ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ. Στρατηγική σκέψη: ταίριασμα υλικών και σχεδιασμού

Transcript

1 ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ Στρατηγική σκέψη: ταίριασμα υλικών και σχεδιασμού 1

2 Επιλογή Υλικών και Διεργασιών Οδηγούμενη από το Σχεδιασμό (Design-Led) Ανάγκες της αγοράς (market need) Έκφραση σαν Απαιτήσεις Σχεδιασμού (Design Requirement) Η επιλογή των υλικών και των διεργασιών γίνεται παράλληλα με τη διαδικασία του σχεδιασμού Ανάπτυξη σαν Προδιαγραφές του Προϊόντος (Product Specification) 2

3 Διαδικασία σχεδιασμού Πρωτότυπος σχεδιασμός Ξεκινάει με μία νέα ιδέα και αναπτύσσει τις πληροφορίες που είναι απαραίτητες για την υλοποίηση της Εξελικτικός σχεδιασμός ή ανασχεδιασμός Ξεκινάει από ένα υπάρχον προϊόν και το τροποποιεί με τρόπους οι οποίοι θα βελτιώσουν την απόδοση ή θα μειώσουν το κόστος ή και τα δύο 3

4 ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Περιλαμβάνει μια καινούργια ιδέα ή αρχή λειτουργίας Ένα νέο υλικό μπορεί να οδηγήσει σε ένα νέο προϊόν Πυρίτιο Μαγνήτες Τρανζίστορ Γυαλί Μικροσκοπικό ακουστικό Λέιζερ Οπτική ίνα CD

5 ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Ένα νέο προϊόν μπορεί να οδηγήσει στην απαίτηση για ένα νέο υλικό Διαστημική τεχνολογία Πυρηνική τεχνολογία Κράματα βηρυλλίου και ελαφρά σύνθετα Υπερσυμπιεστές Κράματα ζιρκονίου και ανοξείδωτου χάλυβα Κράματα/Κεραμικά υψηλών θερμοκρασιών

6 ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Αρχικά οι ανάγκες της αγοράς διατυπώνονται σαν δήλωση ανάγκης (need statement) «Χρειαζόμαστε μια συσκευή που να εκτελεί την Χ εργασία» Καταλήγουμε στις πλήρεις Προδιαγραφές του Προϊόντος λεπτομερής σχεδιασμός του καινούργιου σχεδίου

7 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ Υπάρχουν 3 σχεδιαστικά στάδια ανάμεσα στην ανάγκη της αγοράς και την τελική προδιαγραφή του προϊόντος Πληροφορίες για τα υλικά απαιτούνται σε κάθε στάδιο, αλλά σε διαφορετικά επίπεδα εύρους και ακρίβειας

8 Επιλογή Υλικών κατά των Σχεδιασμό ενός Προϊόντος Ανάγκη της Αγοράς Εργαλεία Σχεδιασμού Μοντελοποίηση λειτουργιών Μελέτες εφικτότητας Προσεγγιστική ανάλυση Γεωμετρική μοντελοποίηση Προσομοίωση συμπεριφοράς Μέθοδοι βελτιστοποίησης Μοντελοποίηση κόστους Μοντελοποίηση επιμέρους στοιχείων Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων Σχεδιαστικές Προτάσεις Διερεύνηση Σχεδιαστικών Προτάσεων Λεπτομερής Σχεδιασμός Επιλογή Υλικού Όλα τα υλικά Μερικά υλικά Ένα υλικό Προϊόν

9 Διαδικασία Σχεδιασμού εξαρτήματος ή Προϊόντος Ανάγκη της Αγοράς Ορισμός χαρακτηριστικών Προσδιορισμός λειτουργιών Αναζήτηση λειτουργικών αρχών Αξιολόγηση και επιλογή ιδεών Σχεδιαστικές Προτάσεις Ανάπτυξη μορφής, διαστάσεων, διάταξης Μοντελοποίηση και ανάλυση συναρμολόγησης Βελτιστοποίηση λειτουργιών Αξιολόγηση και επιλογή σχεδίου Διερεύνηση Σχεδιαστικών Προτάσεων Λεπτομερής ανάλυση στοιχείων Επιλογή τεχνικής παραγωγής Βελτιστοποίηση απόδοσης και κόστους Σύνταξη λεπτομερών σχεδίων Λεπτομερής Σχεδιασμός Χαρακτηριστικά Προϊόντος Επανάληψη Διαδικασίας

10 ΑΝΑΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Ξεκινάει από υπάρχον προϊόν. Διορθώνει τα μειονεκτήματά του. Το αναβαθμίζει βελτιώνοντας την λειτουργία του ή μειώνοντας το κόστος του διατηρώντας τις αρχές λειτουργίας του ή τα συστατικά του.

