ΣΧΕ ΙΑΖΟΝΤΑΣ ΜΕ ΥΛΙΚΑ 1 Εισαγωγή Η έννοια της κατασκευής: Στην σύγχρονη εποχή, κατασκευή ονοµάζεται κάθε διαδικασία παραγωγής προϊόντων από απλά υλικά ακολουθώντας ένα συγκεκριµένο σχέδιο για κάθε µία από τις δραστηριότητες που απαιτούνται. Η έννοια του προϊόντος ορίζεται από το αποτέλεσµα της διαδικασίας και οι λέξεις «προϊόν» και «παραγωγή» πρωτοεµφανίστηκαν κάποια στιγµή σταµέσατου 15ουαιώνα. Η κατασκευή είναι η βάση κάθε βιοµηχανοποιηµένου κράτους. Το επίπεδο της κατασκευαστικής δραστηριότητας σχετίζεται άµεσα µε την οικονοµική ευηµερία κάθε κράτους. 2 1
Εισαγωγή Οι κατασκευαστικές δραστηριότητες θα πρέπει να ανταποκρίνονται σε πολυάριθµες απαιτήσεις: Ένα 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 3 Εισαγωγή 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 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. 4 2
Εισαγωγή 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; Θαπρέπειναείναιµεταλλικοίήόχι (π.χ. απόπλαστικό). Ανείναιµεταλλικοί, τι είδους µέταλλο θα χρησιµοποιηθεί για την κατασκευή του; Ποιαθαείναιηδιάµετρόςτου;Πόσοσκληρήήλείαθαείναιηεπιφάνειάτου; 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; 5 Εισαγωγή 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 σχήµα του 6 3
Εισαγωγή Η έννοια της κατασκευής: Το παράδειγµα ενός µέσου συγκράτησης φύλων χαρτιού Κατά την παραγωγή του κρίσιµα ερωτήµατα θα πρέπει να απαντηθούν, όπως: Τουλικόπουθαεπιλεχθείθααντέξειστολυγισµόπουθαυποστείκατάτην 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; 7 Βιοµηχανικά Υλικά Η εποχή µας χαρακτηρίζεται από συνεχείς τεχνολογικές εξελίξεις στην περιοχή των υλικών. Νέα υλικά εισάγονται καθηµερινά στην αγορά. Ενώπριναπό 40 χρόνιαοµηχανικόςείχεστηδιάθεσήτουµόνοταµεταλλικά υλικά, σήµερα έρχεται σε επαφή µε πολυµερή και πλαστικά, ελσατικά, κεραµικά, σύνθετα υλικά. λεπτές επικαλύψεις διαµαντιού, οπτοηλεκτρονικά υλικά, βιοσυµβατά υλικά, κλπ. Υπολογίζεται ότι ο αριθµός των διαθέσιµων υλικών σήµερα ανέρχεται σε 40 80.000. Ηεξέλιξητωνυλικών [1] 8 4
Σχεδιάζοντας µε Υλικά 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. 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. 9 Σχεδιάζοντας µε Υλικά Ο σχεδιασµός είναι µία επαναλαµβανόµενη διαδικασία. Τοαρχικόσηµείοείναιηανάγκητηςαγοράςήµίανέαιδέακαιτοτελικόείναιτοίδιοτο προϊόνπουθαικανοποιείτηνανάγκηήθαυλοποιείτηνιδέα. Στο αρχικό στάδιο του σχεδιασµού είναι βασικό να προσδιορίσουµε µε ακρίβεια την ανάγκη που θα ικανοποιεί το προϊόν. εν 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. 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). 10 5
