재료 공정 설계의 전략에 대해서

전략 : 변형, 선별, 평가 그리고 문서

 

 선택은 재료와 공정의 속성데이터 - 이러한 것들은 상호 간에 양립할 수 있는 성질에 적합함- 그리고 설계에 요구된 재료와 공정 사이에 최고의 적합성을 찾는 것을 포함한다. 

 

첫 번째 일은 재료의 선택을 위해 설계 요구조건을 규칙적으로 변화시키는 변형이다. 이것은 재료가 반드시 충족되어야만 한다는 제한과 설계가 반드시 만족되어야만 한다는 목적을 확인함으로써 발생된다. 이것들은 여과기 역할을 한다.

제한을 받거나 목적을 충족할 능력이 높은 재료가 설계에서 잠정적인 후보가 된다.

 

다음 두번째 일은 제한을 만족시킬 수 없는 재료를 제거하는 선별작업이다. 이것은 최소한의 비용과 같이 적절한 기준을 만족시킬 수 없는 재료를 제거하는 선별작업이다. 이것은 최소한의 비용과 같이 적절한 기준을 만족시킬 수 있는 그들의 능력에 의해 남겨진(살아남은) 것을 처리하는 단계에 의존한다. 마지막 일은 확실히 가능성 있는 후보들이 어떻게 그것들을 최적화하여 설계하였는지, 실패의 역사적인 예와 우리가 문서화라 부르는 단계를 상세히 조사하는 것이다.

 

공정선택은 같은 경향의 흐름을 따른다. 이러한 경우에 변형은 반드시 충족되어져야만 하는 기하학적으로 다른 제한들- 치수, 형태 정밀도 그리고 재료 적합성 - 을 식별하는 것과 재료를 제공할 수 없는 공정을 선별하기 위해 이러한 것들을 이용한다는 것을 의미한다.

 

공정 평가

변형

어떤 공학요소는 하나 또는 그 이상의 기능을 가진다. 짐을 나르고, 압력을 수용하며, 열을 전달하는 등의 기능.

이것은 제한의 종속되도록 한다. 어떤 치수는 고정되어 있으며, 구성요소는 틀림없이 설계 부하를 운반해야 하며, 열이나 전기의 절연 및 연결이 필요하며 주어진 환경이다 특정 온도 범위에서는 작동이 되어야 한다. 구성요소를 설계하면서 설계자는 하나 또는 그 이상의 목적을 가진다.

 

가능한 비용을 절감해야하며 되도록 가볍게, 안전하게 또는 이러한 것들 중 일부를 조합한다. 어떤 특징이 되는 요소가 목적을 가장 효과적으로 활용하기 위해 추가될 수도 있다. 설계자는 설계 요구조건에 의해 제한되지 않는 수치를 변화시키기는데 자유롭다. 그리고 더 주목해야 할 것은 성분과 재료를 형상화하는 공정에 대해 재료를 선택하는 데 있어서 자유롭다. 우리는 자유변수로서 이들을 적용한다.

 

제한과 목적 사이에 차이점을 명확히 아는 것은 중요하다. 제한은 반드시 만족시켜야 하는 필수적인 조건이다. 그리고 보통 재료와 공정의 속성에 대한 경계로써 표현되어진다. 목적은 다른 것이 아니라 극단적인 값(최대 또는 최소)인 비용, 질량 또는 부피 등을 조사하는 것에 대한 수량이다. 그것을 바르게 이해하는 것은 약간의 상상력을 가지는 것이 될 수 있다.

예를 들어 아주 가벼운 단거리 자전거에 대한 재료를 선택하는데 있어서 그 목적은 제한함으로써 취급하는 비용에 대해 최상한가에 따라 최소한의 질량(무게)을가지는 것이다. 

 

변형단계의 결과는 설계의 한계적 특성과 그것들을 충족시켜야만 하는 제한의 목록화이다. 그러므로 재료 특성에 설계 요구조건과 관련된 첫 번째 단계는 기능, 제한, 목적 그리고 자유변수의 명확한 보고서이다.

 

선별

제한은 문(여과시, 걸러내는 필터)이다. 여러분이 문을 통과하면 제한을 만족시키는 것이며, 만약 만족시키는 데 실패했다면 여러분은 밖으로 나가야 한다. 선별은 단지 전혀 적용할 수 없는 후보들을 제거하는 것이다. 왜냐하면 하나 또는 그 이상 것들의 특성이 제한에 의해 통과되지 못하였기 때문이다. 예로서, '성분은 반드시 끓는 물에서 작용해야만 한다' 또는 '성분은 반드시 투명해야 한다'는 요구조건은 성공적인 후보들이 충족시켜야만 하는 특성에 대한 명백한 한계를 부여한다.

 

평가

선별 단계에서 선별된 재료들을 평가하기 위해 우리는 우수한 기준이 필요하다. 그리고 그것은 선별단계를 통과한 후보가 얼마나 잘 적용될 수 있는지를 평가한다. 성능은 가끔 어떤 하나의 특성에 의해 그리고 떄때로 재료들의 결합에 의해 한계를 가진다. 이와 같이 부력에 대한 최고의 재료는 매우 낮은 밀도를 가진 재료이다. 열적 절연체에 대한 최고의 재료는 열적 전도성의 값이 매우 작은 재료이다. 물론 그것들은 또한 설계에 의해 부여된 모든 다른 제한을 만족시킨다. 여기서 최대한의 또는 최소한의 어떤 하나의 특성은 성능을 극한까지 증가시키는 것이다. 그러나 그것은 가끔 성능도 아니고 관련된 특성 그룹도 아니다. 그리하여 가볍고 단단한 타이로드의 가장 적합한 재료는 탄성률의 비강성이 가장 적합한 재료이다. 스프링의 가장 적합한 재료는 항복응력이 가장 높은 재료이다. 주어진 설계에 대한 성능을 최대로 하는 특성 또는 특정 그룹은 그것의 재료 인덱스라 명명한다. 최대의 성능의 어떤 모양(면)과 관련된 각각의 수많은 인덱스들이 있다. 그것들은 주어진 응용분야에서 잘 적용될 수 있는 그들의 가능성에 의해 재료의 평가를 승인하는 우수한 기준을 제공한다.

 

요약하면, 선별은 일을 하는 능력을 가진 후보들을 분류하는 것이다. 그리고 평가는 매우 잘 일할 수 있는 것들 사이에서 그것들을 확인하는 것이다.

 

문서화

지금까지 단계들의 결과는 평가된 어느 쪽에서라도 요구되어지는 제한을 충족시키고 우수한 기준을 최대 또는 최소화한 후보의 예비심사 합격정도이다. 여러분은 단지 최고로 평가된 후보를 선택할 수 있었다. 그러나 숨겨진 약함(약점)은 무엇인가? 그것의 평가는 무엇인가? 그것의 좋은 실적을 가졌는가? 우리는 더 나아가기 위해 각각의 상세한 프로필을 찾아야 한다. 문서화는 어떤 형태를 가지는가? 전형적으로 그것은 묘사적이며 도해적이다. 재료의 앞선 사용에 대한 연구의 경우, 특히 환경에서 그것의 부식 거동에 대한 그리고 환경적인 영향 또는 독성의 적용성과 평가 그리고 충고에 대한 세부사항. 그러한 정보는 핸드북, 제공자의 데이터시트, 그리고 수준 높은 웹사이트에서 찾을 수 있다. 문서화는 설계 요구조건과 재료와 공정 특성 사이에 만들어지는 최종적인 매치를 가능하게 하는 최종 선택에서 예비 심사기준을 좁혀 준다.