11 ΑΝΑΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Σενάρια/περιπτώσεις που υπαγορεύουν ανασχεδιασμό. Ανάκληση προϊόντος: Μη ικανοποίηση προτύπων ασφαλείας (π.χ. αστοχία υλικού) Κακή τιμή προς απόδοση: Ασφαλής λειτουργία αλλά η απόδοση σε σχέση με την τιμή αγοράς θεωρείται χαμηλή Ανεπαρκές περιθώριο κέρδους: Το κόστος παραγωγής υπερβαίνει την τιμή που μπορεί να αντέξει η αγορά Παραμονή εμπρός από τον ανταγωνισμό: Κυκλοφορία νέων εκδόσεων σε σύντομο χρονικό διάστημα

12 ΑΝΑΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ Βιομηχανικός σχεδιασμός Δημιουργική σκέψη για να τραβηχτεί η προσοχή του καταναλωτή. Η επιλογή ή η αλλαγή υλικών επηρεάζεται κυρίως από την αισθητική. Χρώμα Αίσθηση Δυνατότητα μορφοποίησης ή φινιρίσματος με συγκεκριμένο τρόπο Υφή

13 Ανακεφαλαιώνοντας Ο σχεδιασμός είναι η διαδικασία μετάφρασης μίας νέας ιδέας ή ανάγκης της αγοράς για ένα προϊόν που χρειάζεται λεπτομερή πληροφόρηση για τη διαδικασία που θα ακολουθηθεί προκειμένου να κατασκευασθεί. Τα σχεδιαστικά προβλήματα είναι συνήθως ανοιχτά σε πολλές λύσεις. Κάθε στάδιο αυτής της διαδικασίας συνδέεται με αποφάσεις για τα υλικά και τη διαδικασία μορφοποίησής αυτών. Η συνεχής εμφάνιση νέων υλικών με προηγμένες ιδιότητες διευρύνουν τον αριθμό των επιλογών. Στα αρχικά στάδια του σχεδιασμού όπου όλα είναι «ρευστά» και μη συγκεκριμενοποιημένα και το φάσμα των επιλογών μεγάλο όλα τα υλικά πρέπει να ληφθούν υπ όψιν. Όσο ο σχεδιασμός επικεντρώνεται σε συγκεκριμένο σχήμα η επιλογή των κριτηρίων προς ικανοποίηση θα οδηγήσει σε περιορισμό του εύρους των υλικών που ικανοποιούν αυτά τα κριτήρια.

14 Η επιλογή του υλικού δεν μπορεί να γίνει ξεχωριστά από την επιλογή της διαδικασίας στην οποία το υλικό μορφοποιείται, συναρμολογείται, κλπ. Ο ανταγωνιστικός σχεδιασμός προϋποθέτει την πρωτοποριακή χρήση των νέων υλικών και την έξυπνη εκμετάλλευση των μηχανικών και αισθητικών ιδιοτήτων τους. Ο σχεδιασμός είναι μία επαναλαμβανόμενη διαδικασία. Το αρχικό σημείο είναι η ανάγκη της αγοράς ή μία νέα ιδέα και το τελικό είναι το ίδιο το προϊόν που θα ικανοποιεί την ανάγκη ή θα υλοποιεί την ιδέα. Στο αρχικό στάδιο του σχεδιασμού είναι βασικό να προσδιορίσουμε με ακρίβεια την ανάγκη που θα ικανοποιεί το προϊόν. Δεν θα πρέπει να λαμβάνεται υπ όψιν πως θα κατασκευαστεί το προϊόν ώστε να μην δεσμεύεται ο τρόπος σκέψης για το πως θα υλοποιηθεί η αρχική σύλληψη. Ανάμεσα στα σημεία αρχής και τέλους μεσολαβούν πολλά άλλα στάδια, όπως: σύλληψη και επιλογή μίας ιδέας, υλοποίησής της ιδέας, ο λεπτομερής σχεδιασμός, κλπ. 14

15 Το προϊόν από μόνο του είναι ένα τεχνικό σύστημα που αποτελείται από συστήματα και υποσυστήματα συνδυασμένα και συνδεδεμένα μεταξύ τους, έτσι ώστε να πραγματοποιούν μία συγκεκριμένη εργασία/λειτουργία. Η ανάλυση του προϊόντος σε ενωμένα υποσυστήματα που εκτελούν συγκεκριμένες υπολειτουργίες ονομάζεται δομή λειτουργιών. Ο σχεδιασμός μετατρέπει τις εισροές σε εκροές (π.χ. μία μηχανή μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική). Εισροές Τεχνικό Σύστημα Εκροές Ενέργεια Λειτουργία 2 Λειτουργία 3 Ενέργεια Υλικό Λειτουργία 1 Λειτουργία 6 Υλικό Πληροφορία Λειτουργία 4 Λειτουργία 5 Πληροφορία Υπό-συστήματα

