• ODLU Č IVANJE O MATERIJALIMA PRI KONSTRUIRANJU


  •   
  • FileName: metode_im_rijeka.pdf [read-online]
    • Abstract: tehnološkog procesa i kalkulacije troškova nužno je poznavati što to ... ća masovna proizvodnja, to troškovi proizvodnje i završne obrade postaju ...

Download the ebook

ODLUČIVANJE O MATERIJALIMA PRI KONSTRUIRANJU
Prof.dr.sc. Tomislav Filetin
Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zavod za materijale
SAŽETAK:
Konstrukcijsko oblikovanje, izbor materijala i izbor načina proizvodnje osnovne su i povezane
aktivnosti pri razvoju varijanti proizvoda. Često se do novih rješenja dolazi inovativnom
primjenom novih materijala.
U CAD/CAM i slične sustave za modeliranje i simulacije oblika i funkcije proizvoda te procesa
proizvodnje sve se više integriraju modeli odlučivanja, baze podataka i baze znanja o prikladnim
materijalima.
Neki od postojećih CAMS (Computer Aided Materials Selection) sustava, osim klasičnih načina
pretraživanja baza podataka, koriste različite modele odlučivanja. Kvantitativne metode
doprinose objektivnosti pri odabiru materijala, ali njihova primjena pretpostavlja postojanje
brojčanih podataka, kao i što realniju procjenu faktora važnosti za tražena svojstva.
U slučajevima nepotpunih informacija, ili nepostojanja podataka za tražena svojstva i ponašanje
materijala, u odlučivanje se dodatno uključuje strukturirano znanje u obliku pravila, relacija
između svojstava, modela za vrednovanje i predviđanje svojstava materijala, iskustva iz
proizvodnje i eksploatacije i sl. U specifičnim, užim područjima primjene materijala ovi oblici
znanja su osnova za razvoj ekspertnih sustava.
Primjena jedne kvantitativne metode odlučivanja prikazana je na primjeru usporedbe deset vrsta
materijala za femuralni dio proteze umjetnog kuka. Preferirani materijali odgovaraju onim od
kojih se uobičajeno rade ovi implantati.
ABSTRACT:
Design, selection of material and choice of manufacturing processes are the basic and
interconnected activities in the development of the product variants. The new product solutions
are often a result of innovative application of the new materials.
In the modern CAD/CAM and other CA-systems for modelling and simulation of: function,
product shape and dimensions as well as the manufacturing process, the decision making
methods, data base and knowledge base about the suitable materials are integrated.
Some of the existing CAMS (Computer Aided Materials Selection) systems are using, in
addition to the classical methods for retrieval of data bases, different decision making models.
The quantitative methods bring objectivity in selection procedure, but their use is determined by
existence of numerical data as well as by the real judgement of weighting factors for the material
properties.
In cases of incomplete information, or of lack of data for required material properties, the
structured knowledge in form of rules, relations between properties, merit functions and
parameters, the models for evaluation and prediction of properties, the experience and rules from
production and use of material etc. is integrated. In specific narrow fields of materials use those
forms of knowledge are the basis for development of expert systems.
Through the example of comparison of ten materials for femural hip joint prothese, the
application of one quantitative method is presented. Preferred materials correspond with the ones
usually practised for these implants.
UVOD
Primaran zadatak svake proizvodnje je proizvesti kvalitetnije uz što bolja uporabna svojstva,
ljepši izgled i nižu cijenu. Navedeno je moguće postići unapređenjem proizvodnih postupaka
izrade i konstrukcijskih rješenja ali i pravilnim izborom materijala (slika 1). Niz današnjih
proizvoda danas ima mnogo bolja svojstva nego što su ih imali nekad, zahvaljujući upravo
primjeni suvremenih materijala. To su npr. kućanski aparati, vozila, zrakoplovi, turbine, sportska
pomagala, implantati itd. Stoga je izbor optimalnog materijala bitna sastavnica procesa razvoja
novih i usavršavanja postojećih proizvoda.
Slika 1. Povezanost konstrukcijskog oblikovanja, izbora materijala i načina proizvodnje
Izbor materijala provodi se ponajprije pri konstruiranju proizvoda, a rijeđe tijekom izrade ili
nabave kada je to rezultat nepredvidivih kasnijih izmjena u konstrukcijsko - tehnološkoj
dokumentaciji ili radi pogrešnih odluka u konstrukciji. Sama činjenica da se u konstrukcijskom
odjelu donose odluke koje utječu na oko 70 % troškova proizvoda govori o važnosti i
odgovornosti svih aktivnosti u fazi kreiranja ideja o proizvodu i izrade tehničke dokumentacije.