Σχεδιάζοντας µε Υλικά Εισροές Τεχνικό Σύστηµα Εκροές Ενέργεια Λειτουργία 2 Λειτουργία 3 Ενέργεια Υλικό Λειτουργία 1 Λειτουργία 6 Υλικό Πληροφορία Λειτουργία 4 Λειτουργία 5 Πληροφορία Υπό-συστήµατα 11 Παράδειγµα: Σχεδιάζοντας ένα Τιρµπουσόν «Αφαιρέστε το φελλό από τον αµφορέα»: τραγουδούσε ο Οράτιος (27 π.χ.) για να γιορτάσει τον θαυµατουργό τρόπο που διέφυγε τον κίνδυνο να σκοτωθεί από ένα δένδρο που έπεσε. Ανάγκη Σχεδιασµού και Ανάπτυξης του προϊόντος: ο χρήστης να έχει πρόσβαση στο περιεχόµενο Το προϊόν που θα αναπτυχθεί θα πρέπει να ικανοποιεί την: α) ήλωση Ανάγκης από Χρήστη: «µία συσκευή που να τραβάει το φελλό προς τα έξω» (λάθος δήλωση καθώς προδιαγράφει τον τρόπο λειτουργίας του προϊόντος). β) Πραγµατική Ανάγκη του Χρήστη: «µία συσκευή που να µας επιτρέπει την πρόσβαση στο περιεχόµενο, το οποίο περιέχεται σε ένα µπουκάλι σφραγισµένο µε φελλό) (σωστή δήλωση καθώς επιτρέπει την εξέταση πολλών λύσεων). Και θα µπορούσαµε να προσθέσουµε: «µε άνεση, σε λογικό κόστος και χωρίς να µολύνουµε το κρασί». 12 6
Παράδειγµα: Σχεδιάζοντας ένα Τιρµπουσόν Ανάγκη Αγοράς: Προτάσεις (ιδέες) λειτουργίας προϊόντος: (Πηγή [1]) 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, κοίληβελόνα, µεγάληςαντοχήςγιαναδιαπερνάτοφελλό. 13 Παράδειγµα: Σχεδιάζοντας ένα Τιρµπουσόν «Αρχές λειτουργίας» προτάσεων: Σχεδιαστική απεικόνιση λειτουργικών προτάσεων: (Πηγή [1]) 14 7
Παράδειγµα: Σχεδιάζοντας ένα Τιρµπουσόν Ανάλυση λειτουργιών προϊόντος: ηµιουργία δύναµης Μεταφορά δύναµης Εφαρµογή δύναµης σε φελλό άµεση έλξη µε άξονα βίδωµα έλξη µοχλού έλξη κοχλία µε µέσο σύνδεσης λεπίδες διάτµησης άµεση προώθηση προώθηση µοχλού µε έκχυση αερίου πίεση αερίου 15 Παράδειγµα: Σχεδιάζοντας ένα Τιρµπουσόν Υπάρχοντα προϊόντα στην αγορά: 16 8
Σχεδιάζοντας µε Υλικά Λειτουργία Εξαρτήµατος/Προϊόντος Ναµεταφέρειφορτία, θερµότητα, να αποθηκεύει ενέργεια, κλπ, µε το ελάχιστοβάρος, κόστος, περιβαλλοντική επίπτωση, κλπ. Ιδιότητες Υλικού Εξαρτήµατος/Προϊόντος Σχήµα, Μορφή, ιατοµή Εξαρτήµατος/Προϊόντος ιαδικασία Μορφοποίησης, Κατεργασία Εξαρτήµατος/Προϊόντος 17 Σχεδιάζοντας µε Υλικά 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 ιερεύνηση Σχεδιαστικών Προτάσεων Λεπτοµερής Σχεδιασµός Επιλογή Υλικού Όλα τα υλικά Μερικά υλικά Ένα υλικό Προϊόν 18 9