16 Το τελικό προϊόν θα πρέπει να ανταποκρίνεται πλήρως στις σχεδιαστικές του απαιτήσεις και στους περιορισμούς που θα πρέπει να ικανοποιεί Το προϊόν θα πρέπει να κατασκευάζεται με τις πιο οικονομικές μεθόδους για να ελαχιστοποιηθεί το συνολικό κόστος του Η ποιότητα του προϊόντος θα πρέπει να εξασφαλίζεται σε κάθε στάδιο της παραγωγής, από τον σχεδιασμό μέχρι και την συναρμολόγησή του και όχι να βασίζεται στα αποτελέσματα των δοκιμών που θα γίνουν στο τελικό προϊόν Σε ένα ανταγωνιστικό περιβάλλον, οι μέθοδοι παραγωγής θα πρέπει να μπορούν να προσαρμοστούν στις μεταβολές των απαιτήσεων της αγοράς, των τύπων των προϊόντων, του ρυθμού παραγωγής, της παραγόμενης ποσότητας και στην εντός χρόνου παράδοση στον πελάτη Νέες βελτιώσεις στα υλικά, στις μεθόδους παραγωγής και στην ανταλλαγή πληροφοριών με τη χρήση Η/Υ τόσο στις τεχνολογικές όσο και στις διαχειριστικές δραστηριότητες σε έναν κατασκευαστικό οργανισμό θα πρέπει συνεχώς να αξιολογούνται κάτω από το πρίσμα του χρονικού πλαισίου και του οικονομικού σχεδιασμού

17 Οι κατασκευαστικές δραστηριότητες θα πρέπει να αντιμετωπίζονται ως ένα μεγάλο σύστημα όπου κάθε μέρος του οποίου σχετίζεται άμεσα και αμφίδρομα με τα υπόλοιπα. Τέτοια συστήματα θα πρέπει να μοντελοποιούνται με σκοπό να μπορούν να μελετηθούν οι συνέπειες σε τυχόν αλλαγές των αναγκών της αγοράς, στον σχεδιασμό του προϊόντος, στα υλικά κατασκευής, στις παραγωγικές μεθόδους, στην ποιότητα παραγωγής και στο κόστος. Κάθε κατασκευαστικός οργανισμός θα πρέπει συνεχώς να αναζητά μεγαλύτερο όγκο παραγωγής, όπως αυτός προσδιορίζεται από τη βέλτιστη χρήση όλων των εισροών: υλικά, μηχανολογικός εξοπλισμός, ενέργεια, κεφάλαιο, εργαστήριο και τεχνολογία.

18 Η έννοια της κατασκευής: Το παράδειγμα ενός μέσου συγκράτησης φύλων χαρτιού Ο συνδετήρας θα πρέπει να ικανοποιεί το λειτουργικό του χαρακτήρα: να κρατάει τα φύλλα χαρτιού ενωμένα με τέτοια δύναμη ώστε να μην αποχωρίζονται το ένα από το άλλο. Ερωτήματα κατασκευής: Τι είδους υλικό θα χρησιμοποιήσουμε; Θα πρέπει να είναι μεταλλικοί ή όχι (π.χ. από πλαστικό). Αν είναι μεταλλικοί, τι είδους μέταλλο θα χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή του; Ποια θα είναι η διάμετρός του; Πόσο σκληρή ή λεία θα είναι η επιφάνειά του; Ποιο θα είναι το μέγεθος και σχήμα του; Πως θα το διαμορφώσουμε ξεκινώντας από ένα κομμάτι σύρμα; Θα το σχηματίσουμε με το χέρι ή χρησιμοποιώντας κάποιου είδους μηχανή; Αν μας δινόταν μία παραγγελία 100 συνδετήρων αντί 1 εκατομμυρίου θα αντιμετωπίζαμε διαφορετικά το πρόβλημα κατασκευής του; 18

19 Η έννοια της κατασκευής: Το παράδειγμα ενός μέσου συγκράτησης φύλων χαρτιού Η διαδικασία του σχεδιασμού και της ανάπτυξής του θα πρέπει να βασίζεται και σε γνώσεις της αντοχής των υλικών και της μηχανικής των στερεών (που εξετάζουν τις αναπτυσσόμενες τάσεις και την αντοχή του, που σχετίζονται με τον τρόπο κατασκευής και χρήσης του). Για παράδειγμα, το υλικό που θα επιλεγεί θα πρέπει να έχει συγκεκριμένη στιβαρότητα και δυνατότητα άσκησης δύναμης: Αν το υλικό είναι αρκετά δύσκαμπτο, μεγάλη δύναμη θα πρέπει να ασκηθεί για να ανοίξει ο συνδετήρας Αν το υλικό δεν έχει την απαραίτητη δυσκαμψία, δεν θα μπορεί να συγκρατεί τα χαρτιά Αν το υλικό δεν έχει την απαραίτητη ελαστικότητα, θα παραμορφώνεται και δεν θα μπορεί να ξαναχρησιμοποιηθεί Και φυσικά, οι παραπάνω παράγοντες εξαρτώνται από τη διάμετρό και το 19 σχήμα του

20 Η έννοια της κατασκευής: Το παράδειγμα ενός μέσου συγκράτησης φύλων χαρτιού Κατά την παραγωγή του κρίσιμα ερωτήματα θα πρέπει να απαντηθούν, όπως: Το υλικό που θα επιλεχθεί θα αντέξει στο λυγισμό που θα υποστεί κατά την διαδικασία μορφοποίησης του συνδετήρα χωρίς να ραγίσει ή σπάσει; Θα μπορεί το απαιτούμενο μήκος να κοπεί εύκολα από ένα μεγάλο κομμάτι σύρμα, χωρίς να χαλάσει το κοπτικό εργαλείο; Θα μπορεί η διαδικασία κοπής του να οδηγήσει σε μία ομαλή άκρη ή θα μείνει κάποια προεξοχή (αιχμηρή άκρη) που θα αποφέρει μη επιθυμητά αποτελέσματα όπως π.χ. μπορεί διάτρηση του χαρτιού ή τραυματισμό του χρήστη; Μπορεί να επιτευχθεί οικονομικότερος τρόπος παραγωγής του; 20