Proces razvoja proizvoda i izbora materijala određuju četiri osnovne skupine faktora:
1. Tehnički – funkcijski i eksploatacijski zahtjevi te svojstva proizvoda, proizvodna svojstva,
energetska svojstva, standardizacijska svojstva
2. Ekonomski – troškovi razvoja i proizvodnje, cijena proizvoda, investicijski troškovi,
produktivnost i rentabilnost, mogućnosti kooperacije, diverzificiranost proizvoda,
zemlje prodaje i dr.
3. Društveni, humani – potrebe čovjeka i društva, ergonomska svojstva, mogućnost
recikliranja i utjecaj na okoliš, kulturološka (estetska) i informacijska svojstva i dr.
4. Pravni – norme, zakoni, propisi, zaštita izuma, patenta, modela, postupka proizvodnje (know –
how i know – why) i dr.
Analizom navedenih faktora u konkretnoj situaciji izvode se kriteriji vrednovanja
konstrukcijskog rješenja.
IZBOR MATERIJALA I RAZVOJ PROIZVODA
Sam tijek i složenost izbora materijala određen je prvenstveno vrstom i tipom proizvoda (razina
zahtjeva funkcionalnosti, nosivosti, trajnosti, pouzdanosti, cijene i dr.). Ekstremni uvjeti rada
uvjetuju i visoke zahtjeve na svojstva materijala.
Kod proizvoda s razrađenom konstrukcijskom, ili tehnološkom, dokumentacijom - licenca i
sl. materijal je uglavnom već prije određen, a ponekad je dopuštena zamjena sa sličnim.
Prilagodne i varijantne konstrukcije su višeg stupnja razvoja. Kod njih je dopuštena promjena
oblika, rasporeda dijelova, sklopova, dimenzija, toleranci i sl., ali ne i osnovnih funkcionalnih
principa rješenja. Materijali su uglavnom već utvrđeni, pa se traži optimum u novim uvjetima.
Određuju se alternativne vrste ili materijali boljih svojstava ili niže cijene.
Novi proizvod predstavlja kreativni izazov da izborom materijala, iz širokog skupa izbjegnemo
ponavljanje, a ujedno provedemo neko novo djelotvornije rješenje. Novi materijal može upravo
biti poticaj za razvoj funkcionalno novog principa rješenja ili traženja proizvoda bitno novih
svojstava. S druge strane, koncipiranjem novog konstrukcijskog rješenja mogu se generirati i
novi, visoki zahtjevi, koje postojeći materijali ne ispunjavaju.
U tom je slučaju nužno ići na "projektiranje materijala traženih svojstava".
Postupak razvoja proizvoda može se podijeliti u nekoliko karakterističnih slijednih faza, iako je
cijeli proces rada nužno iterativan (slika 2): predstudija - koncipiranje, projektiranje i
razrada varijanti rješenja, konstrukcijska i tehnološka razrada izabranih varijanti.
Slika 2. Faze i pomagala pri razvoju proizvoda /7/
Materijali se biraju u svakoj od navedenih faza, ali unutar različite veličine skupa materijala i s
različitim stupnjem preciznosti rezultata.
Predstudija ili koncipiranje je karakteristična ponajprije za razvoj novog proizvoda.
U fazi koncepta obično se traži nekoliko istaknutih svojstava - invarijantni zahtjevi zasnovani na
ispunjenju tražene funkcije (npr. vodič ili izolator, magnetičan ili nemagnetičan, mala masa i sl.),
a u obzir dolazi velik broj skupina i vrsta materijala. Ovdje se utvrđuju prva ograničenja kao
npr.: radna temperatura, agresivni mediji, vrsta vanjskog opterećenja, grubi oblik, dimenzije,
izgled i sl. i predizabiru moguće skupine materijala za daljnju razradu varijanti.
Pri projektiranju i razradi varijanti rješenja potrebne su što što obuhvatnije informacije o
svojstvima materijala koje nalazimo u katalozima i bazama podataka. Svakoj se varijanti rješenja
pridružuju određeni materijali, a varijante podliježu vrednovanju prema prije definiranim
kriterijima. Ovdje se može smanjiti količina ugrađenog materijala i broj ugradbenih dijelova,
smanjiti zalihe, razviti proizvode koji zahtijevaju manje energije ili povećati pouzdanost
proizvoda. U ove mogućnosti također spada i filozofija konstruiranja s obzirom na zahtjev
recikličnosti i obnovljivosti eksploatiranog proizvoda.
