Podstawy

metodologii

projektowania

materiałowego

produktów i ich

elementów

Podstawy

metodologii

projektowania

materiałowego

produktów i ich

elementów

9 roz 9-11-02 14:11 Page 1

9.1. Rola projektowania ma-
teriałowego w projektowaniu
inżynierskim produktów
i procesów ich wytwarzania

9.1.1. Elementy i fazy projektowania inżynierskiego

produktów

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA PROCESÓW WYTWARZANIA PRODUKTÓW

Proces przetwarzania surowców materiałowych w produkty zwany jest wytwa-

rzaniem. Wytwarzanie polega na wykonywaniu produktów z surowców materiało-
wych w różnych procesach, przy użyciu różnych maszyn i w operacjach zorganizo-
wanych zgodnie z dobrze opracowanym planem. Proces wytwarzania polega zatem
na właściwym wykorzystaniu zasobów: materiałów, energii, kapitału i ludzi. Współ-
cześnie wytwarzanie jest kompleksowym działaniem, łączącym ludzi, którzy wyko-
nują różne zawody i zajęcia, przy użyciu różnych maszyn, wyposażenia i narzędzi,
w różnym stopniu zautomatyzowanym, włączając komputery i roboty (rys. 9.1).
Celem wytwarzania jest każdorazowo zaspakajanie potrzeb rynkowych klientów,
zgodnie z opracowaną strategią przedsiębiorstwa lub organizacji zajmującej się wy-
twarzaniem (rys. 9.2), wykorzystującej dostępne możliwości i urządzenia. Aspekty
techniczne procesu wprowadzania na rynek danego produktu przez organizację

1302

Rysunek 9.1

Ogólny model wytwarzania
(opracowano według
R.B. Clase’a, N.J. Aquilano
i F.R. Jacobsa)

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1302

wytwarzającą dotyczą wzornictwa przemysłowego, projektowania inżynierskiego,
przygotowania produkcji, wytwarzania oraz obsługi serwisowej (rys. 9.3). W pro-
cesie wprowadzania produktów na rynek można zatem wyróżnić trzy główne sfery
(rys. 9.4):

marketing i sprzedaż,
rozwój produktu,
produkcji i wytwarzania.
W każdej z tych sfer należy podejmować odpowiednie decyzje w zależności od

stadium realizacji zadań związanych z przygotowaniem produktów do wprowadze-
nia na rynek (rys. 9.5).

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1303

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

Rysunek 9.2

Schemat strategii
zaspokajania potrzeb
rynkowych klienta
przez przedsiębiorstwo
wytwarzające produkty
(opracowano według
R.B. Clase’a,
N.J. Aquilano
i F.R. Jacobsa)

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1303

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1304

produktów i ich elementów

Rysunek 9.3

Schemat
współzależności
czynników
związanych
z wprowadzeniem
produktu na rynek

Rysunek 9.4

Cykl życia
systemów
wytwarzania
(opracowano
według
R.B. Clase’a,
N.J. Aquilano
i F.R. Jacobsa)

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1304

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1305

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

Rysunek 9.5

Schemat zależności związanych z podejmowaniem decyzji dotyczących przygotowania produktów
do wprowadzenia na rynek (opracowano według M.L. Swinka, V.A. Maberta i J.C. Sandviga)

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1305

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1306

produktów i ich elementów

1306

1

6

2

5

3

4

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1306

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1307

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

1307

Podstawowym materiałem konstrukcyjnym stosowanym do wytwarzania dźwigów i suwnic jest stal spawalna
nisko- lub mikrostopowa o wysokiej wytrzymałości i granicy plastyczności, często wytwarzana metodami
regulowanego walcowania lub kontrolowanej rekrystalizacji, w postaci kształtowników, a także rur, z których
następnie są spawane złożone konstrukcje. Urządzenia te mogą być stacjonarne (1)

÷

(5), lub mogą przemieszczać

się (6)

÷

(14). Specjalne torowiska (6), (9)

