Ontwerpmethodologie LES 4

Transcriptie

1 Ontwerpmethodologie LES 4 Steve Vanlanduit Herhaling titel van presentatie 1

2 Overzicht Deel II: doelgerichte ontwerpaspecten Design For Use (DFU) Design For Assembly (DFA) Design For Manufacturability Productieprocessen Materiaalkeuze LES 3 LES 4 Green Design LES 5

3 Design For Manufacturability (DFM) Maakbaarheid? Zo vroeg mogelijk in het ontwerpproces beslissingen omtrent: Materialen Bewerkingsprocessen Vastleggen: Geometrische product specificatie (GPS) Materiële product specificatie (MPS) Structurele product specificatie (SPS) DFM DFA

4 Design For Manufacturability (DFM) Waarom DFM? Productontwerp goed maakbaar Minder ontwerpwijzigingen achteraf Verkorte duur van de ontwerp- en productiefase Betrokkenheid van de ontwerper in de vervolgfase neemt toe. Eenvoudigere en snellere technische werkvoorbereiding Betere communicatie tussen ontwerp- en productieafdeling

5 Design For Manufacturability (DFM) Beïnvloeden van de maakbaarheid: Specificaties Maten en toleranties Materialen Fabricagestappen Assemblage Milieu-aspecten: o.a. afvalproductie

6 Bewerkingsprocessen Indeling: Primaire Discrete vervaardiging Continue vervaardiging Secundaire Tertaire processen

7 Bewerkingsprocessen DIN 8580 norm: Oervormen Omvormen Scheiden en afnemen Opbrengen van lagen Veranderen van materiaaleigenschappen Verbinden

8 Bewerkingsprocessen

9 Bewerkingsprocessen Oervormen: Sinteren Injection molding Omvormen: Smeden Extrusie Dieptrekken Scheiden en afnemen: Draaien Frezen

10 Sinteren

11 Sinteren T > 2 mm H/T < 2.5 Diameter gaten < 2 mm

12 Sinteren

13 Sinteren

14 Sinteren Probleem: under-cut

15 Sinteren

16 Injection molding

17 Injection molding

18 Injection molding

19 Injection molding

20 Smeden

21 Smeden

22 Smeden

23 Smeden <6:1 >5mm

24 Extrusie

25 Extrusie

26 Extrusie

27 Extrusie

28 Extrusie

29 Dieptrekken

30 Dieptrekken

31 Dieptrekken

32 Dieptrekken

33

34 Draaien

35 Draaien

36 Frezen

37 Frezen Afronding Vorm frees

38 Frezen Onderdeel Vervorming <10:1

39 Proces selectie Metalen, ferro Metalen, non-ferro Keramische mat. Glassoorten Elastomeren Thermoplasten Polymeren Gieten Smeden Frezen, draaien Extursie Sinteren Spuitgieten

40 Proces selectie Vorm: Massa Toleranties Ruwheid Economische batch grootte

41 Algemene DFM richtlijnen 1. KIS 2. Juiste materialen en volgorde bewerkingsprocessen 3. Seriegrootte 4. Specifieke proceseigenschappen 5. Beperk het aantal bewerkingsprocessen 6. Standaardisatie in het ontwerp 7. Standaard materialen, gereedschappen, 8. Zo ruim mogelijke toleranties 9. Tekening alleen noodzakelijke informatie 10. Overleg met productieafdeling

42 1. Streef naar eenvoud in het ontwerp (KIS) Minimaal aantal onderdelen (cfr. DFA) Eenvoudige vormen Vermijd ingewikkelde productieprocessen Motivatie: Gereduceerde kost Eenvoudig onderhoud Verhoogde betrouwbaarheid Grotere robuustheid

43 2. Juiste materialen en volgorde bewerkingsprocessen Gebruik materialen die goed te bewerken zijn Materiaalkeuze in functie van de geometrie Motivatie: Duurdere materiaalkost maar vaak lagere totaalkost

44 3. Seriegrootte Fabricageproces afstellen op seriegrootte Motivatie: Instelkost vergelijken met productiekost

45 4. Specifieke proceseigenschappen Begrijp en maak gebruik van de verschillende mogelijkheden van productieprocessen. Ken de beperkingen van de verschillende productieprocessen Motivatie: Kan een aantal operaties elimineren en het aantal onderdelen reduceren (vb. snap fit).

46 5. Beperk het aantal bewerkingsprocessen Motivatie: Secondaire operaties (e.g. slijpen, inspectie, lakken, and heat treating) kunnen even duur zijn als het primaire proces

47 6. En 7. Standaardisatie in het ontwerp Standaard off-the-shelf onderdelen Wijdverspreide materialen Similaire producten zelfde materialen, onderdelen en subassemblies Motivatie: Eenvoudige aankoop en stockbeheer Vermijden van investering in werktuigen

48 8. Zo ruim mogelijke toleranties Motivatie: Reductie van de productiekost

49 9. Breng op de tekening alleen noodzakelijke informatie aan Alleen noodzakelijke bematingen, toleranties, materialen aanbrengen op onderdelen Motivatie: Meer vrijheid voor de productieafdeling

50 Materiaalkeuze in het ontwerp

51 Materiaalkeuze Factoren voor een verantwoorde materiaalkeuze: Het moment van keuze materiaalgroep materiaal materiaalhoeveelheid Kennis van de materialen Vergelijkingsmogelijkheden tussen de verschillende materialen veel materialen Ashby diagrammen Wettelijke bepalingen en eisen

52 Materiaalsoorten Steels Cast irons Al-alloys Metals Cu-alloys Ni-alloys Ti-alloys Alumina Si-Carbide Ceramics, glasses Soda-glass Pyrex GFRP CFRP Composites KFRP Plywood PE, PP, PC PA (Nylon) Polymers, elastomers Butyl rubber Neoprene Polymer foams Metal foams Foams Ceramic foams Glass foams Woods Natural materials Natural fibres: Hemp, Flax, Cotton

53 Materiaaleigenschappen General Weight: Density ρ, Mg/m 3 Expense: Cost/kg C m, /kg Mechanical Stiffness: Young s modulus E, GPa Strength: Elastic limit σ y, MPa Fracture strength: Tensile strength σ ts, MPa Brittleness: Fracture toughness K ic, MPa.m 1/2 Thermal Expansion: Expansion coeff. α, 1/K Conduction: Thermal conductivity λ, W/m.K Electrical Conductor? Insulator?

54 Materiaaleigenschappen Stiff Strong Tough Light All OK! Not stiff enough (need bigger E) Not strong enough (need bigger σ y ) Not tough enough (need bigger K ic ) Too heavy (need lower ρ)

55 Bar chart Steel WC Copper CFRP Young s modulus, GPa Aluminum Zinc Lead PEEK PP PTFE Alumina Glass GFRP Fibreboard Metals Polymers Ceramics Composites

56 Ashby diagram 1000 Ceramics Young s modulus E, (GPa) Composites Woods Foams Polymers Metals Elastomers Density (Mg/m 3 ) 100

57 Ashby diagram 10 4 m/s 3x10 3 m/s 10 3 m/s 3x10 2 m/s

58 Ashby diagram Function: support a load, contain a pressure, transmit heat, Objective: as cheap as possible, as light as possible, strength, Constraints: length is fixed, carry a certain load, Free Variables: materials choice (always for us!), cross sectional area is free, cross sectional shape is free, Design of structural element specified by: Functional Requirements, F Geometric Parameters, G Material Properties, M Performantie: P = f (F, G, M) Separable: P = f 1 (F) f 2 (G) f 3 (M)

59 Ashby diagram Step 0. Initial Screening Step 1. Identify function, constraints, objective and free variable(s) Step 2. Write down equation for objective - performance equation Step 3. If performance equation contains a free variable identify the constraint that limits it Step 4. Use this constraint to eliminate the free variable in the performance equation Step 5. Read off the combination of properties that maximize performance

60 Voorbeeld 1 F F Function: verbindingsstang Objective: minimaliseer de massa Constraints: vaste lengte, niet falen onder belasting F Free Variables: sectie A, materiaal F G M

61 Sterkte - dichtheid

62 Voorbeeld 2 F F Function: verbindingsstang Objective: minimaliseer de massa Constraints: vaste lengte, stijfheid k Free Variables: sectie A, materiaal F G M

63 E modulusdichtheid

64 Ashby diagram Vlak, vaste stijfheid Kolom, vaste stijfheid Trekstang, vaste stijfheid

65 Ashby diagram Materiaal voor tafelpoot? Function: gewicht ondersteunen Objective: minimaliseer de massa, max slankheid Constraints: vaste lengte, niet knikken onder belasting F Free Variables: doorsnede r, materiaal M M

66 Materiaal Commentaar Hout CFRP M1 goed, M2 slecht Goedkoop, traditioneel M1 en M2 goed Duur GFRP M1 en M2 redelijk Goedkoop Keramiek Zeer goed M1 en M2 Te broos

67 Breuktaaiheid -dichtheid

68 E modulus - sterkte

69 E modulusbreuktaaiheid

70 Te onthouden Belangrijkste productieprocessen en ontwerp aandachtspunten Algemene DFM richtlijnen Materiaalkeuze Ashby diagram (voorbeeld)