POWRÓT

Nauka o materiałach

Materiały inżynierskie w praktycznym zastosowaniu (opracowano na podstawie L.A. Dobrzański Materiały inżynierskie)


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Znaczenie materiałów inżynierskich
Podstawy doboru materiałów na produkty i ich elementy
Tendencje rozwojowe nauki o materiałach

 

Znaczenie materiałów inżynierskich

   

    Nowoczesne produkty nie mogłyby być częstokroć zaprojektowane i wytworzone bez użycia wielu materiałów, jak również nie mogłyby bez nich działać w warunkach eksploatacji przewidzianych dla nich oraz przy wymaganym bardzo wysokim poziomie niezawodności. Zdawać sobie należy jednak sprawę, że współczesny produkt złożony jest z bardzo wielu elementów, wykonanych z bardzo różnych materiałów.
    Przykładowo, typowy samochód składa się z około 15 000 elementów, a samolot pasażerski z ponad 4 000 000 elementów. Do produkcji samochodu wykorzystuje się zarówno stale, jak i inne stopy metali, w tym także wytworzone metodami metalurgii proszków, materiały ceramiczne i szkła, różnorodne materiały polimerowe, jak i kompozytowe. Znacznie większą gamę różnorodnych materiałów trzeba wykorzystać przy produkcji samolotu pasażerskiego.

Do góry


 

Podstawy doboru materiałów na produkty i ich elementy

   

    Mnogość dostępnych obecnie materiałów 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 materiałów inżynierskich.

Klasy kryteriów

Własności

Ogólne

Względny koszt
Gęstość

Mechaniczne

moduł sprężystości
wytrzymałość
odporność na pękanie
wskaźnik zmęczeniowy

Cieplne

przewodność cieplna
dyfuzyjność
pojemność cieplna
temperatura topnienia
temperatura zeszklenia
współczynnik rozszerzalności cieplnej
odporność na udary cieplne
odporność na pełzanie

Zużycie

wskażnik zużycia

Korozja

wskażnik korozyjny

    W czasach, gdy komputery nie znajdowały się w powszechnym użyciu, ważnym czynnikiem decydującym o doborze materiałów do konkretnych zastosowań było doświadczenie i intuicja projektanta, a nawet jego przyzwyczajenia. Współcześnie w ramach systemów komputerowego wspomagania projektowania CAD (computer aided design) i wytwarzania CAM (computer aided manufacturing) należne miejsce znajdują także systemy komputerowego wspomagania doboru materiałów CAMS (computer aided materials selection).
    Komputerowe wspomaganie projektowania CAD jest bardzo szeroko rozpowszechnione i stosowane na światowym rynku motoryzacyjnym. Najchętniej inżynierowie korzystają z następujących systemów:

  • Solid Works – jest to program wspomagający projektowanie z rodziny programów CAD. Został on stworzony i dziś jest sprzedawany przez firmę SolidWorks Comporation. Umożliwia tworzenie modelu w wersji 3D oraz umożliwia wykonanie rysunków wykonawczych, złożeniowych, itp. Przy jego pomocy inżynier jest w stanie opracować pełną dokumentację techniczną. W wersji uproszczonej znajdują się takie moduły jak: Simulation Express, bardzo uproszczone analiza MES, oraz analiza CFD;
  • Auto CAD – cała seria Auto CAD jest stworzona i udostępniana przez firmę Autodesk. W firmach produkcyjnych jest wykorzystywane do dwuwymiarowego i czasami trójwymiarowego projektowania. Na rynek została wypuszczona, dość prosta wersja, a mianowicie AutoCAD LT, która stała się najlepiej sprzedającym się programem do komputerowego wspomagania projektowania CAD na świecie;
  • Autodesk Inwertor – jest programem bardzo profesjonalnym, tworzącym pakiet zintegrowanego oprogramowania do projektowania komputerowego. Jest wyposażony w szereg narzędzi niezbędnych do projektowania 3D, oraz zautomatyzowanego rysowania 2D.

    Systemy komputerowego wspomagania wytwarzania – CAM (Computer Aided Manufacturing) stanowią najbardziej praktyczne zastosowanie technologii informacyjnej w przemyśle produkcyjnym. Zadaniem systemów CAM jest integracja etapów projektowania i wytwarzania, polegająca na generowaniu trajektorii ruchów narzędzi dla wskazanych powierzchni obrabianych dyskretnych modeli 3D, zbudowanych wcześniej w środowisku systemu CAD. Narzędzia z grupy CAM pozwalają na optymalną transformację komputerowych modeli wyrobów na instrukcje sterujące urządzeniami wytwórczymi. Systemy CAM mogą występować jako oprogramowanie samodzielne lub zintegrowane ze środowiskiem komputerowo wspomaganego projektowania (CAD). Najczęściej można spotkać programy MasterCAM i CATIA.

  • MasterCAM - Program Mastercam jest opracowywany od 1984 roku przez firmę CNC Software inc. w USA. Jego zadaniem jest szybkie przygotowanie modelu oraz automatyczne opracowanie kodu sterującego obrabiarką CNC.
  • CATIA - jego zadaniem jest wspomaganie procesu wytwórczego wyrobu. Stosowany jest m.in. lotnictwie, przemyśle samochodowym, stoczniowym, maszynowym, energetycznym itp.