Za konstrukcijsku i tehnološku razradu bi trebalo ostati samo nekoliko materijala - najčešće
jedan osnovni i jedna ili dvije zamjene. Sada konstruktor i tehnolog moraju napraviti konačan
izbor s obzirom na predvidivo ponašanje materijala u proizvodnji i uporabi. Ovdje mora biti
definiran proizvođač (dobavljač) materijala, tj. oblik, dimenzije, količine, mogućnost isporuke i
ukupni troškovi materijala i proizvodnje. Za konačne konstrukcijske proračune, razradu
tehnološkog procesa i kalkulacije troškova nužno je poznavati što točnije vrijednosti svojstava
materijala, jer se one, za jednu te istu vrstu materijala, razlikuju od proizvođača do proizvođača.
Za kritične dijelove i sklopove ponekad je potrebno dodatno ispitati neka od važnih svojstava, ili
laboratorijskim ispitivanjima simulirati uvjete rada na prototipu.
Zamjena materijala za postojeći proizvod
Premda je izbor materijala uglavnom vezan uz konstruiranje (razvoj) proizvoda, postoje i mnogi
drugi razlozi za preispitivanjem vrste primijenjenog materijala i načina proizvodnje, a sve u
svrhu ponovne izrade i poboljšanja već usvojenog proizvoda:
1. Pojava novih materijala
2. Poboljšanje karakteristika proizvoda
3. Nezadovoljavajuće ponašanje u proizvodnji
4. Promijenjeni uvjeti rada u uporabi
5. Kvarovi u uporabi uzrokovani materijalom - deformacije, lomovi, trošenje ili korozija
6. Pojava novih zakona, standarda, propisa i uputa
7. Otežana nabava definiranog materijala
8. Smanjenje troškova proizvoda te postizavanje bolje konkurentnosti.
Sustavno prikupljanje povratnih informacije s tržišta i iz uporabe (razlozi učestale potražnje
rezervnih dijelova, uzroci oštećenja primjedbe kupaca i sl.), posebno je važno za usavršavanje
konstrukcije. Detaljnije informacije o ponašanju materijala bitne su za utvrđivanje uzroka
katastrofalnih događaja u eksploataciji, odnosno propusta i promašaja pri konstruiranju.
Pri donošenju odluke o zamjenskom materijalu treba misliti na to odgovaraju li sve njegove
karakteristike, i je li nužno mijenjati konstrukciju i/ili proizvodne postupke.
Ako su odgovori na ta pitanja negativni varijanta je prihvatljiva, bez obzira radi li se o
konstrukcijskom rješenju, materijalu ili proizvodnom postupku.
METODE ODLUČIVANJA I OPTIMALIZACIJE
Subjektivnost, iskustvo iz prethodnih rješenja, ograničen i nepotpun broj kriterija usporedbe
osnovna su obilježja načina odabira materijala u praksi. U težnji ka što objektivnijem i računalno
podržanom odlučivanju uz ekspertna znanja sve se više primjenjuju kvantitativne metode izbora
materijala. Većina od njih služi i za vrednovanje konstrukcijskih varijanti cijelog proizvoda,
samo što se u modele uključuju drugi kriteriji i svojstva.
Pretpostavka kvantitativne usporedbe je raspolaganje s brojčano iskazanim vrijednostima
svojstava materijala u obliku mjerenih ili procijenjene vrijednosti (ocjene). Dakako da i rezultati
izbora najviše ovise o pouzdanosti i statističkom rasipanju tih podataka. Stoga kod nepouzdanih
podataka treba konzultirati niz izvora, a na često prikupljeni podaci podliježu i statističkoj
evaluaciji.
Način na koji se izabire pogodan materijal najprije ovisi o broju i važnosti postavljenih zahtjeva i
kriterija. U slučaju malog broja zahtjeva velike važnosti težište je na kvalitativnoj i
kvantitativnoj analizi svojstava i ponašanja manjeg broja materijala koji dolaze u uži izbor,
putem informiranja ili iskustva. Primjena kvantitativnih metoda odlučivanja dolazi u obzir
ponajprije kod velikog broja traženih svojstava, jer je za očekivati relativno velik broj
prihvatljivih materijala.
Kod svih načina odlučivanja se uspoređuju tražene i postojeće vrijednosti svojstava materijala
/slika 3/.
