Każdy produkt zaczyna się od pomysłu, ale aby go zrealizować, musimy przejść przez niezliczoną ilość etapów.

Jednym z pierwszych kroków jest wybór materiału, z którego chcemy wykonać dany przedmiot. Często myśląc o produkcie, wiemy już na etapie pomysłu, z czego będzie wykonany, czy będzie to jakiś rodzaj metalu, czy może plastik. Materiał, którego użyjemy, zależy od następujących czynników:

• siła produktu

• ilość przedmiotu obrabianego

• koszt

• wymiar

• złożoność formy

• możliwości produkcyjne

Jeśli nasz produkt składa się z kilku różnych elementów, które pełnią różne funkcje (obudowa, mechanizm, element łączący), to często w jednym produkcie umieszczamy kilka różnych części wykonanych z różnych materiałów inżynieryjnych, które mają cechy niezbędne do realizacji danej funkcji.

W tym artykule chcemy pokazać Ci podstawowe materiały, z których wykonujemy różne rodzaje produktów, jakie są cechy danego materiału i jak mogą być przydatne w jednym z Twoich produktów. Ponadto opiszemy kilka zasad, jak wybrać odpowiedni materiał.

Zacznijmy od czegoś oczywistego, czyli tego, czym właściwie jest materiał inżynieryjny. To właśnie nazywamy skondensowanymi (stałymi) substancjami, których właściwości czynią je użytecznymi dla ludzi, ponieważ są z nich wykonane złożone produkty pracy. Poniżej opisano najpopularniejsze materiały stosowane w przemyśle.

PODSTAWOWE MATERIAŁY INŻYNIERYJNE? ZACZNIJMY OD METALI

Źródło: http://hart-metale.pl/

Metale to substancje, które w stanie skondensowanym charakteryzują się obecnością wolnych elektronów niezwiązanych z żadnymi atomami, które są w stanie poruszać się w całej pojemności metalu. Do metali zaliczamy większość pierwiastków chemicznych i ich stopy. Metale są stałe w temperaturze pokojowej (z wyjątkiem rtęci, która jest cieczą w tych warunkach)

Najważniejszym metalem z technologicznego punktu widzenia jest żelazo-Fe, które jest najważniejszym składnikiem stali. Inne ważne technicznie metale nazywane są metalami nieżelaznymi. Metale o gęstości mniejszej niż 4,5 g*cm3 zaliczane są do metali lekkich (magnez, aluminium, sód, potas i beryl), a te o gęstości większej niż 4,5 g*cm3 zaliczane są do tzw. metali ciężkich. Wśród nich ważną grupę stanowią metale nieżelazne (miedź, cyna, ołów, cynk), wykorzystywane do produkcji różnych stopów oraz najbardziej odporne chemicznie metale szlachetne (złoto, srebro i platyna). Często stosuje się również podział metali na: metale żelazne (stal, żelazo, żeliwo, staliwo) i metale nieżelazne (inne metale) lub metale, które rafinują stal.

Do najważniejszych cech metali zalicza się wysokie wartości modułu sprężystości - ich właściwości można kształtować (zwiększać) nie tylko poprzez obróbkę cieplną i mechaniczną, ale nawet w procesie wytopu - wprowadzając odpowiednie dodatki stopowe. Cechą charakterystyczną metali jest ciągliwość. Ciągliwość metali należy upatrywać jako przyczynę ich odporności na zmęczenie. Spośród wszystkich materiałów inżynierskich metale są najmniej odporne na korozję.

CERAMIKA I SZKŁO JAKO MATERIAŁY INŻYNIERSKIE

Materiały ceramiczne to nieorganiczne związki metali z azotem, tlenem, borem, węglem i innymi pierwiastkami. Po uformowaniu materiały ceramiczne są wyżarzane w podwyższonych temperaturach. Ceramika jest wykonana z masy ceramicznej, która obejmuje:

• materiały chłodzące (np. piasek), które zmniejszają skurcz podczas wypalania i suszenia;

• materiały plastyczne (np. kaoliny, glinki), które ułatwiają formowanie; topniki, które ułatwiają proces wiązania cząstek.

Surowce wykorzystywane w produkcji ceramiki można podzielić na:

• podstawowe (substancje o wysokiej zawartości czystego węgla, takie jak: węgiel drzewny, sadza, grafit naturalny);

• wiążące (ich zadaniem jest wiązanie mieszanki drobno zmielonych cząstek); dodatkowe (służą do nadania materiałom specjalnych właściwości).

Właściwości ceramiki są następujące:

• wysokie wartości modułu sprężystości (jak metale), ale są kruche (w przeciwieństwie do metali),

• na ogół nie są łatwe w użyciu jako tworzywa sztuczne konstrukcyjne (w przeciwieństwie do metali),

• wysoka sztywność, twardość, odporność na ścieranie (dlatego są wykorzystywane na narzędzia skrawające),

• doskonała odporność na korozję.

TWORZYWA SZTUCZNE I ICH POPULARNOŚĆ WŚRÓD MATERIAŁÓW INŻYNIERYJNYCH

Tworzywa sztuczne to materiały inżynierii użytkowej otrzymywane na bazie polimerów, w wyniku ich połączenia z różnymi dodatkami. Zadaniem dodatków polimerowych jest modyfikacja właściwości polimeru i stworzenie nowego, użytecznego materiału.

Tworzywa sztuczne są obecnie szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu, od przemysłu motoryzacyjnego, przez górnictwo, po produkcję farmaceutyków. Coraz częściej są stosowane jako substytuty materiałów pochodzenia naturalnego. Obecnie rzadko zdarzają się sytuacje, w których materiału naturalnego nie można zastąpić odpowiednim rodzajem plastiku. Wynika to z dużej liczby tworzyw sztucznych, która obecnie sięga nawet siedmiuset.

