególnego znaczenia) kryteriów.

9.2. Podstawowe zasady projektowania materiałowego

1355

Rysunek 9.39

Uniwersalna skala stanów
względnych

K

c

R

p

q

m

zł

,

%

100









=

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1355

Wskaźniki jednostkowej jakości ekonomicznej q

m

mają wartości rosnąco

korzystne, co oznacza, że należy wybrać ten materiał, który w analizie wy-
każe największą wartość tego wskaźnika odpowiadającą największemu po-
ziomowi jakości na rozpatrywaną jednostkę pieniężną,

— wskaźników porównawczych jednostkowego kosztu materiałów, w tym

wskaźnika jednostkowego kosztu materiału e

m

, czyli kosztu jednego procen-

tu jakości rozpatrywanego materiału obliczanego ze wzoru:

(9.6)

Wskaźniki jednostkowego kosztu materiału mają wartości malejąco ko-

rzystne, tzn. że najkorzystniejszy jest materiał wykazujący w analizie naj-
mniejszą wartość wskaźnika e

m

.

WARIANTY DOBORU MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH

Proces doboru materiałów inżynierskich zwykle dotyczy jednej z dwóch sytu-

acji:

doboru materiałów i procesów technologicznych dla nowych produktów lub
projektów,
oceny materiałów alternatywnych i możliwości wytwarzania dla istniejących
produktów lub projektów.

DOBÓR MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH DLA NOWYCH PRODUKTÓW

W przypadku doboru materiałów inżynierskich dla nowych produktów należy

postępować według następującej kolejności:

zdefiniować funkcje użytkowe, jakie musi spełniać produkt i opisać je wymaga-
nymi własnościami, jak np. sztywnością, wytrzymałością i odpornością korozyj-
ną oraz wskaźnikami ekonomicznymi, np. kosztem lub dostępnością,
określić wymagania dotyczące wytwarzania podając liczbę koniecznych ele-
mentów, ich wielkość i złożoność, wymagane tolerancje wymiarowe, obróbkę
wykończającą, ogólny poziom jakości i całkowitą technologiczność materiału,
porównać wymagane własności i parametry z obszernymi bazami danych ma-
teriałowych, najkorzystniej komputerowymi, w celu wstępnego wytypowania
kilku materiałów możliwych do zastosowania, zwykle na podstawie przeglądu
jedynie kilku wyselekcjonowanych własności analizowanych materiałów o eks-
tremalnych wartościach,
zbadać bardziej szczegółowo wstępnie wytypowany materiał inżynierski, po-
chodzący z dostaw handlowych i zastosowany w danym produkcie, jego koszt,
technologiczność i dostępność w postaci i wymiarach niezbędnych do zastoso-
wania,
uzupełnić dane projektowe, ustalając najmniejszą liczbę własności opisujących
dany materiał inżynierski, a w przypadku szczególnych zastosowań, jak np.
techniki kosmicznej lub jądrowej, wykonać badania według rozbudowanego
programu dla uzyskania danych projektowych o dużej statystycznej pewności.

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1356

produktów i ich elementów

R

p

K

c

e

m

.