21 Παράδειγμα: Σχεδιάζοντας ένα Τιρμπουσόν Αγορά σφραγισμένου μπουκαλιού κρασιού Ανάγκη για πρόσβαση στο περιεχόμενο Χρειάζεται μία συσκευή που να τραβάει το φελλό προς τα έξω (ΛΑΘΟΣ) Χρειάζεται μια συσκευή που να επιτρέπει την πρόσβαση στο κρασί (ΣΩΣΤΟ) Εύκολα, με μέτριο κόστος και χωρίς να αλλοιωθεί το κρασί

22 Τρία Σενάρια: Αφαίρεση του φελλού με αξονική τριβή (έλξη) (α) Αφαίρεση του φελλού με διατμητικές τριβές (β) Ώθηση του φελλού από κάτω και αφαίρεσή του (γ)

23 Περιορισμοί/απαιτήσεις σχετιζόμενοι με τα υλικά κατασκευής: Ελαφρύς μοχλός που θα μεταφέρει τη ροπή κάμψης Φθηνή βίδα για τη μεταφορά του ασκούμενου φορτίου στο φελλό Λεπτή και ελαστική λεπίδα που δεν θα λυγίζει μεταξύ φελλού και λαιμού μπουκαλιού Λεπτή, κοίλη βελόνα, μεγάλης αντοχής για να διαπερνά το φελλό.

24 (α) Άμεση έλξη, (β) Έλξη μέσω μοχλού, (γ) Έλξη μέσω γραναζιού, (δ) Έλξη υποβοηθούμενη με ελατήριο Διαστασιολόγηση συστατικών για να μπορούν να δεχτούν φορτία με ασφάλεια, καθορισμός ακρίβειας και επιφανειακού τελειώματος και τελική επιλογή υλικού και τρόπου παραγωγής.

25 Υπάρχοντα προϊόντα στην αγορά:

26 Σχεδιάζοντας με Υλικά Λειτουργία Εξαρτήματος/Προϊόντος Να μεταφέρει φορτία, θερμότητα, να αποθηκεύει ενέργεια, κλπ, με το ελάχιστο βάρος, κόστος, περιβαλλοντική επίπτωση, κλπ. Ιδιότητες Υλικού Εξαρτήματος/Προϊόντος Σχήμα, Μορφή, Διατομή Εξαρτήματος/Προϊόντος Διαδικασία Μορφοποίησης, Κατεργασία Εξαρτήματος/Προϊόντος

27 Υλικά και Στάδια Ανάπτυξης Προϊόντων Επιλογή Υλικού

28 Επιλογή Υλικού ΣΤΟΙΧΕΙΟ A ΠΡΟΪΟΝ ΣΤΟΙΧΕΙΟ B ΣΤΟΙΧΕΙΟ Γ * * *

29 Επιλογή Υλικού Χαρακτηριστικά Εξαρτήματος Λειτουργία Απόδοση Γεωμετρία Συσκευασία Βάρος Αξιοπιστία Κόστος Απαιτήσεις Λειτουργίας Αντοχή Κόπωση Σκληρότητα Φθορά Τριβή Θερμοκρασία Διάβρωση Γήρανση

30 Επιλογή Υλικού Ενσωμάτωση Αρχικών Υποθέσεων σε 3D CAD Γεωμετρικό Μοντέλο που να ικανοποιούν τους περιορισμούς λειτουργίας Επιλογή Υλικών που Ικανοποιούν τις Απαιτήσεις Λειτουργίας του Προϊόντος (Μεθοδολογία Επιλογής Υλικών) Τροποποίηση Σχεδιασμού, επανάληψη διαδικασίας για βελτιστοποίηση Χρήση Εργαλείων Ανάλυσης ( π.χ. FEA ) για τον Έλεγχο των Υποθέσεων

31 Επιλογή Υλικού Υλικό κατασκευής και τρόπος παραγωγής εξετάζονται ταυτόχρονα κατά τον σχεδιασμό ενός στοιχείου Γεωμετρία, Μέσο Συσκευασίας, Κόστος, Τελική Ποιότητα επηρεάζουν τη διαδικασία επιλογής ενός Υλικού Προγραμματισμός παραγωγικής διαδικασίας Εντοπισμός κρίσιμων παραμέτρων παραγωγικής διαδικασίας που καθορίζουν μεταβολές στην απόδοση και τελική ποιότητα Κατασκευή στοιχείων/ εξαρτημάτων και έλεγχος Ρύθμιση των παραμέτρων εκείνων για επίτευξη υψηλής ποιότητας εξαρτήματος/προϊόντος