Slika 3. Shema tijeka izbora materijala
Prema složenosti, ali i po redoslijedu odlučivanja razlikujemo tri načina usporedbe:
1. zadovoljenje neke minimalne ili maksimalne tražene vrijednosti, ili eliminacija preko nul –
zahtjeva - uglavnom se odnosi na invarijantne zahtjeve;
2. prekrivanje polja toleriranih vrijednosti zahtjeve;
3. minimiranja ili maksimiranja vrijednosti unaprijed definirane funkcije cilja ili tzv.
parametra vrednovanja.
U svim opće primjenjivim metodama optimalizacije pojedinom svojstvu treba pridružiti
odgovarajući faktor važnosti (Bi). Zbroj faktora važnosti za sva svojstva obično mora biti
jednak 1. Faktori važnosti određuju se na osnovi subjektivne procjene važnosti pojedinih
svojstava, ili pomoću relativno objektivne digitalno – logičke metode /2/.
U općem obliku funkcija cilja (Fj) je suma omjera postojećih (Xi) i traženih vrijednosti
(Yi) svih relevantnih svojstava, pri čemu se svaki omjer množi s faktorom važnosti.
n
Fj = ∑ Bi⋅Xi/Yi → maks. (1)
i=1
Danas je iz literature poznato 10-tak oblika takvih općih funkcija cilja.
Da bi se poništio utjecaj različitih apsolutnih vrijednosti svojstava iste valja normalizirati,
tj. svesti na isti red veličina (najčešće u rasponu 1...10 ili 1...100). Normalizacija ili
skaliranje pojedine vrijednosti provodi se u odnosu na minimalnu ili maksimalnu
vrijednost uspoređivanih materijala ili prema zahtjevanim vrijednostima.
Drugi oblik funkcija cilja su tzv. parametri vrednovanja u kojima se nalaze neke logične
kombinacije unaprijed definiranih svojstava materijala, a vrijede za neki kriterij vrednovanja
masa, čvrstoća, krutost, otpornost širenju pukotine, toplinske dilatacije, otpornost
toplinskom šoku, cijena jedinice svojstava i sl., i to za poznate oblike dijelova i načine
opterećenja.
Ovi izrazi proizlaze iz različitih proračuna zasnovanih na fizikalnim zakonitostima ponašanja
dijelova konstrukcija – teorije čvrstoće i mehanike loma, vibracija, prijenosa topline i mase i
dr. Tako npr. krutost torzijski opterećenog vratila, uz što manju masu i za definirane
dimenzije, bit će to viša što je vrijednost sljedećeg izraza viša:
G1/3/ρ (2)
Ipak, treba naglasiti da niti jedna od predloženih metoda ne zamjenjuje procjenu i iskustvo, nego
se na njega nadograđuje i pomaže inženjerima da ne zanemare ni jednu od pruženih mogućnosti
ili da brzopleto i subjektivno odlučuju.
RAČUNALNA PODRŠKA ODLUČIVANJU O MATERIJALIMA
Razvoj CA-sustava, sve veći broj materijala i njihovih karakteristika, težnja k bržem i
pouzdanijem traženju informacija, težnja s objektivnijim i cjelovitijim usporedbama, sve
prisutnija potreba za modeliranjem i simulacijama upućuju na korištenje račulanih sustava koji
obrađuju pohranjuju i procesiraju informacije o materijalima. Pri traženju vrijednosti o
svojstvima korisne su bibliografske i faktografske baze podataka o materijalima, a za
odlučivanje CAMS (Computer Aided Materials Selection) i ekspertni sustavi (ES) /3/.
Slika 1 prikazuje koncepcijsku arhitekturu CAMS ekspertnog sustava koji je u stanju
komunicirati s konstrukcijskim timom i njegovim specifičnim programskim modulima. U
osnovi, svaki takav sustav sadrži tri jako integrirana dijela: bazu podataka, bazu znanja te
module za odlučivanje, modeliranje i analize.
Računalne baze podataka postoje u nizu kompanija i poduzeća, a mnoge su i komercijalno
dostupne preko javnih informacijskih servisa, dok su baze znanja i njima pridruženi ES manje
razvijene.