÷

(14), do tego celu zawierają układ szyn wykonanych ze stali

szynowych i koła jezdne stalowe często utwardzane powierzchniowo na pobocznicy przetaczającej się po
szynach, np. z wykorzystaniem przetapiania laserowego, metalizacji natryskowej lub innych metod napawania.
W przypadku napędu gąsienicowego (7), (9), segmenty potężnych gąsienic nierzadko wykonane są ze stali
Hadfielda o strukturze austenitycznej, umacniającej się pod wpływem zgniotu. Urządzenia samobieżne (8) mają
napęd kołowy z oponami o niespotykanie wysokim bieżniku, wykonane z materiałów kompozytowych z osnową
elastomerową z kauczuków syntetycznych wzmacnianych kordem stalowym. Urządzenia takie mogą mieć
hydrauliczny układ podnoszący, który nie charakteryzuje się strukturą kratownicową, lecz z kolei zawiera układ
sterowników hydraulicznych, których elementy są wytwarzane ze stali spawalnych, najczęściej
mikrostopowych, w których cylindry, tłoki i tłoczyska bardzo często mają powierzchnię z odpowiednią kombi-
nacją powłok galwanicznych, zapewniających wymaganą gładkość, a po użyciu odpowiednich uszczelnień z
materiałów elastomerowych również szczelność układów hydraulicznych. Tzw. „przeciwwagi” urządzeń
dźwigowych mogą być wykonane z bloków staliwnych, żeliwnych, betonowych układanych w stosy po przeciw-
ległej stronie wysięgnika (6)

÷

(9), zapewniając stateczność po pełnym obciążeniu. Urządzenia dźwigowe zwykle

zawierają układ lin stalowych, najczęściej złożonych z pojedynczych drutów bardzo często kształtowych, często
ocynkowanych galwanicznie, odpowiednio splecionych, nierzadko w kable lub wiązki, z których dopiero
powstaje lina, na której spoczywa zawiesie, które może mieć bardzo różną konstrukcję, w tym także elektro-
magnetyczne (13), mechaniczne, np. (6) (13), hydrauliczne lub inne, albo czerpak lub tzw. „łyżkę” w przypadku
konieczności załadunku materiałów sypkich (9), zwykle o zębach wykonanych ze staliwa Hadfielda. „Diabelskie
młyny” o wielkich średnicach są zbudowane m.in. w Londynie nad Tamizą (1) (2) i w Wiedniu w wesołym
miasteczku Prater (3) i mogą w każdym ze swych wagoników przewozić po kilkanaście do kilkadziesięciu osób.
Żurawie budowlane wieżowe wymagają montażu z użyciem innych żurawi przejezdnych, jak te w Santa Cruiz na
Teneryfie (4) lub po wstępnym wykorzystaniu żurawia przejezdnego, mogą być montowane przy użyciu klatki
teleskopowej, umieszczonej w pobliżu wierzchołka wieży żurawia, z podnośnikiem hydraulicznym wewnątrz niej,
umożliwiającym kolejno wypychanie kolejnych segmentów na właściwe miejsce i następne podnoszenie ich do
góry każdorazowo o jeden segment, umożliwiając autonomiczne podwyższenie wysokości żurawia w każdym
niezbędnym przypadku, tak jak przy budowie wieżowca o powierzchni ponad 90 tysięcy m

2

w Waszyngtonie

w USA (5). Segmenty wieży żurawia są łączone ze sobą z użyciem trzpieni i śrub stalowych i zwykle są kotwione
z boku kotwami stalowymi do budowanego budynku. Żurawie przejezdne stosowane są np. do remontu
Partenonu na wzgórzu Akropol w Atenach w Grecji (6) lub do budowy hali widowiskowej w Santa Cruiz na
Teneryfie (7), architekturą przypominającej słynną Operę w Sydney w Australii. Potężna ładowarka o udźwigu
łyżki 43 tony jest stosowana w kopalni miedzi Asarco Mission w USA (9). Warto zwrócić uwagę na wątłą postać
rosłego mężczyzny przy ogromie tego urządzenia. Wielkie suwnice bramowe znajdują zastosowanie np. na
składowiskach kontenerowych w Polsce (10), w portach, np. w Santa Cruiz na Teneryfie (11) i w Gdańsku (12),
a także w zakładach hutniczych na składowiskach złomu w Niemczech (13) i składowiskach węgla
w elektrowniach konwencjonalnych na Śląsku (14).

7

8

9

10

11

12

13

14

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1307

PROJEKTOWANIE PRODUKTÓW

Pierwsza faza projektowania produktu dotyczy wzornictwa przemysłowego zwią-

zanego z ogólnym opisem funkcji produktu oraz opracowaniem ogólnej jego kon-
cepcji, obejmującej jedynie formę zewnętrzną, kolor i ewentualnie ogólne założenia

co do połączenia głównych elementów. Następ-
ne fazy obejmują projektowanie inżynierskie
i kolejno przygotowanie produkcji. Projektowa-
nie inżynierskie, w którym można wyróżnić
projektowanie systemu wytwarzania (rys. 9.6)
oraz projektowanie produktów (rys. 9.3) nie
jest wyizolowanym działaniem, gdyż wpływa na
wszystkie pozostałe fazy wprowadzania na ry-
nek danego produktu, od których równocześnie
jest zależne projektowanie produktu, łączy w so-
bie trzy równie ważne i nierozdzielne elementy
(rys. 9.7):

projektowanie konstrukcyjne, którego celem
jest opracowywanie kształtu i cech geome-
trycznych produktów zaspokajających ludz-
kie potrzeby,
projektowanie materiałowe w celu zagwaran-
towania wymaganej trwałości produktu lub
jego elementów wytworzonych z materiałów
inżynierskich o wymaganych własnościach
fizykochemicznych i technologicznych,