32 Παράδειγμα: Σχεδιασμός Δομικού Σκελετού Ποδηλάτου Γνωστές εταιρείες ποδηλάτων ακολουθούν σχεδιαστικές φιλοσοφίες ως προς τη χρήση του υλικού κατασκευής και σύνθεσης της τελικής κατασκευής προκειμένου να επιτύχουν ένα πλεονέκτημα στην αγορά. Παράδειγμα: Cannondale: στοιχεία από αλουμίνιο, κατασκευή στοιχείων με το χέρι, ένωση στοιχείων με συγκόλληση Trek: στοιχεία από αλουμίνιο και χάλυβα, ένωση στοιχείων με χρήση κόλλας Πηγή: Internet

33 Παράδειγμα: Σχεδιασμός Δομικού Σκελετού Ποδηλάτου Η εξέταση ενός απλού εξαρτήματος του σκελετού (π.χ. σωλήνας) αποτελεί ένα καλό παράδειγμα των αλληλοσυνδεόμενων παραμέτρων και αποφάσεων κατά τον σχεδιασμό του. Υπάρχουν πολλές μεταβλητές κατά τον σχεδιασμό ενός και μόνο στοιχείου του σκελετού: Υλικό κατασκευής (χάλυβας, αλουμίνιο, τιτάνιο, σύνθετο,..) Εμβαδόν διατομής σωλήνα:??? Μορφή (τετράγωνη, κυκλική, άλλη)??? Κοίλη ή συμπαγής διατομή??? Σταθερή διατομή ή μεταβαλλόμενη Το ερώτημα λοιπόν είναι πως, με τρόπο τεκμηριωμένο, χειρίζεται ο σχεδιαστής του εξαρτήματος τα ερωτήματα, τους προβληματισμούς και την υπάρχουσα πληροφόρηση προκειμένου να πάρει την σωστή απόφαση.

34 Παράδειγμα: Σχεδιασμός Δομικού Σκελετού Ποδηλάτου Διαδικασία Σχεδιασμού Σκελετού 1. Το πρώτο βήμα του σχεδιασμού - ΠΟΛΛΕΣ ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ - Προτιθέμενη χρήση του προϊόντος - Επιθυμητά και κρίσιμα χαρακτηριστικά ποιοτικής απόδοσης του προϊόντος (μικρό βάρος, διάρκεια ζωής, άνεση, χαμηλό κόστος, κλπ) - Πιθανοί τύποι αστοχίας και κακής λειτουργίας - Πώς το ένα εξάρτημα συνδέεται με το υπόλοιπα στο σύνολο της κατασκευής 2. Προσδιορισμός των μεταβλητών του σχεδιασμού 3. Προσδιορισμός των ποιοτικών χαρακτηριστικών του προϊόντος σε μορφή μεταβλητών σχεδιασμού 4. Προσδιορισμός των περιορισμών σε σχέση με τους τύπους αστοχίας και των ποιοτικών χαρακτηριστικών 5. Διατύπωση τρόπου αξιολόγησης ή μέτρησης των «αρετών» του σχεδίου 6. Χρήση μεθοδολογιών για την επιλογή τιμών για τις σχεδιαστικές μεταβλητές (π.χ. δοκιμή και λάθος, προηγούμενη εμπειρία, τύχη, χρήση αριθμητικών μεθόδων για πολλές μεταβλητές και περιορισμούς).

35 Παράδειγμα: Σχεδιασμός Δομικού Σκελετού Ποδηλάτου Ας εξετάσουμε ένα μόνο κυλινδρικό σωλήνα του σκελετού και θεωρήσουμε ότι οι τα πιο σημαντικά (αρχικά επιθυμητά) χαρακτηρίστηκα του είναι: - Μεγάλη ακαμψία στοιχείου - Μικρό βάρος στοιχείου - Πολύ καλή αντοχή στην κρούση - Μεγάλη διάρκεια ζωής Μεταβλητές Σχεδιασμού: - Υλικό κατασκευής - Πάχος τοιχώματος - Εξωτερική διάμετρος - Τρόπος και μέσο σύνδεσης με υπόλοιπα στοιχεία - Τρόπος κατασκευής (οι κυλινδρικοί σωλήνες με μεγαλύτερο πάχος στα άκρα παρουσιάζουν μεγαλύτερη αντοχή στα σημεία σύνδεσης. Αλήθεια πως κατασκευάζονται?) Πηγή: Internet

36 Παράδειγμα: Σχεδιασμός Δομικού Σκελετού Ποδηλάτου Θέματα Χρήσης Υλικών: - Γιατί χρησιμοποιήθηκε αλουμίνιο ως υλικό κατασκευή? - Ποια είναι τα πλεονεκτήματά και τα μειονεκτήματά του? - Ποια άλλα υλικά αποτελούν επίσης καλές επιλογές? Σημαντικές Ιδιότητες των Υλικών προς χρήση: - Βάρος (πυκνότητα) - Ακαμψία (μέτρο ελαστικότητας) - Αντοχή (σε εφελκυσμό και κόπωση) - Αντοχή στην κρούση (σκληρότητα) - Αντοχή στη διάβρωση - Δυνατότητα σύνδεσης - Προοπτική ανακύκλωσης