Baze znanja sadrže pravila za izbor materijala, pravila konstruiranja, ograničenja, objekte,
taksonomiju i naučena znanja iz rješenih slučajeva. Osnova fizikalnih modela u bazama znanja
su formule – npr. za računanje kritične veličine pukotine iz poznate granice razvlačenja i lomne
žilavosti, ili računanje statičke izdržljivosti za određenu temperaturu i trajanje opterećenja
pomoću Larson-Millerovog parametra, faktori koncentracije naprezanja, utjecaji proizvodnih
faktora na dinamičku izdržljivost i sl., pravila za proizvodnju itd.
Nadalje to su tzv. “if then – ako tada” pravila za predizbor materijala, kao npr.:
- AKO je tražena visoka granica razvlačenja i visoka lomna žilavost
TADA treba analizirati primjenu čelika MARAGING
- AKO je visoka radna temperatura i tražena niska toplinska vodljivost
TADA je pogodan keramički toplinski zaštitni sloj
- AKO su zahtjevi: visoka otpornost trošenju, nizak faktor trenja i visoka točnost dimenzija
TADA u obzir dolazi PVD (Physical Vapour Deposition) postupak modificiranja površine
Slika 4. Osnovni moduli CAMS ekspertnog sustava /8/
Metode umjetne inteligencije prisutne su pri razvoju, pretežno internih za kompaniju specifičnih,
ekspertnih sustava za karakterizaciju materijala, analizu kvarova (lomovi, korozija i trošenje) i
pri izboru materijala. ES uobičajeno integriraju baze podataka i baze znanja preko algoritama
pretraživanja i deduktivne logike ugrađene u stroj za zaključivanje (“inference engines”), koji je
dio ljuske ES.
Baze podataka i znanja dostupne su preko Query, Prolog, LISP jezika ili ljuski.
Moduli za odlučivanje sadrže parametre i funkcije cilja (vrednovanja) te ekspertna pravila.
Kod zamjene postojećeg materijala upit može npr. biti: “nađi čelik čija je čvrstoća viša od
postojeće, ali da je jeftiniji tako da sadrži manji sadržaj Cr i Ni”.
Ostali računalni moduli za modeliranje i analize jesu: FEM, konstitutivne jednadžbe, analiza
troškova u ukupnom vijeku, analiza rizika, simulacije ponašanja materijala i konstrukcije,
modeliranje procesa obrade i dr.
Kvalitativni i empirijski sustavi za izbor materijala
Ovi sustavi barataju s više ili manje neodređenim ekspertnim znanjima, koja su vezana uz neki
stupanj nesigurnosti. To su situacije kada nedostaju brojčani podaci za svojstva, ili kada
nema druge mogućnosti do procjena u obliku interpolacija ili ekstrapolacija na osnovi malog
broja relevantnih pokazatelja. Tipični takvi slučajevi su očekivanog korozijskog ili tribološkog
oštećenja, lomovi zbog umora, oštećenja od toplinskih šokova i sl. Nesigurnosti uključuju, npr.,
utjecaj kombinacije agresivnih medija, nepravilnih ciklusa mehaničkog opterećenja, naglih
vanjskih ili unutarnjih promjena temperatura i dr.
Takvi ES barataju s procjenama, aproksimacijama koje su karakteristične za tzv. “fuzzy logic –
neizrazita logika”.
Npr., koji je materijal više korozijski otporan, ako je brzina korozije materijala 1 u otpadnim
lučkim vodama između 0,04 i 0,38 mm/god., a materijala 2 između 0,18 i 0,28 mm/god.?
Izbor temeljen na scenariju intenzivnog oštećenja upućuje na materijal 2, a scenarij temeljen na
srednjoj brzini dotrajavanja na materijal 1.
Primjer kvantitativne usporedbe materijala za femuralni dio proteze umjetnog kuka
Biomaterijali služe kao zamjena za mnoge prirodne materijale u ljudskom tijelu. Broj materijala
u primjeni za nadomjestke sve veći, a uključuju metalne, polimerne, keramičke i kompozitne
materijale, gelove i pjene. Tako se npr. nehrđajući čelici, kobaltove legure, titan i titanove
legure, keramika i kompozitni materijali rabe za fiksiranje ili zamjenu kostiju, pjene i gelovi za
meko tkivo, dok elastični materijali zamijenjuju kožu i krvne žile.
Ovdje se kao primjer razrađuje odabir materijala samo za sfernu glavu femuralnog dijela
umjetnog kuka, jer u obzir dolazi niz različitih vrsta materijala, s većom ili manjom trajnošću i
cijenom. Čašica kuka (“klizni ležaj”) se ovdje nije analizirana, budući da se ona uglavnom
izrađuje samo od polietilena visoke gustoće ili PTFE (teflon) od kojih se traži što niži faktor
trenja.
Osnovne konstrukcijske smjernice
Oblik femuralnog dijela proteze umjetnog kuka može varirati, s obzirom na način ugradnje i
učvršćenja (slika 4).
Da bismo pravilno odabrali zamjenski materijal potrebno je dobro poznavati strukturu kosti i
njena svojstva. Treba znati da je kost živo tkivo koje se sastoji od anorganskih tvari koje sadrže
takve kristale koji kost čine krhkom, i organskih, želatinoznih tvari koje kost čine žilavom.
Navedena svojstva se upotpunjuju i čine cjelokupnu strukturu sustava što rezultira maksimalnom
čvrstoćom u zadanom smjeru. Ipak, treba napomenuti da je tlačna čvrstoća kompaktne kosti oko
140 N/mm2, a modul elastičnosti oko 14 kN/mm2 u uzdužnom smjeru, a 1/3 tih vrijednosti u
poprečnom smjeru.
Slika 5. Neke varijante konstrukcije proteze umjetnog kuka /10, 11/
Već na prvi pogled vidimo da su te vrijednosti skromne obzirom na one koje posjeduju neki
metali i kompozitni materijali. No, pritom treba znati da zdrava kost sama zacjeljuje i ima
odličnu otpornost izmjeničnom opterećenju. Zbog toga zamjenski materijal treba biti mehanički
otporniji od kosti, jer ima sasvim ograničenu trajnost.
Zbog opsežnosti cijele analize neće se definirati naprezanja zbog statičkog i izmjeničnog
opterećenja na kuku koje se javlja kao posljedica mirovanja ili kretanja.
Analiza zahtjeva na materijale za protezu umjetnog kuka
Osnovni zahtjevi koji se postavljaju na materijale za ovaj slučaj jesu /2, 12/:
1. Prihvatljivost tkiva (PT) – faktor važnosti B1=0,20
Prihvatljivost tkiva, odnosno smanjen rizik od odbacivanja nadomjestka, važan je zahtjev.
Ocjene predizabranih materijala varirat će od 1 za najlošiji materijal, do 10 za najbolji.
Donja granica iznosi 7.
2. Postojanost koroziji (PK) – faktor važnosti B2=0,20
Ovo je važan je zahtjev jer su tjelesne tekućine vodene otopine soli. Pojava korozije može
biti štetna jer u kombinaciji s utjecajem izmjeničnog opterećenja može dovesti do loma.
Ocjene se također kreću od 1 do 10, a prihvaćaju se materijali s ocjenom ≥ 7.
3. Žilavost (K) – faktor važnosti B3 = 0,08
Ocjenjuje se isto kao postojanost koroziji, a prihvaćaju se materijali s ocjenom ≥ 2.
4. Vlačna čvrstoća (Rm) – faktor važnosti B4 = 0,08
Iz analize naprezanja proizlazi da materijal treba imati Rm > 95 N/mm2.
5. Dinamička izdržljivost (Rd) – faktor važnosti B5 = 0,12
Frekvencija opterećenja iznosi od 1 do 2,5⋅106 ciklusa na godinu, ovisno o tjelesnoj
aktivnosti čovjeka. Opterećenje na kuk iznosi oko 2,5...3 težine tijela, tj. izračunato
promjenjivo naprezanje iznosi oko 3,1 N/mm2. Uz omjer Rds/Rm= 0,35 dobiva se
minimalna tražena vrijednost savojne dinamičke izdržljivosti Rds = 33,25 N/mm2.
6. Otpornost trošenju (OT) – faktor važnosti B6 = 0,08
Radi što dulje trajnosti traži se što viša otpornost adhezijskom trošenju. Ocjenjuje se kao
žilavost, a prihvaćaju se materijali s ocjenom 7 ili više.
7. Modul elastičnosti (E) – faktor važnosti B7 = 0,08
Elastična kompatibilnost nadomjestka u koštanu strukturu važna je radi izbjegavanja
različitih elastičnih deformacija i postepenog odvajanja proteze od kosti. Nažalost,
moduli elastičnosti zamjenskog materijala su viši od modula elastičnosti kosti, pa je
modul elastičnosti zato ciljana vrijednost i iznosi 14 kN/mm2.
8. Gustoća (ρ)– faktor važnosti B8 = 0,08
Poželjna je sličnost između gustoće nadomjestka i kosti. Ciljana vrijednost je gustoća
kosti je oko 2100 kg/m3.
9. Troškovi (C) – faktor važnosti B9 = 0,08
Ukupni troškovi uključuju cijenu osnovnog materijala, troškove izrade i završne obrade.
Kako nije moguća masovna proizvodnja, to troškovi proizvodnje i završne obrade postaju
bitni u odnosu na ukupne troškove.
Stvarni troškovi preračunavaju se u relativne indekse (ocjene) od 1 do 10, gdje je 10
odgovara najvišem iznosu troškova.
Analiza predizabranih materijala i postupaka izrade
Danas primjenjivani materijali za sfernu glavu proteze umjetnog kuka dolaze iz skupina
nehrđajućih čelika, Ti-legura, Co-Cr-legura, tantala. Novija rješenja traže se unutar polimernih
kompozita i keramičkih materijala kao i nanešenih slojeva postupcima modificiranja površine,
koji su još u fazi razvoja i ispitivanja.
Osnovne varijante postupaka izrade sfernog dijela proteze jesu:
- kovanje u ukovnju + obrada odvajanjem čestica (za metale);
- precizno lijevanje + vruće izostatičko prešanje (HIP) + završna obrada brušenja i poliranja
(za metale);
- kovanje ili precizno lijevanje + obrada odvajanjem čestica + modificiranje površine (za
metalne osnovne materijale);
- vruće izostatičko prešanje (HIP) + završna obrada brušenja i poliranja (za keramiku).
Kvantitativna usporedba svojstava materijala provedena je metodom graničnih vrijednosti,
prema vrijednosti parametra vrednovanja M:
nd ng nc
M = [ ∑ Bi⋅(Yi/Xi)]d + [ ∑ Bj⋅(Xj/Yj)]g + [ ∑ Bk(Yk/Xk)-1]c → min. (3)
i=1 j=1 k=1
nd, ng, nc -... su brojevi donjih, gornjih i ciljanih vrijednosti svojstava,
Bi, Bj, Bk ... su faktori važnosti za donju, gornju i ciljanu vrijednost svojstava,
Xi, Xj, Xk ... su donje, gornje i ciljane vrijednosti za razmatrana svojstva materijala,
Yi, Yj, Yk ... su specificirane donje, gornje i ciljane vrijednosti svojstava.
Vrijednosti svojstava predizabranih materijala i rezultati vrednovanja navedeni su u tablici 1.
Tablica 1: Svojstva predvidivih materijala za protezu umjetnog kuka
vrsta materijala PT P Rm, Rds, E, K OT ρ⋅103, C M rang
K N/mm2 N/mm2 kN/mm
2
kg/m3
X2 CrNiMo 18 10 10 7 585 235* 203 8 8 7,8 1 0,601 6
(AISI 316L)
X2 CrNiMo 18 14 9 7 620 245* 203 10 8,5 7,8 1,1 0,608 7
(AISI 317)1)
X10 CrNiTi 18 9 9 7 750 260* 203 10 8 7,8 1,1 0,609 8
(AISI 321)
X5 NiCrTi 26 15 – gašen i 9 8 1000 350* 203 10 9 7,9 1,4 0,572 5
ostaren (A 286)
X5 CrNiCu(Nb) 17 4 - 9 8 1400 490* 203 10 9 7,9 1,4 0,566 4
gašen i ostaren (17-4 PH)
Co-Cr-Mo (ISO 5832/4) – 10 9 700 250 205 2 10 8,3 3,7 0,622 9
lijevana2)
Co-Cr-Ni-W-kovana3) 10 9 1050 390 242 10 10 9,2 4,0 0,554 2
Nelegirani Ti – kovan 8 10 630 315 124 7 8 4,5 1,7 0,558 3
Ti6Al4V – topl. očvrsnuto 8 10 1060 530 124 7 8,3 4,4 1,9 0,548 1
Epoksidna smola + 70% 7 7 560 170 56 3 7,5 1,6 10 0,645 10
uglj. vlakna
*procjene; Rds ≈ 0,35⋅Rm 1) sastav: 0,07% C; 1% Si; 2% Mn; 16...18% Cr; 4...5%
Mo;12,5...14,5% Ni; 2) sastav: ∼1% Mn; ∼1% Si; 26,5...30% Cr; 4,5...7% Mo; ∼2,5% Ni; ∼1%
Fe; ∼0,35% C, ostatak Co; 3) sastav: ∼2% Mn; ∼3% Fe; 19...21% Cr; 9...11% Ni; 14...16% W;
0,05...0,15% C; ∼1,0 % Si; ostatak Co
Kao što je vidljivo iz vrijednosti parametra vrednovanja M, titanova toplinski očvrsnuta α + β
legura dobiva malu prednost pred kovanoj kobaltovoj leguri i nelegiranom titanu. Najbolji među
čelicima su austenitni precipitacijski očvrsnuti.