    Wykorzystanie metod komputerowego wspomagania w doborze materiałów wymaga opracowania obszernych baz danych zawierających informacje o różnych materiałach i ich własnościach. Dane tego typu zostały opracowane na podstawie prac M.F. Ashby’ego i zestawione w postaci tablic, gdzie każdemu materiałowi przypisano odpowiednie oznaczenia.

Do góry


 

Tendencje rozwojowe nauki o materiałach

   

    Nauka o materiałach i inżynieria materiałowa odgrywają kluczową rolę w ustaleniu i poprawie warunków ekonomicznych i jakości życia, zwłaszcza w sferach wytypowanych jako priorytetowe w rozwoju światowym na najbliższe dziesięciolecia. W tym celu przed nauką o materiałach postawiono postawiono cele strategiczne, które zestawiono w poniższej tabeli.

Priorytetowa dziedzina rozwoju

Cel strategiczny

Rola nauki o materiałach i inżynierii materiałowej

Poprawa warunków życia

ze względu na zagrożenie środowiska naturalnego wymagane jest pilnie bardziej efektywne wykorzystanie materiałów i źródeł energii

rola inżynierii materiałowej w tym zakresie sprowadza się do udziału w rozwoju nowych technologii generowania energii, bardziej energoefektywnych urządzeń oraz materiałów mniej toksycznych i lepiej przystosowanych do recyklingu

System ochrony zdrowia

ze względu na konieczność przezwyciężania i zapobiegania chorobom, ograniczenia zakresu i skutków inwalidztwa oraz troski o poprawę zdrowotności w całym świecie konieczne jest opracowanie całkowicie nowych generacji metod diagnostycznych i terapeutycznych oraz nowych urządzeń, aparatów i leków

rola inżynierii materiałowej w tym zakresie obejmuje opracowanie i wprowadzenie całkowicie nowych materiałów, w tym dla rozwoju sztucznych kości, implantów oraz sztucznych organów, bezpiecznych systemów podawania leków, systemów filtrowania wody oraz urządzeń terapeutycznych i diagnostycznych

Komunikacja i przesył informacji

ze względu na konieczność zwiększenia szybkości i niezawodności wzajemnych połączeń w świecie konieczne jest opracowanie nowych generacji urządzeń telekomunikacyjnych i informatycznych oraz komputerów w pełni zminiaturyzowanych wraz ze wszystkimi urządzeniami peryferyjnymi

rola inżynierii materiałowej w tej rewolucji informatycznej i komputerowej jest bardzo ważna, determinuje ten postęp i wymaga wprowadzenia nowych materiałów elektronicznych, optycznych i magnetycznych

Dobra konsumpcyjne

ze względu na oczekiwania przez klientów szybkiej dostawy dóbr konsumpcyjnych o bardzo wysokiej jakości i niezawodności oraz dużej trwałości przy możliwie najniższych, uzasadnionych i akceptowalnych cenach, dostarczanych niezależnie od miejsca wyprodukowania w świecie, a także wysokiej jakości i sprawności usług, konieczne są intensywne prace w celu osiągnięcia oczekiwanego stanu

rola inżynierii materiałowej w tym zakresie polega na opracowaniu i wdrożeniu materiałów, które umożliwią zwiększenie zarówno jakości i użyteczności produktów, jak i sposobów ich doręczania (np. opakowania) co wpłynie na przyspieszenie i ułatwienie produkcji oraz skrócenie czasu dostawy dóbr użytkowych o najlepszych własnościach

Transport

ze względu na konieczność poprawy warunków podróżowania zarówno w związku z przedsięwzięciami gospodarczymi, wypoczynkiem oraz eksploracją świata i kosmosu konieczne są zorganizowane działania związane ze zwiększeniem szybkości, bezpieczeństwa i komfortu środków transportu

rola inżynierii materiałowej w tym zakresie polega m.in. na opracowaniu i wdrożeniu lekkich karoserii i osprzętu samochodów, np. ze stopów aluminium i magnezu oraz materiałów kompozytowych, systemów hamulcowych dla szybkobieżnych pociągów, samolotów emitujących znacznie mniejszy hałas, pokryć izolacyjnych wahadłowych promów kosmicznych i wielu innych rozwiązań technicznych gwarantujących osiągnięcie założonych celów

    Główne kierunki działań podjętych lub kontynuowanych w zakresie nauki o materiałach i inżynierii materiałowej, których wyniki jak się ocenia będą miały największy wpływ na osiągnięcie celów związanych z rozwojem społeczeństw w najbliższych dziesięcioleciach są następujące.