Źródło: https://www.cheminst.ca/magazine/article/green-chemistry-brings-its-virtues-to-the-classroom/

Podstawowe właściwości tworzyw sztucznych obejmują:

• łatwość formowania produktów o skomplikowanych kształtach w formie finalnej,

• dość wysoka, a często nawet bardzo wysoka odporność chemiczna,

• dobre właściwości mechaniczne, a często także bardzo dobre właściwości elektryczne

• niska gęstość i najczęściej kojarzona z bardzo korzystnym stosunkiem wytrzymałości mechanicznej do gęstości

• możliwość łatwego uzyskania produktów o estetycznym wyglądzie

• możliwość barwienia i uzyskiwania produktów transparentnych.

Kolejną zaletą tworzyw sztucznych jest możliwość ich wykorzystania w różnych formach. Mogą być stosowane jako materiały powłokowe, tworzywa konstrukcyjne, kleje i szpachle, włókna syntetyczne, spoiwa. Najważniejszym kierunkiem w wykorzystaniu tworzyw sztucznych jest jednak ich wykorzystanie jako materiałów konstrukcyjnych, do produkcji elementów urządzeń i maszyn, a także przedmiotów codziennego użytku. Oczywiście tworzywa sztuczne mają również wady, które ograniczają ich zastosowanie. W porównaniu do metali charakteryzują się one niższą wytrzymałością mechaniczną i niższą twardością, a także płyną pod znacznie mniejszym obciążeniem (proces pełzania) i mają przeważnie niską odporność cieplną.

KOMBINACJA MATERIAŁÓW INŻYNIERYJNYCH - KOMPOZYTY

Kompozyt to materiał, który powstaje w wyniku połączenia dwóch lub więcej materiałów. Jeden z nich jest wiążący, a pozostałe pełnią rolę wzmacniającą i są wprowadzane w formie włóknistej, ziarnistej lub warstwowej. W wyniku tego procesu uzyskuje się kombinację właściwości (najczęściej mechanicznych), których nie można uzyskać w materiałach wyjściowych. Cenną właściwością kompozytów jest możliwość zaplanowania ich struktury w celu uzyskania zakładanych właściwości. W rezultacie kompozyty są szeroko stosowane w nowoczesnej technologii i przewiduje się ich dalszy dynamiczny rozwój.

Kompozyty składają się z matrycy oraz umieszczonego w niej drugiego składnika o znacznie wyższych właściwościach wytrzymałościowych lub zwiększonej twardości, zwanego zbrojeniem.

Przeznaczenie materiałów kompozytowych:

• konstrukcja (łatwa w montażu, niska waga, odporność na korozję, bezobsługowość i łatwość konserwacji),

• artykuły gospodarstwa domowego (izolacja, stabilność wymiarowa, odporność na temperaturę),

• lotnictwo (sztywność, wytrzymałość mechaniczna, niska waga).

Źródło: http://www.archidemat.com/materialy-kompozytowe-kompozyty/

PROCESY PROJEKTOWE I DOBÓR MATERIAŁÓW INŻYNIERYJNYCH

Proces doboru materiałów opiera się na analizie właściwości funkcjonalnych produktu. Polega on na wyborze z grupy wszystkich materiałów inżynieryjnych kolejno podgrupy, zredukowanego zestawu materiałów i na końcu konkretnego materiału, który spełnia założone kryteria.

Główne czynniki decydujące o doborze materiałów:

• Ogólne: koszt względny, gęstość;

• Właściwości mechaniczne: moduł sprężystości, wytrzymałość, odporność na pękanie, wskaźnik zmęczenia;

• Właściwości cieplne: przewodność cieplna, dyfuzyjność, pojemność cieplna, temperatura topnienia, temperatura zeszklenia, współczynnik rozszerzalności cieplnej, odporność na szok cieplny, odporność na pełzanie;

• Zużycie: wskaźnik zużycia;

• Odporność na korozję: wskaźnik korozji;

• Porównanie możliwości wykorzystania materiałów inżynierskich w warunkach zużycia.

Dobór materiałów inżynieryjnych do pracy w warunkach zużycia opiera się na kilku zasadach:

• materiał powinien być stabilny chemicznie, mechanicznie lub termicznie w warunkach eksploatacji,

• nominalne naprężenia kontaktowe nie powinny przekraczać wartości granicznej,

• elastyczność materiału,

• w warunkach zużycia ściernego twardość materiału powinna być większa od twardości materiału ściernego,

• warunki użytkowania muszą być dostosowane do możliwości zastosowanego materiału.

Komputerowo wspomagany dobór materiałów inżynierskich

Do dziś bardzo ważnym czynnikiem decydującym o wyborze materiałów inżynieryjnych do konkretnych zastosowań jest doświadczenie i intuicja projektanta, a nawet jego nawyki. Obecnie w systemach CAD (komputerowego wspomagania projektowania) i CAM (komputerowego wspomagania wytwarzania) swoje należne miejsce znajdują również systemy komputerowego wspomagania doboru materiałów (CAMS).

WNIOSEK

Podsumowując powyższy artykuł, możemy zauważyć, że obecny rynek materiałów inżynieryjnych jest bardzo duży. W rzeczywistości wiele produktów może być wykonanych z podobnego rodzaju materiału, a decydującym czynnikiem przy wyborze konkretnego rodzaju może być cena lub łatwość stworzenia danego produktu.

Mamy nadzieję, że po przeczytaniu tego krótkiego przewodnika po materiałach inżynieryjnych będziesz w stanie zacząć wdrażać produkt swoich marzeń z większą świadomością.

Mateusz Szczerbetka
Junior Designer