Σχεδιάζοντας µε Υλικά ιαδικασία Σχεδιασµού εξαρτήµατος ή Προϊόντος Ανάγκη της Αγοράς Ορισµός χαρακτηριστικών Προσδιορισµός λειτουργιών Αναζήτηση λειτουργικών αρχών Αξιολόγηση και επιλογή ιδεών Σχεδιαστικές Προτάσεις Ανάπτυξηµορφής, διαστάσεων, διάταξης Μοντελοποίηση και ανάλυση συναρµολόγησης Βελτιστοποίηση λειτουργιών Αξιολόγηση και επιλογή σχεδίου ιερεύνηση Σχεδιαστικών Προτάσεων Λεπτοµερής ανάλυση στοιχείων Επιλογή τεχνικής παραγωγής Βελτιστοποίηση απόδοσης και κόστους Σύνταξη λεπτοµερών σχεδίων Λεπτοµερής Σχεδιασµός Χαρακτηριστικά Προϊόντος Επανάληψη ιαδικασίας 19 Υλικά και Στάδια Ανάπτυξης Προϊόντων Επιλογή Υλικών / Ανάλυση Μορφοποίηση Υλικών & οκιµή 20 10
Υλικά και Στάδια Ανάπτυξης Προϊόντων Επιλογή Υλικού 21 Επιλογή Υλικού ΠΡΟΪΟΝ ΣΤΟΙΧΕΙΟ A ΣΤΟΙΧΕΙΟ B ΣΤΟΙΧΕΙΟ Γ * * * 22 11
Επιλογή Υλικού Χαρακτηριστικά Εξαρτήµατος Λειτουργία Απόδοση Γεωµετρία Συσκευασία Βάρος Αξιοπιστία Κόστος Απαιτήσεις Λειτουργίας Αντοχή Κόπωση Σκληρότητα Φθορά Τριβή Θερµοκρασία ιάβρωση Γήρανση 23 Επιλογή Υλικού Ενσωµάτωση Αρχικών Υποθέσεων σε 3 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 24 12
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 Κατασκευήστοιχείων/ εξαρτηµάτων και έλεγχος Ρύθµιση των παραµέτρων εκείνων για επίτευξη υψηλής ποιότητας εξαρτήµατος/προϊόντος 25 Παράδειγµα: Σχεδιασµός οµικού 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 26 13
Παράδειγµα: Σχεδιασµός οµικού 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 υπάρχουσαπληροφόρησηπροκειµένουναπάρειτηνσωστήαπόφαση. 27 Παράδειγµα: Σχεδιασµός οµικού Σκελετού Ποδηλάτου ιαδικασία 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 - Πώςτοέναεξάρτηµασυνδέεταιµετουπόλοιπαστοσύνολοτης 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. ιατύπωση 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). 28 14
Παράδειγµα: Σχεδιασµός οµικού 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 29 Παράδειγµα: Σχεδιασµός οµικού 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 - υνατότητα σύνδεσης - Προοπτική ανακύκλωσης 30 15
Παράδειγµα: Σχεδιασµός οµικού Σκελετού Ποδηλάτου Χαρακτηριστικός Πίνακας Ιδιοτήτων Πιθανών Υλικών: HR = Hot Rolled CD=Cold Drawn * Actual properties depend on the amount of reinforcing material Πηγή: Internet 31 Παράδειγµα: Σχεδιασµός οµικού Σκελετού Ποδηλάτου ιερεύνηση Στατικής Αντοχής: αποτελέσµατα από τυπικό εφελκυσµό δοκιµίου χάλυβα Πηγή: Internet 32 16
Παράδειγµα: Σχεδιασµός οµικού Σκελετού Ποδηλάτου ιερεύνηση Αντοχής σε Κόπωση: Οι ιδιότητες σε κόπωση εξαρτώνται άµεσααπότοείδοςτουυλικού. 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 33 Παράδειγµα: Σχεδιασµός οµικού Σκελετού Ποδηλάτου Η εταιρεία Cannodale επέλεξε: αλουµίνιο για την κατασκευή του σωλήνα, µε εξωτερική διάµετρο 1.75, και 0.085 σταθερό πάχος ένας καλός συµβιβασµός µετξύ βάρους και ακαµψίας Πηγή: Internet 34 17