Główne kierunki działań

Ocena obecnej sytuacji i zamierzenia przyszłościowe

Projektowanie materiałowe

przedmiotem nowoczesnej nauki o materiałach i inżynierii materiałowej jest dostosowywanie materiałów, począwszy od składu chemicznego, faz składowych i mikrostruktury, do zespołu własności wymaganych dla danego zastosowania. W niezbyt odległej przyszłości tradycyjne empiryczne metody wprowadzania nowych materiałów będą uzupełniane w coraz większym stopniu o przewidywanie teoretyczne. W niektórych przypadkach w skali przemysłowej jest już stosowana symulacja komputerowa, a przewidywany jest rozwój narzędzi komputerowych dla oceny własności materiałów w wirtualnym środowisku. Umożliwi to polepszenie tych własności, a ponadto ich przewidywanie nawet przed wyprodukowaniem materiałów, przy znaczącym zmniejszeniu nakładów i czasu niezbędnych dla ich badania i wdrożenia

Komputerowa nauka o materiałach

w ostatnim dziesięcioleciu dokonano znaczącego postępu w zakresie symulacji własności i przetwórstwa materiałów inżynierskich, natomiast już w najbliższej przyszłości modelowanie komputerowe stanie się nieodzownym narzędziem w nauce o materiałach i inżynierii materiałowej. Strategia komputerowa zapewnia chemiczny i fizyczny opis materiałów w szerokiej skali, zarówno długości jaki i czasu, a wieloskalowe modelowanie umożliwia wykorzystanie spójnej struktury symulacji w całym lub większości interesującego zakresu tych skal

Rozwinięte techniki analityczne

rozwój nowych materiałów inżynierskich w przyszłości oraz odkrywanie nowych zjawisk decydujących o ich własnościach wymagają rozwoju, wprowadzenia i upowszechnienia nowych i wydajniejszych technik badawczych umożliwiających badanie materiałów w skali atomowej, takich jak wysokorozdzielcza transmisyjna mikroskopia elektronowa, skaningowa mikroskopia sondująca, dyfrakcja rentgenowska i neutronowa i różne rodzaje spektroskopii, zintegrowanych z komputerami większej mocy, umożliwiających szybką wizualizację i porównanie z modelami komputerowymi, włączając w to także zatosowanie w procesach wytwarzania (syntezy) materiałów, gdzie mogą być stosowane do kontroli i manipulowania materiałów w skali atomowej i nanokrystalicznej, jak w mikroskopii sił atomowych

Wytwarzanie (synteza) i przetwórstwo

celem przyszłościowych technik wytwarzania i przetwórstwa jest konstruowanie materiałów inżynierskich ze złożonych układów atomów i cząsteczek, z taką samą dokładnością i kontrolą jaką obecnie stosuje się w odniesieniu do materiałów półprzewodnikowych, a do najbardziej obiecujących technik można zaliczyć m.in. chemiczne przetwarzanie z prostych jednostek prekursorów, szybkie prototypowanie komponentów ceramicznych i metalowych z użyciem techniki strumieniowej, spiekanie mikrofalowe, metody osadzania z faz gazowych (CVD, PVD) do kształtowania cienkich warstw, infiltracja kompozytów

Nanomateriały

zdolność kontroli, wytwarzania i projektowania materiałów w skali nanometrycznej (10–9 m) jest jednym z głównych kierunków postępu w celu wykorzystania tych materiałów dla opracowywania nowych zastosowań, minimalizacji odpadów i zanieczyszczeń i optymalizacji własności we wszystkich podstawowych grupach materiałów inżynierskich, w tym m.in. w ultraprecyzyjnych systemach podawania leków, nanorobotach, w mikrowytwarzaniu, nanoelektronice, ultraselektywnych sitach molekularnych i nanokompozytach do zastosowania w samolotach i innych pojazdach o wysokich własnościach użytkowych

Materiały inteligentne (smart materials)

materiały inteligentne, w odróżnieniu od pozostałych (obojętnych) materiałów, są projektowane tak, aby reagowały na zewnętrzną stymulację i adaptując się do warunków środowiskowych polepszały swe własności, zwiększając trwałość, oszczędzając energię lub dostosowując warunki dla poprawy komfortu ludzi, a także samoistnie się powielając, naprawiając lub uszkadzając w miarę potrzeby, zmniejszając odpady i zwiększając efektywność; prace w tym zakresie mają szczególnie awangardowy charakter

Materiały biomimetyczne (bionaśladowcze)

dzięki lepszemu zrozumieniu mechanizmów wytwarzania minerałów i kompozytów przez organizmy żywe, szybko rozwijającym się zakresem inżynierii materiałowej stają się materiały biomimetyczne, które kopiują lub naśladują procesy i materiały biologiczne, zarówno organiczne jak i nieorganiczne (np. syntetyczna nić pajęcza, chipy DNA, wzrost kryształów wewnątrz klatek wirusów) i są wytwarzane coraz bardziej precyzyjnie i efektywnie, w wyniku czego poprawia się ich użyteczność, a odsłaniają się nowe możliwości ich wykorzystania (np. autonaprawianie, ultratwarde i ultralekkie kompozyty do samolotów), co wymaga nowej strategii chemicznej, łączącej samoorganizację ze zdolnością do formowania hierarchicznie zbudowanych materiałów

Do góry


   

 

 (C) 2011 - 2018 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved