Wytwarzanie polega na wykonywaniu produktów z surowców materiałowych w różnych procesach, przy użyciu różnych maszyn i w operacjach zorganizowanych zgodnie z dobrze opracowanym planem. Proces wytwarzania polega zatem na właściwym wykorzystaniu zasobów: materiałów, energii, kapitału i ludzi. Współcześnie wytwarzanie jest kompleksowym działaniem, łączącym ludzi, którzy wykonują różne zawody i zajęcia, przy użyciu różnych maszyn, wyposażenia i narzędzi, w różnym stopniu zautomatyzowanym. Celem wytwarzania jest każdorazowo zaspakajanie potrzeb rynkowych klientów, zgodnie z opracowaną strategią przedsiębiorstwa lub organizacji zajmującej się wytwarzaniem

Aspekty techniczne procesu wprowadzania na rynek danego produktu

przez organizację wytwarzającą dotyczą:

- wzornictwa przemysłowego,

- projektowania inżynierskiego,

- przygotowania produkcji,

- wytwarzania,

- obsługi serwisowej .

W procesie wprowadzania produktów na rynek można zatem wyróżnić trzy główne sfery:

- 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 wprowadzenia na rynek.

PROJEKTOWANIE PRODUKTÓW

Pierwsza faza projektowania produktu dotyczy wzornictwa przemysłowego związanego z ogólnym opisem funkcji produktu oraz opracowaniem ogólnej jego koncepcji, obejmującej jedynie formę zewnętrzną, kolor i ewentualnie ogólne założenia co do głównych elementów.Następne fazy obejmują projektowanie inżynierskie i kolejno przygotowanie produkcji.

W projektowaniu inżynierskim można wyróżnić projektowanie systemu wytwarzania

Projektowanie produktu, łączy w sobie trzy równie ważne i nierozdzielne elementy:

-projektowanie konstrukcyjne, którego celem jest opracowywanie kształtu i cech geometrycznych produktów zaspokajających ludzkie potrzeby,

-projektowanie materiałowe w celu zagwarantowania wymaganej trwałości produktu lub jego elementów wytworzonych z materiałów inżynierskich o wymaganych własnościach fizykochemicznych i technologicznych,

-projektowanie technologiczne procesu umożliwiające 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 przy zapewnieniu minimalnych kosztów produkcji.

DOBÓR MATERIAŁÓW W POSZCZEGÓLNYCH STADIACH

PROJEKTOWANIA INŻYNIERSKIEGO

Pierwsze stadium projektowania inżynierskiego polega na opracowaniu 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 procesu technologicznego, dobierając np. obróbkę plastyczną lub odlewanie do wytwarzania elementu ze stopów metali nieżelaznych. Własności materiału należy przy tym określić bardziej precyzyjnie. W stadium szczegółowego projektowania inżynierskiego ostatecznie dobiera się zarówno materiał, jak i proces technologiczny. Dokonuje się wówczas doboru jednego, odpowiedniego materiału oraz najwyżej kilku wariantów procesu technologicznego. 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 uwzględnienia wielu różnorodnych elementów. Główne czynniki sklasyfikowano w trzech grupach:

- funkcjonalne,

- związane z analizą cyklu życia produktu, zarządzaniem jakością i problematyką zrównoważonego rozwoju,

- socjologiczne, ekologiczne i ekonomiczne.

Czynniki decydujące o doborze materiałów inżynierskich do różnych zastosowań. Wielokryterialna optymalizacja jako podstawa poboru materiałów

Mnogość dostępnych obecnie materiałów inżynierskich stwarza konieczność ich poprawnego doboru na elementy konstrukcyjne lub funkcjonalne, narzędzia i ewentualnie inne produkty lub ich elementy. Doboru tego należy dokonywać na podstawie wielokryterialnej optymalizacji, w tym także opierając się na własnościach. Własności użytkowe materiałów inżynierskich tj. własności fizyczne, mechaniczne, cieplne, elektryczne, magnetyczne i optyczne. Własności te są zależne od struktury i składu chemicznego materiału oraz od warunków eksploatacyjnych wytworzonego z niego elementu. Celem nauki o materiałach jest badanie wpływu ich struktury w różnej skali (elektronowa, krystaliczna, mikro i makro) na własności materiałów. Schemat relacji między strukturą, własnościami materiałów inżynierskich oraz warunkami eksploatacyjnymi wytworzonych z nich

DOBÓR MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH W STADIUM PROJEKTOWANIA SZCZEGÓŁOWEGO

Dobór właściwego materiału inżynierskiego wraz z odpowiednim procesem technologicznym ma kluczowe znaczenie zapewniając największą trwałość produktu 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. Możliwe są dwa podejścia do doboru kombinacji materiałów inżynierskich i procesu technologicznego danego elementu. W pierwszej kolejności można dobrać albo materiał inżynierski, co jest częściej preferowane przez inżynierów, albo proces technologiczny.