,

%

zł

01

0

=













9 roz 9-11-02 14:13 Page 1356

DOBÓR MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH

ZAMIENNYCH DLA ISTNIEJĄCYCH PRODUKTÓW

Dla dokonania zamiany materiałów w istniejącym produkcie należy kolejno:
scharakteryzować obecnie stosowany materiał inżynierski w danej postaci, wy-
magania procesu technologicznego i koszty,
określić, które z własności muszą być poprawione dla rozszerzenia funkcji użyt-
kowych produktu, ze szczególnym uwzględnieniem przesłanek wynikających
z analizy uszkodzeń,
poszukać alternatywnych materiałów inżynierskich i procesów technologicz-
nych, wykorzystując metodę przeglądu zalet,
zestawić krótki wykaz materiałów inżynierskich i odpowiadających im proce-
sów technologicznych i porównać koszty wytwarzanych elementów, stosując in-
żynierską analizę wartości, której należy poddać każdy materiał inżynierski,
każdy element i każdy proces technologiczny (np. według testu podanego przy-
kładowo w tablicy 9.18, dla ustalenia czy celowa jest produkcja „tego“, w któ-
rym negatywna odpowiedź potwierdza wartość danego czynnika),
rozwinąć wyniki osiągnięte w poprzednim kroku i wskazać materiał inżynierski
zamienny, określając jego krytyczne własności, ze specyfikacją lub badaniem
materiałów inżynierskich do szczególnych zastosowań, jak w przypadku mate-
riałów inżynierskich dobieranych po raz pierwszy.

9.2. Podstawowe zasady projektowania materiałowego

1357

Lp.

Analizowany czynnik

W razie
odpowiedzi
negatywnej,
wstaw znak "X"

1.

Czy można się bez tego obejść?

2.

Czy to zapewnia więcej niż jest konieczne?

3.

Czy to kosztuje więcej, niż jest warte?

4.

Czy zamiast tego można opracować lepsze rozwiązanie zadania?

5.

Czy można to zrobić taniej?

6.

Czy zamiast tego można skorzystać z elementu znormalizowanego?

7.

Czy biorąc pod uwagę skalę produkcji, można by to wytworzyć
korzystając z tańszego wyposażenia technologicznego?

8.

Czy to kosztuje więcej, niż suma rzetelnie skalkulowanej robocizny,
narzutów, kosztów materiału i zysku?

9.

Czy ktoś może to zrealizować przy niższych kosztach
i bez uszczerbku dla niezawodności?

10.

Czy wykorzystując własne pieniądze, odmówiłbyś zakupu,
ponieważ jest to za drogie?

Tablica 9.18

Przykładowy test wartości

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1357

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1358

produktów i ich elementów

1358

W wielu samochodach, np. Mercedes S (16) i Maybach o długości 6,16 m (17) stosowane są bardzo liczne
elementy podwozia i zawieszenia ze stopów aluminium, podobnie jak w Mercedesie SL (30), w którym pokrywa
bagażnika, zbiornik paliwa i podatne elementy zderzaka wykonane są ze stopów aluminium. W Astom Martin
Vanquish (22) oprócz elementów karoserii także elementy zderzaka są wykonane w lekkich stopów aluminium.
Jaguar S-type ma blachy o dostosowanej grubości (tailored) spawane laserowo jeszcze przed kształtowaniem
(18), co również znacznie zmniejsza masę własną samochodu. Smart (19) ma z kolei nośną konstrukcję z blachy
stalowej, a barwne poszycia karoserii są wykonane z tłoczywa SMC. Liczne samochody typu coupé sport lub
roadster o bardzo niskiej masie całkowitej, nierzadko około 1 t lub nieco większej i bardzo dużym wskaźniku
mocy w stosunku do masy, jak najszybszy seryjny samochód świata o szybkości maksymalnej 350 km/h Ferrari
Enzo (20), Lamborghini Murcielago (21), Masserati 3200 GT (23), Lexus S.C. 430 (24), Jaguar F-type (25), Ford
Thunderbird (26), Opel Speedster (27) Lotus Elise (28), Porsche Carrera GT (29), mają karoserie z materiałów
kompozytowych bardzo często wzmacnianych włóknami węglowymi lub aramidowymi, nierzadko na stalowej
lub aluminiowej ramie. Nierzadko z lekkich stopów magnezu wykonywane są obręcze kół jak np. w Ferrari 360,
a także część elementów silnika jest wykonana ze stopów tytanu, a niektóre silniki nawet w całości są
wykonane ze stopów aluminium.

22

23

24

16

17

18

19

20

21

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1358

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1359

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

1359

25

26

27

28

29

30

9 roz 9-11-02 14:13 Page 1359