Παράδειγµα: Σχεδιασµός οµικού 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: - ιαστάσεις (µετρολογία) - Ιδιότητες υλικών (καταστροφικές και µη µετρήσεις) - Τεχνικές παραγωγής - Εκτιµήσεις κόστους (υλικά, εργασία, κλπ) 35 Οικονοµικές και Περιβαλλοντικές Θεωρήσεις Ο σχεδιασµός ενός εξαρτήµατος/προϊόντος είναι µία διαδικασία συνεχών κύκλων, η οποία εµπεριέχει πολλούς συµβιβασµούς (τεχνολογικούς, οικονοµικούς, περιβαλλοντικούς, κλπ.) και ισορροπίες αλληλοσυγκρουόµενων παραγόντων. Τα υλικά παίζουν έναν πολύ σηµαντικό ρόλο στο σχήµα: τεχνολογία οικονοµία περιβάλλον. Οικονοµικές Θεωρήσεις Υπάρχουν τρεις παράγοντες στους οποίους ένας µηχανικός των υλικών έχει έλεγχο και οι οποίες επηρεάζουν το κόστος ενός προϊόντος. Αυτοί είναι: 1. Ο σχεδιασµός του εξαρτήµατος(ων) 2. Το(α) υλικό(α) που θα χρησιµοποιηθεί(ουν) 3. Οι τεχνικές παραγωγής που θα χρησιµοποιηθούν Αυτοί οι παράγοντες είναι αλληλοεξαρτώµενοι καθώς ο σχεδιασµός θα επηρεάσει την επιλογή του υλικού που θα χρησιµοποιηθεί, και τα δύο µαζί θα επηρεάσουν την επιλογή της τεχνικής παραγωγής. 36 18
Οικονοµικές και Περιβαλλοντικές Θεωρήσεις Παράγοντες Σχεδιασµός Εξαρτήµατος Με τον όρο Σχεδιασµός εννοούµε: τον ορισµό του µεγέθους, σχήµατος και σύνθεσης των επιµέρους τµηµάτων, τα οποία θα επηρεάσουν την τελική απόδοση και αποτελεσµατική λειτουργία ενός πλήρους συστήµατος κατά τη διάρκεια λειτουργίας του. Ένα µέρος του κόστους ανάπτυξης ενός εξαρτήµατος/προϊόντος αφορά τον σχεδιασµό του. Το κόστος αυτό αφορά: τους λεπτοµερείς σχεδιασµούς του εξαρτήµατος που θα πρέπει να παραχθούν, τη χρήση υπολογιστικών συστηµάτων/ προγραµµάτων για µελέτες σχεδιασµού και προσοµοίωσης, την εργαστηριακή διερεύνηση κρίσιµων παραµέτρων. Παράγοντες Υλικών Επιλογή υλικών µικρότερου κόστους Η τιµή ενός υλικού συνήθως αναφέρεται ανά µονάδα µάζας του Η ποσότητα του υλικού που απαιτείται προσδιορίζεται από τις διαστάσεις και τη γεωµετρία του και συνήθως µετατρέπεται σε µάζα χρησιµοποιώντας την πυκνότητα του υλικού Αναπόφευκτη φύρα του υλικού, η οποία θα πρέπει να ληφθεί υπόψη στους υπολογισµούς 37 Οικονοµικές και Περιβαλλοντικές Θεωρήσεις Παράγοντες Τεχνικών Μορφοποίησης/Παραγωγής Η επιλογή της διαδικασίας παραγωγής επηρεάζεται από το επιλεγέν υλικό και τα χαρακτηριστικά του σχεδιασµού του. Το κόστος παραγωγής αφορά τόσο τις πρωτογενείς όσο και τις δευτερογενείς λειτουργίες της διαδικασίας µορφοποίησης. Πρωτογενείς λειτουργίες: είναι εκείνες που µετατρέπουν την πρώτη ύλη σε αναγνωρίσιµο εξάρτηµα (καλούπωση, µορφοποίηση µε χύτευση, κλπ). ευτερογενείς λειτουργίες: είναι εκείνες που χρησιµοποιούνται εκ των υστέρων για να αποδώσουν το τελικό κοµµάτι (θερµική επεξεργασία, συγκόλληση, λείανση, βαφή, διακόσµηση, κλπ). Οι σηµαντικές θεωρήσεις κόστους για αυτές τις διαδικασίες είναι: το κόστος του εξοπλισµού, τα εργαλεία, τα εργατικά, οι επισκευές, η συναρµολόγηση και χρήση των µηχανών, ο ρυθµός παραγωγής και τέλος το κόστος που σχετίζεται µε την επιθεώρηση και επιστέγαση του τελικού προϊόντος. 38 19
Οικονοµικές και Περιβαλλοντικές Θεωρήσεις Η ανάλυση κόστους ξεκινά µε την επιλογή της γεωµετρίας, τον προσδιορισµό των απαιτήσεων λειτουργίας/απόδοσης, και την εξέταση της διαδικασίας µορφοποίησης Η ανάλυση κόστους θα πρέπει να γίνεται, έστω και προσεγγιστικά, όσο το δυνατόν νωρίτερα Σύγκριση κόστους χρήσης διαφορετικών υλικών και διαδικασιών µορφοποίησης Περιλαµβάνει: Υλικά Μορφοποίηση Υλικών (συµπεριλαµβανοµένων εργαλείων και εγκαταστάσεων) Περαιτέρω στάδια επεξεργασίας (π.χ. λείανσης) Μεταφοράς Συναρµολόγησης Επίδραση στην εγγύηση 39 Οικονοµικές και Περιβαλλοντικές Θεωρήσεις Σύστηµα Ανάλυσης Κόστους Κύκλος Ζωής Λειτουργία Προϊόντος Τελικό Προϊόν Συναρµολόγηση Εξάρτηµα Παραγωγή Υλικού 40 20
Οικονοµικές και Περιβαλλοντικές Θεωρήσεις Σηµαντικός παράγοντας αποτελεί και η «αξία» ενός νέου ή προηγµένου υλικού σε προϊόν όπως αυτήν την αντιλαµβάνεται ο πελάτης/χρήστης. Το ερώτηµα λοιπόν είναι: η χρήση ενός νέου υλικού θα συµβάλει στην αύξηση της ικανοποίησης του πελάτη, αυξάνοντας πωλήσεις και κέρδη? Η χρήση διαφορετικών ή νέων υλικών δεν οδηγεί πάντα σε αύξηση της αξίας όπως την αντιλαµβάνεται ο χρήστης Νέα Τεχνολογία Τιτάνιο για µπαστούνι του Γκολφ Αλουµίνιο στο αυτοκίνητο Γραφίτης σε ρακέτα του τένις Οπτικές ίνες στις τηλεπικοινωνίες Κασέτα εγγραφής χρωµίου Αντιλαµβανόµενη Αξία Μεγάλη Χαµηλή Μεγάλη Χαµηλή Χαµηλή 41 Οικονοµικές και Περιβαλλοντικές Θεωρήσεις Περιβαλλοντικές Θεωρήσεις Ένα υλικό το οποίο χρησιµοποιείται σε κάποιο προϊόν και µετά απορρίπτεται περνάει µέσα από πολλά στάδια/φάσεις: 42 21