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1308

produktów i ich elementów

Rysunek 9.6

Główne sfery wprowadzania produktów na rynek (opracowano według R.B. Clase’a, N.J. Aquilano i F.R. Jacobsa)

Rysunek 9.7

Schemat współzależności między elementami projektowania
inżynierskiego produktu, tj. projektowaniem konstrukcyjnym,
projektowaniem materiałowym oraz projektowaniem technolo-
gicznym (opracowano według rysunku G.E. Dietera)

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1308

projektowanie technologiczne procesu umożliwiającego nadanie wymaganych
cech geometrycznych i własności poszczególnym elementom produktu, a także
ich prawidłowe współdziałanie po zmontowaniu, przy uwzględnieniu wielkości
produkcji, poziomu automatyzacji i komputerowego wspomagania, jak również
przy zapewnieniu najmniejszych możliwych kosztów tego produktu.

STADIA PROJEKTOWANIA INŻYNIERSKIEGO

Pierwsze stadium projektowania inżynierskiego (rys. 9.8) polega na opracowa-

niu koncepcji, połączonym z ogólnym wyspecyfikowaniem dostępnych materiałów
i procesów technologicznych.

W kolejnym stadium ogólnego projektowania inżynierskiego określa się kształt

i przybliżoną wielkość elementów, stosując inżynierskie metody analizy. W tym
stadium projektant ogólnie typuje klasę stosowanych materiałów oraz rodzaj pro-
cesu technologicznego, dobierając np. obróbkę plastyczną lub odlewanie do wy-
twarzania elementu ze stopów metali nieżelaznych. Własności materiału należy
przy tym określić bardziej precyzyjnie. W stadium szczegółowego projektowania in-
żynierskiego ostatecznie dobiera się zarówno materiał, jak i proces technologiczny.

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1309

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

Rysunek 9.8

Stadia projektowania inżynierskiego (opracowano na podstawie ogólnych założeń M.F. Ashby’ego)

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1309

Dokonuje się wówczas doboru jednego, odpowiedniego materiału oraz najwyżej
kilku wariantów procesu technologicznego. Wiąże się to równocześnie z podję-
ciem decyzji dotyczącej tolerancji wymiarowych, optymalizacją ze względu na stan
wytężenia oraz doborem najlepszego procesu technologicznego z wykorzystaniem
metodologii inżynierii jakości oraz symulacji kosztów. W zależności od znaczenia
projektowanego elementu, własności materiałów powinny być znane projektantowi
bardzo szczegółowo.

KLASYFIKACJA CZYNNIKÓW UWZGLĘDNIANYCH

PODCZAS PROJEKTOWANIA INŻYNIERSKIEGO

Projektowanie inżynierskie jest złożonym działaniem wymagającym uwzględnie-

nia wielu różnorodnych elementów (rys. 9.9). Wzajemne relacje między konieczny-
mi do uwzględnienia zadaniami przedstawiono schematycznie na rysunku 9.10.
Główne czynniki zestawiono w tablicy 9.1 i sklasyfikowano w trzech grupach:

funkcjonalne,
związane z analizą cyklu życia produktu, zarządzaniem jakością i problematy-
ką zrównoważonego rozwoju,
socjologiczne, ekologiczne i ekonomiczne.

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1310

produktów i ich elementów

Rysunek 9.9

Czynniki uwzględniane podczas projektowania inżynierskiego produktów
(opracowano według informacji C. Neweya i G. Weavera)

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1310

9.1.2. Czynniki funkcjonalne w projektowaniu

inżynierskim

ASPEKTY FUNKCJONALNE W PROJEKTOWANIU INŻYNIERSKIM

Projektowanie inżynierskie związane jest z określeniem kształtu produktu i je-

go elementów, doborem materiałów, z których mają one być wykonane, oraz od-
powiednich procesów technologicznych. Zaprojektowany produkt musi spełniać

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1311

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

,

Rysunek 9.10

Układ zadań uwzględnianych
podczas projektowania inżynierskiego i ich wzajemne powiązanie
(opracowano według M. Skarbińskiego)

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1311

parametry odpowiadające w pełni jego założonym funkcjom użytkowym, jak rów-
nież wymagania co do kształtu, a także tolerancje wymiarowe. Projekt musi obej-
mować ponadto zestawienie materiałów, metody produkcji i inne niezbędne infor-
macje. Należy w nim uwzględnić m.in. konsekwencje i ryzyko uszkodzenia produk-
tu spowodowane przewidywanym, lecz prawdopodobnym niewłaściwym użyciem
lub niedoskonałością procesu wytwarzania. Możliwe konsekwencje uszkodzenia
produktu wpływają na ocenę znaczenia jego zakładanej niezawodności. Jeżeli nie
zachodzi ryzyko odniesienia obrażeń przez ludzi oraz poniesienia znaczących strat
w wyniku uszkodzenia tego produktu podczas użytkowania, względy ekonomiczne
nie narzucają zbyt wysokich wymagań dotyczących niezawodności.

ZALEŻNOŚĆ MIĘDZY WYMAGANIAMI DOTYCZĄCYMI KSZTAŁTU A CECHAMI

MATERIAŁU W PROJEKTOWANIU INŻYNIERSKIM

Każda z wersji kształtu produktu narzuca wymagania dotyczące materiału, do

których można zaliczyć zależności między naprężeniami związanymi z kształtem
produktu i jego obciążeniem a wytrzymałością materiału. Zmiana procesu techno-
logicznego może zmienić własności materiału, a niektóre kombinacje kształtu

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1312

produktów i ich elementów

1. Specyfikacja parametrów użytkowych

• określenie potrzeb
• ustalenie ryzyka i konsekwencje

jego wymagań

• konsekwencje zawyżonych wymagań

2. Elementy projektowania

• podejście probabilistyczne lub

deterministyczne

• uwzględnianie naprężeń lub obciążeń
• ograniczenia wymiarów, masy lub objętości
• trudne warunki pracy, takie jak obciążenia

cykliczne lub agresywne czynniki
środowiskowe

• przewidywanie możliwych uszkodzeń
• niezawodność
• łatwość konserwacji
• dostępność
• łatwość prowadzenia napraw
• skala produkcji
• analiza wartości
• rozważane materiały i procesy produkcyjne

3. Przeprojektowanie

• analiza projektu
• uproszczenia i normalizacja
• alternatywne rozwiązania funkcjonalne

1. Dobór materiału
2. Technologiczność
3. Trwałość
4. Badania i próby dla

zapewnienia jakości

5. Powiązania ze środowiskiem

•wpływ produktu na

środowisko

•wpływ środowiska na

produkt

6. Zrównoważony rozwój
7. Przystosowanie do recyklingu
8. Zapotrzebowanie na energię

•w procesie produkcyjnym
•w trakcie eksploatacji
•w procesie odzysku

9. Produkcja według zasady

„dokładnie na czas“

10. Transport technologiczny
11. Konfekcjonowanie

i pakowanie

12. Magazynowanie i spedycja
13. Wartość złomu

1. Przegląd stanu zagadnienia

•dotychczasowa wiedza z tej dziedziny
•ryzyko naruszenia patentów

i wynalazczość

•produkty konkurencyjne

2. Zgodność z normami

•dopuszczenie do użytkowania ze

względu na wymagania bezpieczeństwa
a) ostrzeżenia
b) niezamierzone użycie
c) oznakowanie

•wymagania BHP w procesie

wytwarzania

•wymagania związane z ochroną

środowiska

•normy przemysłowe

a) EN
b) PN
c) ISO

•przepisy szczegółowe

3. Czynniki ludzkie

•łatwość użytkowania
•łatwość konserwacji

4. Estetyka
5. Koszt

CZYNNIKI

FUNKCJONALNE

PROJEKTOWANIE

Z UWZGLĘDNIENIEM

PEŁNEGO CYKLU ŻYCIA

INNE WAŻNE CZYNNIKI

W PROCESIE

PROJEKTOWANIA

Tablica 9.1

Czynniki uwzględniane podczas projektowania inżynierskiego produktu

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1312

produktu i materiału mogą być nie do zrealizowania przy wykorzystaniu niektó-
rych procesów technologicznych.

Zależności między wymaganiami co do kształtu produktu a cechami materiału

mogą być określane metodami deterministycznymi lub probabilistycznymi. W me-
todach deterministycznych do obliczeń przyjmuje się nominalne lub średnie war-
tości naprężeń, wymiarów i wytrzymałości, ponadto korzysta się z odpowiednich
współczynników bezpieczeństwa, których zadaniem jest uwzględnienie oczekiwa-
nej zmienności tych parametrów konstrukcyjnych. Przy podejściu probabilistycz-
nym poszczególnym parametrom przypisuje się odpowiedni rozkład zmienności.
Korzystając z tych rozkładów i dopuszczalnego marginesu bezpieczeństwa można
określić minimalne dopuszczalne przekroje krytyczne albo minimalną wytrzyma-
łość kluczowych elementów projektowanego produktu. Konieczne jest wówczas
sprawniejsze posługiwanie się bardziej wyrafinowanymi metodami obliczeniowy-
mi, dając w zamian bardziej zwartą konstrukcję elementów, wymagającą wykorzy-
stania mniejszej masy materiału.

PROJEKTOWANIE INŻYNIERSKIE Z UWZGLĘDNIENIEM

RODZAJÓW USZKODZENIA PODCZAS EKSPLOATACJI PRODUKTÓW

Niezależnie od sposobu podejścia do projektowania elementów produktu

uwzględnić należy wpływ karbu i koncentracji naprężeń, jako czynników podno-
szących wrażliwość na uszkodzenia. Obciążenia cykliczne, praca w wysokiej lub
niskiej temperaturze, a także obecność czynników powodujących korozję ogólną
albo pęknięcia w wyniku korozji naprężeniowej stanowią specjalne zagrożenia,
które muszą być brane pod uwagę w procesie doboru materiału. W tablicy 9.2 po-
kazano zależności typowych rodzajów uszkodzenia i własności mechanicznych.
Przyczyna ok. 90% uszkodzeń spowodowanych zmęczeniem materiału podczas
eksploatacji jest związana z wadliwą konstrukcją i wadami produkcyjnymi ele-
mentów, a jedynie ok. 10% wynika z wad materiału, jego niewłaściwego składu lub
błędów w obróbce cieplnej. Poważne konsekwencje mogą niekiedy wywołać nawet
pozornie nieistotne przyczyny. Na przykład, w jednym z przypadków uszkodzenie
zmęczeniowe samolotu w locie zostało spowodowane przez zbyt mocne wybicie
znaku kontroli technicznej na jednym z jego elementów. W rozważaniach doty-
czących dopuszczalnych uszkodzeń produktu należy uwzględnić możliwość awa-
rii i ich konsekwencje. Nie należy dopuszczać do uszkodzeń elementów powodu-
jących bezpośrednie zagrożenie życia lub uszkodzenia ciała, albo uszkodzenie
bądź zniszczenie produktów czy ich elementów. Normalną praktyką jest jednak
projektowanie niektórych węzłów konstrukcji tak, by ulegając uszkodzeniu nie za-
grażały otoczeniu i jednocześnie zabezpieczały produkt przed konsekwencjami
awarii znacznie groźniejszych. Powszechnie spotykanym przykładem takiego po-
dejścia i związanych z tym wymagań odnośnie do materiału są bezpieczniki topi-
kowe, w których drut wkładki topi się w wyniku przepływu prądu elektrycznego
o niedopuszczalnym natężeniu. Innym przykładem są korki bezpieczeństwa wy-
rzucane w przypadku przekroczenia dopuszczalnego ciśnienia w instalacji hy-
draulicznej. Kolejnym przykładem może być także zabezpieczenie przeciążenio-
we maszyny do robót ziemnych, zatrzymującej się przy próbie obciążenia jej po-
wyżej wartości dopuszczalnej.

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1313

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1313

UWZGLĘDNIENIE WYMIARÓW I MASY PRODUKTÓW

PODCZAS PROJEKTOWANIA INŻYNIERSKIEGO

Wymiary i masa elementów wywierają wpływ zarówno na dobór materiału, jak

i procesu technologicznego. Elementy o małych wymiarach są wytwarzane z mate-
riału w postaci prętów, nawet przy dużej skali produkcji, a koszt materiału może
być wówczas znacznie mniejszy od kosztu ich wytworzenia. Umożliwia to stosowa-
nie droższych materiałów na elementy o małych wymiarach. Ze względu na trud-
ności lub brak możliwości wykonania obróbki cieplnej niemożliwe staje się nato-
miast pełne wykorzystanie własności wytrzymałościowych materiałów zastosowa-
nych na elementy o dużych wymiarach. Istnieją także ograniczenia dotyczące wy-
miarów elementów, które mogą być kształtowane w poszczególnych procesach
technologicznych. Na przykład, odlewy kokilowe, elementy odlewane metodą

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1314

produktów i ich elementów

Własność

Rodzaj
uszkodzenia

Utrata nośności

Wyboczenie

Pełzanie

Przełom kruchy

Zmęczenie
niskocyklowe

Zmęczenie
wysokocyklowe

Zmęczenie
kontaktowe

Fretting

Korozja

Korozja
naprężeniowa

Korozja
elektrochemiczna

Kruchość
wodorowa

Ścieranie

Zmęczenie cieplne

Zmęczenie korozyjne

– dana wasność materiału jest przydatna do oceny danego rodzaju uszkodzenia.