37 Παράδειγμα: Σχεδιασμός Δομικού Σκελετού Ποδηλάτου Χαρακτηριστικός Πίνακας Ιδιοτήτων Πιθανών Υλικών: HR = Hot Rolled CD=Cold Drawn * Actual properties depend on the amount of reinforcing material Πηγή: Internet

38 Παράδειγμα: Σχεδιασμός Δομικού Σκελετού Ποδηλάτου Διερεύνηση Στατικής Αντοχής: αποτελέσματα από τυπικό εφελκυσμό δοκιμίου χάλυβα Πηγή: Internet

39 Παράδειγμα: Σχεδιασμός Δομικού Σκελετού Ποδηλάτου Διερεύνηση Αντοχής σε Κόπωση: Οι ιδιότητες σε κόπωση εξαρτώνται άμεσα από το είδος του υλικού. Συμπεράσματα διαγράμματος: Ο χάλυβας παρουσιάζει κάποιο όριο δυναμικής αντοχής (όπου για τάσεις πλησίον του ορίου και για απεριόριστο αριθμό κύκλων φόρτισης δεν θα προκύψει αστοχία λόγω κόπωσης) Το αλουμίνιο όμως δεν παρουσιάζει αντίστοιχο όριο με αποτέλεσμα ο σχεδιασμός του να απαιτεί την αύξηση της αντοχή στα φορτία κόπωσης Πηγή: Internet

40 Παράδειγμα: Σχεδιασμός Δομικού Σκελετού Ποδηλάτου Η εταιρεία Cannodale επέλεξε: αλουμίνιο για την κατασκευή του σωλήνα, με εξωτερική διάμετρο 1.75, και σταθερό πάχος ένας καλός συμβιβασμός μετξύ βάρους και ακαμψίας Πηγή: Internet

41 Παράδειγμα: Σχεδιασμός Δομικού Σκελετού Ποδηλάτου Πολλές εταιρείες κατά τον σχεδιασμό με υλικά ακολουθούν πρακτικές αντίστροφης μηχανικής (reverse engineering) προκειμένου: Να διερευνήσουν πως επηρεάζονται σχεδιαστικές παράμετροι και περιορισμοί, που τους ενδιαφέρουν, ή ακόμα και να κατασκευάσουν τα ίδια στοιχεία χωρίς ενδεχομένους να πληρώσουν πιθανά δικαιώματα εκμετάλλευσης Να βελτιώσουν τα δικά τους σχέδια Να τεκμηριώσουν εγγράφως τα δικά τους σχέδια: - Διαστάσεις (μετρολογία) - Ιδιότητες υλικών (καταστροφικές και μη μετρήσεις) - Τεχνικές παραγωγής - Εκτιμήσεις κόστους (υλικά, εργασία, κλπ)

42 Πληροφορίες υλικών και διεργασιών για τον σχεδιασμό Η επιλογή ενός υλικού ξεκινάει με έναν κατάλογο όλων των υλικών, ο οποίος μειώνεται όσο η διαδικασία προχωράει και αποκλείονται τα υλικά που δεν πληρούν τις σχεδιαστικές απαιτήσεις.

43 1 ο στάδιο: Σύλληψη Ο σχεδιαστής χρειάζεται μόνο προσεγγιστικές τιμές ιδιοτήτων, αλλά μεγάλο εύρος υλικών. Όλες οι επιλογές διαθέσιμες Πολυμερές; Μέταλλο; Πώς μπορεί ο σχεδιαστής να έχει πρόσβαση σε όλα τα δεδομένα και τη μεγαλύτερη δυνατή ελευθερία να εξετάσει όλες τις εναλλακτικές.

44 2 ο στάδιο: Ενσάρκωση Ο σχεδιαστής χρειάζεται δεδομένα για ένα υποσύνολο υλικών, αλλά με μεγαλύτερο βαθμό ακρίβειας και λεπτομέρειας. Εξειδικευμένα βιβλία & λογισμικό που χειρίζεται μόνο μία κλάση ή υποκλάση υλικών (π.χ. μέταλλα ή μόνο κράματα αλουμινίου) Παγίδευση σε μία μοναδική γραμμή σκέψης ενώ υπάρχουν άλλες με δυνατότητα καλύτερων λύσεων.

45 3 ο στάδιο: Λεπτομερής Σχεδιασμός Ο σχεδιαστής χρειάζεται ακόμα υψηλότερο επίπεδο ακρίβειας και λεπτομέρειας, αλλά μόνο για ένα ή πολύ λίγα υλικά. Επιλογή προμηθευτή και χρήση των ιδιοτήτων του προϊόντος του για τους υπολογισμούς του σχεδιασμού. Διενέργεια δοκιμών από τον σχεδιαστή με την χρήση δειγμάτων του υλικού.