Οικονοµικές και Περιβαλλοντικές Θεωρήσεις Περιβαλλοντικές Θεωρήσεις Τα στάδια του σχήµατος αναφέρονται ως «συνολικός κύκλος ζωής» και αντιπροσωπεύει τον κύκλο ζωής του από την «γέννησή έως την ταφή» του υλικού. Έχει υπολογισθεί ότι παγκοσµίως 15 περίπου δισεκατοµµύρια τόνοι πρώτων υλώνεξάγονταιαπότηγήκάθεχρόνο. Μετηναύξησητουπληθυσµούτηςγηςκαιτηςανάγκηςγιαπρώτεςύλεςσε τελικά προϊόντα µεγαλύτερη προσοχή θα πρέπει να δοθεί στην πιο αποτελεσµατική χρήση αυτών των πόρων. Έχει υπολογισθεί ότι στις Η.Π.Α. το ήµισυ της ενέργειας που καταναλώνεται από τις βιοµηχανίες παραγωγής πηγαίνει στη δηµιουργία και κατασκευή υλικών. Οι αλληλοεπιδράσεις και οι αντίκτυποι στο φυσικό περιβάλλον σε όλα τα στάδια του κύκλου ζωής των υλικών. Η κατάσταση της ατµόσφαιρας, του νερού και του εδάφους εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από το πόσο αποτελεσµατικά διανύουµε αυτόν τον κύκλο ζωήςτωνυλικών. 43 Οικονοµικές και Περιβαλλοντικές Θεωρήσεις Οικολογική ζηµιά και µόλυνση του περιβάλλοντος λαµβάνει χώρα κατά τη φάση εξαγωγής των πρώτων υλών. Μολυσµατικές ουσίες αποθέτονται στη ατµόσφαιρα και στο νερό κατά τη διάρκεια των σταδίων σύνθεσης και µορφοποίησης. Σε πολλές χώρες τα ζητήµατα προστασίας περιβάλλοντος αντιµετωπίζονται µε την εγκαθίδρυση συγκεκριµένων προτύπων τα οποία επιτηρούνται από κυβερνητικές ρυθµιστές υπηρεσίες. Το τελικό προϊόν, εξάρτηµα η συσκευή θα πρέπει να σχεδιασθεί κατά τρόπο που ο αντίκτυπος, καθ όλη τη διάρκεια ζωής του, στο περιβάλλον να ελαχιστοποιείται. Η προσέγγιση αυτή, πολλές φορές σήµερα, ονοµάζεται «πράσινος σχεδιασµός (green design)». Οι σύγχρονες βιοµηχανίες προκειµένου να βελτιώσουν τη περιβαλλοντική απόδοση των προϊόντων τους εφαρµόζουν την «ανάλυση/εκτίµηση του κύκλου ζωής (Life Cycle Analysis). Μέσω της ανάλυσης αυτής, όσον αφορά τον σχεδιασµό του προϊόντος, δίνεται προσοχή στην περιβαλλοντική εκτίµηση του προϊόντος σε όλα τα στάδια της ζωής του (εξαγωγή υλικού, παραγωγή προϊόντος, χρήση προϊόντος, ανακύκλωση και αποµάκρυνση). 44 22
Οικονοµικές και Περιβαλλοντικές Θεωρήσεις Σχηµατική αναπαράσταση της απογραφής εισόδου/εξόδου για τον κύκλο ζωής ενόςπροϊόντος. ΕΙΣΟ ΟΙ Ενέργεια Πρώτες Ύλες Παραγωγή Υλικών Κατασκευή Προϊόντων Χρήση Προϊόντων ιάθεση Προϊόντων ΕΞΟ ΟΙ Προϊόντα προς χρήση Εκροή υγρών Αέριες εκποµπές Στερεά απόβλητα Αντίκτυποι σε άλλους τοµείς 45 Βιβλιογραφία Ενότητας 1. Ashby, M.F. Materials Selection in Mechanical Design, Butterworth Heinemann, Oxford, 1999. 2. Callister W.D. ΕπιστήµηκαιΤεχνολογίαΥλικών (µεταφρασµένοσταελληνικά), Εκδόσεις Τζιόλα, 2004. 3. Καραλέκας,. ιαλέξεις Μαθήµατος «Επιλογή Υλικών / Μη Μεταλλικά Υλικά, Τµ. ΜηχανολόγωνΜηχανικών Βιοµηχανίας, Πανεπιστήµιο Θεσσαλίας, Βόλος, Χειµερινό Εξάµηνο, 1996-97. 46 23