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

PODSTAWOWE CZYNNIKI DECYDUJĄCE O DOBORZE MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH

Do podstawowych czynników decydujących o doborze materiałów inżynierskich 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 zrównoważonego rozwoju,

- szczególne własności,

- względy estetyczne,

- kryteria ekonomiczne (cena materiału, koszty pozyskania, przetwarzania i eksploatacji),

- kryteria koniunkturalne (moda, preferencje polityczne, prywatne powiązania).

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 polimerowego, 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.

DOBÓR MATERIAŁÓW JAK O PODSTAWOWY CEL NAUKI

O MATERIAŁACH I INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Dotychczas, od początku kreowania się najpierw metaloznawstwa a potem materiałoznawstwa jako dyscypliny inżynierskiej, podstawową metodą nauki o materiałach i inżynierii materiałowej było wprowadzanie nowych materiałów, głównie na podstawie badań empirycznych realizowanych metodą prób i błędów.

Podejście to uległo zmianie w miarę poznawania podstaw procesów decydujących o własnościach i zachowaniu się materiałów w trakcie wytwarzania i eksploatacji i wprowadzono początkowo dobór materiałów, a obecnie projektowanie materiałowe, w celu udostępnienia materiału o najkorzystniejszym zestawie własności użytkowych zapewnianych przez odpowiedni skład chemiczny i proces technologiczny materiału.

Proces wprowadzania nowych materiałów jest związany z doskonaleniem istniejących materiałów albo przez uwzględnianie nowych osiągnięć związanych z opracowywaniem nowych związków, struktury oraz zapewnianiem nowych własności. Podstawową możliwością jest projektowanie nowych materiałów bardzo często z uwzględnieniem małej skali, do nanometrycznej włącznie, optymalizacja ich zastosowań, a także optymalizacja produkcji z uwzględnieniem modelowania własności i procesów.

Materiały są produkowane z surowców pobieranych ze środowiska naturalnego, w celu kreowania rozwoju zapewniającego stworzenie bardziej komfortowych warunków życia. Aktywność ta jest częścią systemu cywilizacyjnego, który stanowi fragment ekosfery tworzonej przez geosystem i biosystem. Tradycyjny rozwój materiałów realizowany był niemal wyłącznie w ramach systemu cywilizacyjnego, z ignorowaniem oddziaływań z ekosferą. W ostatnich latach w projektowaniu, wytwarzaniu i eksploatacji materiałów wprowadzono konieczność współdziałania z pozostałymi wymienionymi systemami, a wraz z nią pojęcie ekomateriałów, uwzględniających holistyczne całościowe podejście do ekosfery.

Zdrowe życie w zgodzie z naturą wymusza konieczność rozwoju nowych technologii związaną z kreatywnością rozwojową, jak i harmoniczną koegzystencją z ekosferą i minimalizację degradacji środowiska naturalnego, jak również optymalizację technologii i infrastruktury. Działania związane z tym podejściem obejmują 3 grupy związane z wytwarzaniem specjalnych materiałów zapewniających ochronę środowiska naturalnego (typ A), materiałów stosowanych w systemach zapewniających zmniejszoną emisyjność zanieczyszczeń (typ B) i materiałów dla strategicznej substytucji (zastępowania) materiałów dotychczas stosowanych, lecz znacząco zagrażających środowisku

i powodujących jego degradację (typ C).