Ako bi se postojanosti koroziji dala manja važnost, a troškovima veća tada bi za manje trajnije
proteze prednost dobili obični austenitni nehrđajući čelici.
U slučaju da troškovi nisu kriterij vrednovanja nego samo uporabna svojstva, tada je na prvom
mjestu Co-kovana legura na drugom mjestu austenitni precipitacijski očvrsnut X5 CrNiCu(Nb)
17 4, a na trećem Ti6Al4V.
ZAKLJUČAK
- Konstrukcijsko oblikovanje, izbor materijala i izbor načina proizvodnje nedjeljiv je skup
povezanih aktivnosti pri razvoju proizvoda. Konkurentnost suvremenih proizvoda bitno je
određena primjenjenim materijalima.
- Konstrukori imaju nedovoljna znanja o suvremenim materijalima i proizvodnim postupcima
pa je nužan timski rad i suradnja s ekspertima
- Optimalni materijali odabiru se kombiniranjem kvantitativnih metoda odlučivanja i ekspertnih
(strukturiranih ili nestrukturiranih) znanja. Stupanj sigurnosti odluka ovisi o prekrivenosti
zahtjeva kvantitativnim pouzdanim vrijednostima ili objektivnim procjenama.
Ograničenja pri korištenja računalne podrške jesu:
Kvaliteta rezultata dobivenih iz CAMS sustava uvelike ovisi o porijeklu (izvorima),
provjerenosti i pouzdanosti podataka o svojstvima materijala pohranjenih u baze.
Dopunjavanje baza podataka i baza znanja je vrlo važan zadatak, kako bi podaci i metode
pretraživanja i odlučivanja bile ažurne i aktualne.
Korisnost takvih računalnih sustava za izbor materijala ovisi i o njihovoj veličini. Veliki
sustavi gube transparentnost malih, razvijenih za nekoliko korisnika u određenom poduzeću.
Pravila formulirana u ES za specifične slučajeve ne vrijede općenito, pa njihova primjena
može dovesti do krivih zaključaka.
- Primjer IM za protezu umjetnog kuka pokazuje da se primjenom kvantitativne metode
odlučivanja dobivaju rješenja u skladu s današnjim primjenama materijala u praksi.
LITERATURA
/1/ J. A. Charles, F. A. A. Crane: Selection and Use of Engineering Materials, Butterworth,
London, 1989.
/2/ M. M. Farag: Selection of Materials and Manufacturing Processes for Engineering Design,
Prentice Hall, London, 1989.
/3/ T. Filetin: Informacijski, CAMS i ekspertni sustavi u istraživanju i primjeni materijala,
Poglavlje u knjizi: Materijali u strojarstvu - Tendencije razvoja i primjene, Hrvatsko
društvo za materijale i tribologiju, Zagreb, 1993. s. 102 - 129.
/4/ C. O. Smith: Materials Selection in Design, Int. Conf. on Eng.Design (ICED), 1990.,
s. 653-660.
/5/ T. Filetin: Prilog metodičkom postupku izbora materijala pri konstruiranju, Disertacija,
Sveučilište u Zagrebu - FSB, Zagreb 1986.
/6/ D. Cebon, F. Ashby: Computer Aided Materials Selection for Mechanical Design,
Metals & Materials, Jan. 1992., s. 25-30.
/7/ M.F. Ashby: Materials Selection in Mechanical Design, Pergamon Press, Oxford, 1992.
/8/ ASM Handbook Vol. 20, Materials Selection and Design, ASM Int., Ohio, 1997.
/9/ T. Filetin: Usporedba kvantitativnih metoda izbora materijala, 4. Konf. iz operacijskih
istraživanja -KOI ’94, Rab, 1994, s. 119-128.
/10/ Technical Review Sulzer, 4, 1999.
/11/ Prospekt firme Bodycote H.I.P. Ltd GB, 1999.
/12/ Z. Horvat: Prilog analizi primjene materijala za izradu femuralnog dijela sfernih zglobova
totalnih endoproteza kuka, Zbornik radova FSB XVI (1992), s. 69-76.


Use: 0.0205