Wytrzymałość

na rozciąganie

Granica plastyczności

Granica plastyczności

na ściskanie

Wytrzymałość

na ścinanie

Własności

zmęczeniowe

Plastyczność

Praca łamania

Temperatura progu

kruchości

Moduł sprężystości

Szybkość pełzania

Odporność

na kruche pękanie

Odporność na pęknięcia

spowodowane korozją

Potencjał

elektrochemiczny

Twardość

Współczynnik rozsze-

rzalnośći cieplnej

Tablica 9.2

Związki pomiędzy rodzajem uszkodzenia a własnościami materiałów

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1314

traconego wosku lub wytwarzane metodą metalurgii proszków mają zazwyczaj ma-
sę ograniczoną do kilku kilogramów. Jeżeli czynnikiem krytycznym jest masa wy-
tworzonych elementów, często wykonuje się je z materiałów o wysokim stosunku
wytrzymałości do masy.

PROJEKTOWANIE INŻYNIERSKIE W RAZIE WYTWARZANIA

TAKICH SAMYCH PRODUKTÓW W RÓŻNYCH MIEJSCACH

Zróżnicowanie kosztów i dostępności materiałów w razie wytwarzania takich

samych produktów w wielu miejscach jednocześnie stwarza konieczność doboru
zbliżonych gatunków materiałów wytwarzanych w każdym z tych miejsc (np. w róż-
nych krajach). Różnice między lokalnym odpowiednikiem a materiałem oryginal-
nym mogą wpływać na jakość produktu. W przypadku gdy niski jest koszt roboci-
zny, projektuje się produkty pracochłonne, natomiast w razie gdy koszt robocizny
jest wysoki, w pełni wykorzystuje się zautomatyzowane procesy technologiczne.

PROJEKTOWANIE INŻYNIERSKIE W ZALEŻNOŚCI OD SKALI PRODUKCJI

Skala produkcji oddziałuje także na proces projektowania. W przypadku pro-

dukcji jednostkowej i małoseryjnej ze względów ekonomicznych nierzadko dobie-
ra się aktualnie najłatwiej dostępny materiał (np. składowany w magazynie pod-
ręcznym), a za nieuzasadnione uznaje się procesy wymagające użycia specjalistycz-
nego oprzyrządowania technologicznego, takie jak np. kucie matrycowe lub odle-
wanie kokilowe. Produkcja wielkoseryjna może być natomiast ograniczona przez
zdolności produkcyjne dostawców surowców.

PROJEKTOWANIE INŻYNIERSKIE W RAZIE MODYFIKACJI PRODUKTÓW

Elementy produkowane masowo są wielokrotnie przeprojektowywane, a nawet

znaczne koszty tych zmian są uzasadnione skalą oszczędności wynikających
z wprowadzenia innowacji. Przeprojektowania zwykle dokonuje się w celu obniże-
nia kosztów, zwiększenia niezawodności lub wydłużenia trwałości eksploatacyjnej
produktu. Dobór materiału zamiennego wiąże się przy tym najczęściej ze zmianą
procesu technologicznego i podobnie jak przy projektowaniu nowego produktu wy-
maga również znajomości charakterystyki materiału. Zastąpienie jakiegoś materia-
łu innym lub modyfikacja choćby fragmentu procesu technologicznego w celu
zmiany którejkolwiek konkretnej własności materiału równocześnie wpływa także
na inne jego własności. Na przykład, wprowadzenie ołowiu do stali automatowej
w celu polepszenia skrawalności obniży wytrzymałość zmęczeniową, spawalność
i odkształcalność stali na zimno, a wraz z podniesieniem wytrzymałości drutu
przeciąganego na zimno zwiększy się natomiast jego rezystywność elektryczna.

Przeprojektowanie produktu w celu uzyskania oszczędności i polepszenia jego

własności użytkowych może obejmować także zmiany funkcjonalne prowadzące
do zaprojektowania nawet całkowicie nowego produktu, różniącego się od orygi-
nalnego, lecz także spełniającego wymagania funkcjonalne. Na przykład, złącze
śrubowe można przeprojektować na połączenie spawane, wciskowe lub klejone
w celu obniżenia pracochłonności montażu. Zakres zmian funkcjonalnych w trak-
cie przeprojektowania może być bardzo zróżnicowany, sięgając od drobnych mo-
dyfikacji po kompleksowe przeprojektowanie produktu.