Występowanie materiałów na Ziemi Skład skorupy ziemskiej

Skierujmy teraz uwagę nie na to co zużywamy, ale na to co jest dostępne. Niewiele materiałów inżynierskich syntetyzuje się z substancji pozyskiwanych z oceanów i atmosfery (jak magnez). Prawie wszystkie pochodzą ze skorupy ziemskiej: wydobywane są w kopalniach jako rudy, następnie wzbogacane do poziomu umożliwiającego ich ekstrakcję lub syntezę. W skorupie ziemskiej aż 47% wag. stanowi tlen, a ponieważ atom tlenu jest duży (zajmuje on 96% objętości), geologowie zwykli mówić, że skorupa ziemska to zestalony tlen zanieczyszczony kilkoma procentami innych pierwiastków. Następnymi pod względem ilości są krzem i aluminium; niewątpliwie najobfitszymi materiałami dostępnymi na Ziemi są właśnie krzemiany i glinokrzemiany. Mało jest natomiast metali - z powszechnie używanych pierwiastków występuje w tablicy tylko aluminium i żelazo. W tablicy zamieściliśmy dane aż do węgla, ponieważ stanowi on trzon wszystkich potencjalnych polimerów, w tym i drewna. W oceanach i atmosferze jest podobnie - wszechobecny jest tlen i jego związki - gdziekolwiek nie popatrzymy, otoczeni jesteśmy przez ceramiki lub surowce, z których można je zrobić. Niektóre pierwiastki też występują wszędzie, chodzi głównie o żelazo i aluminium, ale ich koncentracja jest zwykle tak znikoma, że wydobycie staje się nieopłacalne. W istocie, surowce do produkcji polimerów są teraz bardziej dostępne niż rudy większości metali. Olbrzymie pokłady węgla, którego miesięczne wydobycie przekracza roczne pozyskiwanie żelaza, są na razie ... spalane. Drugi składnik większości polimerów, wodór, należy również do najobficiej występujących pierwiastków.

Wykładniczy wzrost i czas podwojenia zużycia

Jak odmierzyć czas możliwości korzystania z zasobów - np. rtęci? Jak dla większości materiałów, przyrost szybkości zużycia rtęci rośnie z czasem wykładniczo. Zużycie stali rośnie o 3,4% rocznie - podwaja się zatem w ciągu około 20 lat. Zużycie aluminium rośnie o 8% - co 9 lat się podwaja. Produkcja polimerów w USA rosła w ostatnich latach o 18% rocznie, więc podwaja się co 4 lata.

Dostępność zasobów

Dostępność zasobów zależy od ich zlokalizowania na terenie jednego lub kilku krajów. Zależy także od ich wielkości, lub precyzyjniej, od bazy surowcowej (wyjaśnienie poniżej) oraz od energii potrzebnej do ich wydobycia i przetworzenia. Wpływ takich czynników, jak wielkość zasobów i energia można, w pewnych granicach, badać i przewidywać. Kalkulacje czasu eksploatacji zawierają ważne rozróżnienie między dostępnymi obecnie zasobami a całością zasobów istniejących w danym regionie. Przez dostępne obecnie zasoby rozumie się znane pokłady, które można z zyskiem eksploatować przy zastosowaniu dzisiejszych

technik i przy aktualnych kosztach wydobycia; mają one niewiele wspólnego z prawdziwą wielkością zasobów; nie są one do siebie nawet w przybliżeniu proporcjonalne. Do całości zasobów zalicza się oczywiście nie tylko zasoby dostępne obecnie, ale również i te, które mogą stać się dostępne w przyszłości, dzięki wyższym cenom zbytu, lepszej technologii czy usprawnieniu transportu.

Przewidywania na przyszłość

Jak mamy sprostać brakom materiałów inżynierskich w przyszłości? Jedna droga jest oczywista: Oszczędne projektowanie

Wiele obecnych konstrukcji zużywa więcej materiałów niż to potrzebne lub stosuje materiały, których jest coraz mniej, choć inne, występujące obficiej, spełniałyby te same funkcje równie dobrze.

Stosowanie zamienników Prawie zawsze użytkownik żąda właściwości, a nie konkretnego materiału. Często Więc możemy zastąpić dotychczas stosowany materiał innym, bardziej dostępnym, choć zwykle towarzyszą temu dodatkowe koszty (nowe metody przetwarzania, nowe sposoby łączenia).

Recykling, czyli ponowne wykorzystanie Nic nowego! Przez tysiąclecia człowiek używał ponownie tych samych kamieni czy drewna do budowy nowego schronienia; od dziesięcioleci przetapia złom metalowy i jest to poważna gałąź przemysłu. Obecnie recykling wymaga przede wszystkim pracy, przy niewielkim zużyciu energii i małych nakładach inwestycyjnych. Koszty energii wciąż rosną, a gotowość do ponoszenia wydatków inwestycyjnych maleje. W projektowaniu należy uwzględniać możliwości ponownego użycia stosowanych materiałów.

---