46 Υλικό Διεργασία Σχήμα Για τη δημιουργία του σχήματος, το υλικό υπόκειται σε διεργασίες, που συνολικά ονομάζονται κατασκευή (manufacture) Η επιλογή της διεργασίας επηρεάζεται από το υλικό μορφοποίηση, κατεργασία, συγκόλληση, θερμική κατεργασία, κλπ. Η επιλογή της διεργασίας επηρεάζεται από τις απαιτήσεις του σχήματος η διεργασία καθορίζει το σχήμα, το μέγεθος, την ακρίβεια, και σε μεγάλο βαθμό το κόστος

47 Υλικό - Διεργασία Σχήμα Ο καθορισμός της διεργασίας περιορίζει τα υλικά και το σχήμα τους Ο καθορισμός του σχήματος περιορίζει την επιλογή υλικού και διεργασίας Αμφίδρομες αλληλεπιδράσεις

48 Όσο πιο πολύπλοκος είναι ο σχεδιασμός, τόσο πιο αυστηροί οι περιορισμοί και τόσο μεγαλύτερες οι αλληλεπιδράσεις Χρειαζόμαστε μια στρατηγική

49 Στρατηγική Επιλογής Αναζήτηση της βέλτιστης ταύτισης μεταξύ των προφίλ των χαρακτηριστικών των υλικών και των διεργασιών και των απαιτήσεων του σχεδιασμού Διαδικασία 4 ων βημάτων Μετάφραση Φιλτράρισμα Κατάταξη Τεκμηρίωση

50 Μετάφραση Μετατροπή των απαιτήσεων του σχεδιασμού σε μια «συνταγή» για την επιλογή ενός υλικού Αυτό επιτυγχάνεται αναγνωρίζοντας τα εξής:

51 Μετάφραση Τα τεχνικά συστατικά έχουν μία ή περισσότερες λειτουργίες π.χ. να παραλάβουν ένα φορτίο, να περιορίσουν μία πίεση στο εσωτερικό τους, να μεταφέρουν θερμότητα. Υπάρχουν περιορισμοί π.χ. οι διαστάσεις είναι συγκεκριμένες, το συστατικό πρέπει να αντέχει χωρίς να αστοχήσει, η ανάγκη μόνωσης ή αγωγής της θερμότητας ή ηλεκτρισμού, λειτουργία σε συγκεκριμένο θερμοκρασιακό εύρος και περιβάλλον.

52 Μετάφραση Πρέπει να μπορούμε να αναγνωρίσουμε τις ιδιότητες των υλικών που είναι σημαντικές για το προϊόν στις απαιτήσεις που έχουμε θέσει Απαίτηση Ιδιότητα υλικού Πρέπει να άγει το ηλεκτρικό ρεύμα Πρέπει να υποστηρίζει φορτία χωρίς να σπάει Δεν πρέπει να είναι πολύ ακριβό Ηλεκτρική αγωγιμότητα Αντοχή Κόστος/κιλό

53 Μετάφραση Ο σχεδιαστής έχει έναν ή περισσότερους αντικειμενικούς στόχους π.χ. να κάνει το συστατικό φθηνό, ελαφρύ, ασφαλές. Βελτιστοποίηση αντικειμενικού στόχου: ο σχεδιαστής έχει την ελευθερία να μεταβάλει τις διαστάσεις οι οποίες δεν περιορίζονται από τις απαιτήσεις του σχεδιασμού & να επιλέξει υλικό για το συστατικό και διεργασία για να του δώσει σχήμα. Ελεύθερες μεταβλητές 53

54 Περιορισμοί Αντικειμενικοί Στόχοι Περιορισμός Μια απαραίτητη συνθήκη που πρέπει να ικανοποιείται και συνήθως εκφράζεται σαν όριο στο υλικό ή στη διεργασία Αντικειμενικός Στόχος Μια ποσότητα για την οποία αναζητείται μια ακραία τιμή (κόστους, μάζας, όγκου κλπ) 54

55 Ελαφρύ ποδήλατο ταχύτητας Αντικειμενικός στόχος: ελαχιστοποίηση μάζας Περιορισμός: άνω όριο κόστους Φθηνό ποδήλατο ευρείας κατανάλωσης Αντικειμενικός στόχος: ελαχιστοποίηση κόστους Περιορισμός: άνω όριο στη μάζα

56 Φιλτράρισμα Αποκλείει τα υποψήφια υλικά ή διεργασίες που δεν μπορούν να φέρουν σε πέρας την εργασία επειδή ένα ή περισσότερα χαρακτηριστικά τους είναι εκτός των ορίων που επιβάλλουν οι περιορισμοί. Παραδείγματα Το εξάρτημα πρέπει να λειτουργεί σε βραστό νερό (συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασιακής λειτουργίας) Το εξάρτημα πρέπει να είναι διαφανές (συγκεκριμένο εύρος οπτικής διαφανές)

57 57

58 Κατάταξη Κατατάσσουμε τα υλικά τα οποία περνούν από το φιλτράρισμα με βάση τους: Δείκτες Υλικών: Η ιδιότητα ή η ομάδα ιδιοτήτων που μεγιστοποιεί την απόδοση για ένα συγκεκριμένο σχεδιασμό Μετρούν πόσο καλά ένα υλικό το οποίο έχει περάσει το φιλτράρισμα, μπορεί να φέρει σε πέρας το έργο που του ζητείται.

59 Τεκμηρίωση Ταξινομημένη, μικρή λίστα επιτυχημένων υποψηφίων υλικών Αναζήτηση αναλυτικού προφίλ κάθε υποψηφίου Τεκμηρίωση με την μορφή π.χ. μελετών περιπτώσεων προηγουμένων χρήσεων, λεπτομέρειες συμπεριφοράς, διαθεσιμότητα, τιμή, περιβαλλοντικές επιπτώσεις κλπ. Διαθέσιμες πληροφορίες: βιβλία, CD, φύλλα δεδομένων, προμηθευτές, ιστότοπος Περαιτέρω περιορισμός της μικρής λίστας υποψηφίων

60 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1: Μοχλός τιρμπουσόν Το σχήμα δείχνει το μοχλό ενός από τα τιρμπουσόν της μελέτης περίπτωσης σχεδιασμού. Κατά τη χρήση του φορτίζεται σε κάμψη. Πρέπει να μεταφέρει τη ροπή κάμψης χωρίς να εκτραπεί σε κάποια άβολη γωνία, δεν πρέπει να φτάσει σε διαρροή, και πρέπει να έχει αρκετή αντοχή ώστε να μην αστοχεί εξαιτίας της λανθασμένης χρήσης του. Τέλος δεν πρέπει να υφίσταται διάβρωση σε κρασί ή νερό. Ο μήκος του μοχλού είναι καθορισμένο αλλά όχι και η διατομή του είμαστε ελεύθεροι να επιλέξουμε μια διατομή επαρκή για να παραλάβει τα φορτία της χρήσης. Με αυτά τα δεδομένα, ο μοχλός πρέπει να είναι όσο πιο φθηνός γίνεται. Αναπτύξτε το στάδιο της μετάφρασης.

61 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1 Απάντηση: Οι περιοριστικές για το σχεδιασμό ιδιότητες είναι αυτές που έχουν σχέση με τους περιορισμούς: το μέτρο ελαστικότητας Ε, η αντοχή σ y, η αντοχή σε θραύση Κ 1C, και η αντίσταση σε διάβρωση

62 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2: Ανασχεδιασμός θήκης CD Οι θήκες μέσα στις οποίες πωλούνται τα CD λέγεται ότι είναι έργο του διαβόλου. Για λόγους καθαρότητας ονομάζονται κοσμηματοθήκες, αλλά η απόδοσή τους απέχει πολύ από αυτή των κοσμημάτων. Συνήθως είναι κατασκευασμένες από πολυστυρένιο (PS), το οποίο επιλέγεται για το χαμηλό του κόστος και τη διαφάνειά του, η οποία προσεγγίζει αυτή του καθαρού νερού, και κατασκευάζονται με τη μέθοδο της χύτευσης με έγχυση (injection molding) επειδή και η μέθοδος αυτή είναι φθηνή όταν κατασκευάζονται εκατομμύρια κομμάτια. Το πολυστυρένιο είναι ανακυκλώσιμο, τουλάχιστον στη θεωρία. Όμως οι θήκες από πολυστυρένιο ραγίζουν εύκολα, σφηνώνουν και δεν ανοίγουν, οι αρθρώσεις τους σπάζουν, και οι γωνίες τους είναι αρκετά απότομες και αιχμηρές ώστε να μπορούν να προξενήσουν ανεπανόρθωτη βλάβη σ ένα CD. Αποφασίστε ποια είναι τα γνωρίσματα που πραγματικά έχουν σημασία, και διατυπώστε τους περιορισμούς, τον αντικειμενικό στόχο, και τις ελεύθερες μεταβλητές που είναι απαραίτητα για τον ανασχεδιασμό μιας θήκης CD.

63 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2 Απάντηση: Οι πιθανές περιοριστικές για το σχεδιασμό ιδιότητες είναι η οπτική διαφάνεια, η αντοχή σε θραύση Κ 1C (πρέπει να είναι υψηλότερη από του πολυστυρενίου), και η δυνατότητα χύτευσης με έγχυση και ανακύκλωσης 63

64 Παράδειγμα: Πόδια τραπεζιού Θέλουμε να ανασχεδιάσουμε το τραπέζι με λεπτά κυλινδρικά πόδια Θέλουμε να μειώσουμε όσο γίνεται τη διατομή και τη μάζα αλλά χωρίς να λυγίζουν Η σκληρότητα και το κόστος δεν παίζουν ρόλο 64

65 Πόδια τραπεζιού: Ορισμός του προβλήματος Λειτουργία: Να αντέχει θλιπτικά φορτία Περιορισμοί: Συγκεκριμένο μήκος Δεν πρέπει να λυγίζουν Δεν πρέπει να σπάνε Στόχοι: Ελαχιστοποίηση μάζας Μεγιστοποίηση λεπτότητας Ελεύθερες Μεταβλητές: Διατομή ποδιού Υλικό 65

66 Παράδειγμα: Ψύκτρες για μικροεπεξεργαστή 66

67 Φιλτράρισμα με το λογισμικό Edupack 67

68 Φιλτράρισμα με το λογισμικό Edupack 68