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1315

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1315

ZALEŻNOŚĆ MIĘDZY PROJEKTOWANIEM INŻYNIERSKIM A WYTWARZANIEM

Wytypowany proces technologiczny oraz możliwości wykorzystania niektórych

technologii wpływają na proces projektowania inżynierskiego, decydując o dobo-
rze materiału, jak również o sekwencji operacji technologicznych, a także o wymia-
rach, tolerancjach wymiarowych, połączeniach elementów i innych aspektach. Pro-
ces projektowania wymaga zatem uwzględnienia wielu czynników związanych
z procesem technologicznym poprzez projektowanie ze względu na:

wytwarzanie i montaż,
odlewanie,
obróbkę plastyczną,
metalurgię proszków,
obróbkę ubytkową,
łączenie,
obróbkę cieplną i powierzchniową,
procesy stosowane dla materiałów ceramicznych,
procesy stosowane dla materiałów polimerowych,
wytwarzanie materiałów kompozytowych.
Ze względu na technologiczność produktu, w procesie projektowania powinno

się uwzględniać także kolejne aspekty:

ograniczenie ogólnej liczby elementów produktu,
unifikację i standaryzację elementów,
stosowanie materiałów łatwo obrabialnych,
dostosowanie projektu do procesów wytwarzania,
projektowanie każdego elementu, tak by był łatwy do wykonania,
ograniczanie liczby operacji obróbki ubytkowej i wykończającej.

9.1.3. Zagadnienia jakości wytwarzania i produktów

w projektowaniu inżynierskim

ZNACZENIE JAKOŚCI WYTWARZANIA I PRODUKTU

Integralną część każdego procesu produkcyjnego stanowi zapewnienie jakości,

szczególnie ze względu na katastrofalne konsekwencje wprowadzania na rynek
produktów lub usług wadliwych. Przykłady działań, które zapewniają jedynie

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1316

produktów i ich elementów

Działanie

Czas

Negatywny skutek

Doręczanie poczty

1 h

20000 zagubionych przesyłek

Dostarczanie wody pitnej

1 dzień

przez 15 minut woda niezdatna do picia

Operacje chirurgiczne

1 dzień

700 błędnie przeprowadzonych operacji

Komunikacja lotnicza

1 dzień

2 błędne starty lub lądowania samolotów

Dystrybucja leków

1 dzień

600 mylnie zrealizowanych recept

Energetyka

1 miesiąc

7 godzin przerw w dostawie energii elektrycznej

Tablica 9.3

Przykłady zapewnienia wymaganej jakości tylko w 99% w USA

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1316

99–procentowy poziom jakości, podano w tablicy 9.3. Dzięki znajomości ewentu-
alnych niedomogów systemu zapewnienia jakości i przy wystarczającym zaufaniu
do kontroli jakości projektant ustala niezbędny margines bezpieczeństwa chronią-
cy przed niewykrywalnymi odchyłkami procesu.

Współcześnie klient oczekuje od producenta produktu, a także usługi dobrej ja-

kości, odpowiadającej jego możliwościom finansowym. Celem producenta są zatem:

zdobycie klienta i jego zadowolenie,
zdobycie rynku albo utrzymanie bądź poprawienie swojej pozycji na rynku,
pozytywne wyniki ekonomiczne.
Wymaga to wobec tego wytwarzania i oferowania do sprzedaży produktów,

a także usług spełniających równocześnie następujące wymagania:

wysokiej i powtarzalnej jakości,
nowoczesnych,
dostarczanych na czas,
oferowanych po przystępnej i konkurencyjnej cenie.
W miarę zmiany systemu gospodarczego ze scentralizowanego na wolnoryn-

kowy zmieniają się również możliwości i potrzeby zapewnienia jakości w proce-
sach wytwórczych systemu gospodarczego (tabl. 9.4). Równocześnie i niezależnie
od zmiany systemu gospodarczego stale wzrastają wymagania jakościowe klien-
tów, wymuszające na producentach projakościowe ukierunkowanie ich dążeń

(rys. 9.11). Współcześnie zagadnienie sprowadza się zatem nie do wykrywania
wad produktu, lecz do unikania ich lub całkowitej eliminacji w trakcie procesu wy-
twarzania.

Jakość wytwarzania ma przy tym ścisły związek z jakością życia rozumianą ja-

ko stopień spełnienia wymagań określających poziom materialnego i duchowego
bytu poszczególnych osób i całego społeczeństwa. Stan gospodarki wpływa więc
istotnie na poziom jakości życia (rys. 9.12).

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1317

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

Rodzaj systemu

gospodarczego

Porównywane

cechy

Gospodarka

centralnie

planowana

Okres przejściowy

transformacji

systemu

gospodarczego

Gospodarka rynkowa

i międzynarodowa

integracja

gospodarcza

Dominujący
podmiot na rynku

producent

klient, a w części
także producent

klient

Sprawność
systemu
gospodarczego

w założeniu
przeciwny
stymulacji
jakości

liberalizm
gospodarczy
wymaga wsparcia
przez politykę
gospodarczą

systemy jakości
zgodne z normami
międzynarodowymi

Metody
zapewnienia
jakości

próby zapewnienia
jakości przez oddolne
oddziaływanie
psychologiczne

konieczność
opracowania
i konsekwentnej
realizacji polityki
gospodarczej

indywidualne
dopasowywanie
i stałe usprawnianie
systemów jakości

Tablica 9.4

Zależność metod zapewnienia jakości od transformacji systemu gospodarczego

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1317

Miernikami jakości są kryteria

jakości:

przedmiotowe,
wytwórcze,
użytkowe,
doznaniowe,
ekonomiczne,

które równocześnie mogą być:

mierzalne,
porównywalne,
ocenialne.

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1318

produktów i ich elementów

Rysunek 9.11

Przyczyny wzrostu wymagań jakościowych

Rysunek 9.12

Model zależności przyczynowo–skutkowych
w strukturze gospodarczej społeczeństwa
(opracowano według pomysłu R. Kolmana)

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1318

MODELE ZAPEWNIANIA JAKOŚCI

Zapewnienie jakości jest związane z jednym z trzech modeli, gdy wymagania są

spełnione przez dostawcę:

w trakcie etapów projektowania, produkcji, instalowania i obsługi produktów,
w trakcie produkcji i instalowania produktów,
w czasie badań końcowych produktów lub usług.
Wybór jednego z tych modeli zależy od:
złożoności procesu projektowania inżynierskiego,
dojrzałości projektowania inżynierskiego,
złożoności procesu produkcji,
cech produktu lub usługi,
bezpieczeństwa produktu lub usługi,
ekonomiki.
Każdy element systemu jakości musi być udokumentowany (tabl. 9.5). Układ

działań związany z zapewnieniem jakości jest hierarchiczny (rys. 9.13), złożony z 5
poziomów, z których najważniejszy, strategiczny, związany jest z opracowaniem
księgi jakości.

Zapewnienie jakości procesu wytwarzania wymaga:
określenia i zaplanowania produkcji,
opracowania niezbędnych instrukcji roboczych,
zapewnienia wymaganego stanu środków produkcji,
zapewnienia odpowiednich i w uzasadnionych przypadkach kontrolowanych
warunków produkcji.
Skuteczność zapewnienia jakości procesów wytwarzania zależy od wpływów za-

rządzania, pracownika i klienta (rys. 9.14). Wpływ zarządzania procesem dotyczy
głównie oceny wykonalności procesu, przy uwzględnieniu panowania nad nim
przez wytwórcę. Klient stawia wymagania w celu uzyskania oczekiwanego efektu
analizowanego procesu wytwórczego.

Wymagania dotyczące jakości w procesie wytwarzania schematycznie ujęto na

rysunku 9.15.

Oddziaływanie na jakość, obejmuje cztery podstawowe fazy:
kontrolę,
sterowanie,
dynamiczną poprawę,
wbudowywanie jakości.

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1319

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

Dokument

Zawartość

Obszar zastosowania

Księga
zapewnienia
jakości

zasady oraz struktura organizacyjna i operacyjna firmy, współzależności
wewnętrzne firmy, odpowiedzialność, kompetencje organizacyjne,
poziom wiedzy i umiejętności, współobowiązujące dokumenty
(instrukcje technologiczne i instrukcje robocze, zakres badań kontrolnych)

cała firma

Procedury

szczegółowy opis procesu technologicznego, instrukcje technologiczne
uwzględniające techniczny poziom umiejętności firmy

wewnętrzne jednostki organizacyjne

Instrukcje

szczegółowe uregulowania dotyczące pracy i badań kontrolnych,
uwzględniające techniczny poziom umiejętności firmy

wewnętrzne jednostki organizacyjne
problemowo zorientowane

Tablica 9.5

Dokumentacja systemu
jakości

9 roz 9-11-02 14:12 Page 1319