ODLUIVANJE O MATERIJALIMA PRI KONSTRUIRANJUProf.dr.sc. Tomislav Filetin Sveuilite u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zavod za materijale SAETAK: Konstrukcijsko oblikovanje, izbor materijala i izbor naina proizvodnje osnovne su i povezane aktivnosti pri razvoju varijanti proizvoda. esto se do novih rjeenja dolazi inovativnom primjenom novih materijala. U CAD/CAM i sline sustave za modeliranje i simulacije oblika i funkcije proizvoda te procesa proizvodnje sve se vie integriraju modeli odluivanja, baze podataka i baze znanja o prikladnim materijalima. Neki od postojeih CAMS (Computer Aided Materials Selection) sustava, osim klasinih naina pretraivanja baza podataka, koriste razliite modele odluivanja. Kvantitativne metode doprinose objektivnosti pri odabiru materijala, ali njihova primjena pretpostavlja postojanje brojanih podataka, kao i to realniju procjenu faktora vanosti za traena svojstva. U sluajevima nepotpunih informacija, ili nepostojanja podataka za traena svojstva i ponaanje materijala, u odluivanje se dodatno ukljuuje strukturirano znanje u obliku pravila, relacija izmeu svojstava, modela za vrednovanje i predvianje svojstava materijala, iskustva iz proizvodnje i eksploatacije i sl. U specifinim, uim podrujima primjene materijala ovi oblici znanja su osnova za razvoj ekspertnih sustava. Primjena jedne kvantitativne metode odluivanja prikazana je na primjeru usporedbe deset vrsta materijala za femuralni dio proteze umjetnog kuka. Preferirani materijali odgovaraju onim od kojih se uobiajeno 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 to bolja uporabna svojstva, ljepi izgled i niu cijenu. Navedeno je mogue postii unapreenjem proizvodnih postupaka izrade i konstrukcijskih rjeenja ali i pravilnim izborom materijala (slika 1). Niz dananjih proizvoda danas ima mnogo bolja svojstva nego to su ih imali nekad, zahvaljujui upravo primjeni suvremenih materijala. To su npr. kuanski aparati, vozila, zrakoplovi, turbine, sportska pomagala, implantati itd. Stoga je izbor optimalnog materijala bitna sastavnica procesa razvoja novih i usavravanja postojeih proizvoda.

Slika 1. Povezanost konstrukcijskog oblikovanja, izbora materijala i naina proizvodnje Izbor materijala provodi se ponajprije pri konstruiranju proizvoda, a rijee tijekom izrade ili nabave kada je to rezultat nepredvidivih kasnijih izmjena u konstrukcijsko - tehnolokoj dokumentaciji ili radi pogrenih odluka u konstrukciji. Sama injenica da se u konstrukcijskom odjelu donose odluke koje utjeu na oko 70 % trokova proizvoda govori o vanosti i odgovornosti svih aktivnosti u fazi kreiranja ideja o proizvodu i izrade tehnike dokumentacije. Proces razvoja proizvoda i izbora materijala odreuju etiri osnovne skupine faktora: 1. Tehniki funkcijski i eksploatacijski zahtjevi te svojstva proizvoda, proizvodna svojstva, energetska svojstva, standardizacijska svojstva 2. Ekonomski trokovi razvoja i proizvodnje, cijena proizvoda, investicijski trokovi, produktivnost i rentabilnost, mogunosti kooperacije, diverzificiranost proizvoda, zemlje prodaje i dr. 3. Drutveni, humani potrebe ovjeka i drutva, ergonomska svojstva, mogunost recikliranja i utjecaj na okoli, kulturoloka (estetska) i informacijska svojstva i dr.

4. Pravni norme, zakoni, propisi, zatita izuma, patenta, modela, postupka proizvodnje (know how i know why) i dr. Analizom navedenih faktora u konkretnoj situaciji izvode se kriteriji vrednovanja konstrukcijskog rjeenja. IZBOR MATERIJALA I RAZVOJ PROIZVODA Sam tijek i sloenost izbora materijala odreen 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 razraenom konstrukcijskom, ili tehnolokom, dokumentacijom - licenca i sl. materijal je uglavnom ve prije odreen, a ponekad je doputena zamjena sa slinim. Prilagodne i varijantne konstrukcije su vieg stupnja razvoja. Kod njih je doputena promjena oblika, rasporeda dijelova, sklopova, dimenzija, toleranci i sl., ali ne i osnovnih funkcionalnih principa rjeenja. Materijali su uglavnom ve utvreni, pa se trai optimum u novim uvjetima. Odreuju se alternativne vrste ili materijali boljih svojstava ili nie cijene. Novi proizvod predstavlja kreativni izazov da izborom materijala, iz irokog skupa izbjegnemo ponavljanje, a ujedno provedemo neko novo djelotvornije rjeenje. Novi materijal moe upravo biti poticaj za razvoj funkcionalno novog principa rjeenja ili traenja proizvoda bitno novih svojstava. S druge strane, koncipiranjem novog konstrukcijskog rjeenja mogu se generirati i novi, visoki zahtjevi, koje postojei materijali ne ispunjavaju. U tom je sluaju nuno ii na "projektiranje materijala traenih svojstava". Postupak razvoja proizvoda moe se podijeliti u nekoliko karakteristinih slijednih faza, iako je cijeli proces rada nuno iterativan (slika 2): predstudija - koncipiranje, projektiranje i razrada varijanti rjeenja, konstrukcijska i tehnoloka razrada izabranih varijanti.

Slika 2. Faze i pomagala pri razvoju proizvoda /7/ Materijali se biraju u svakoj od navedenih faza, ali unutar razliite veliine skupa materijala i s razliitim stupnjem preciznosti rezultata. Predstudija ili koncipiranje je karakteristina ponajprije za razvoj novog proizvoda. U fazi koncepta obino se trai nekoliko istaknutih svojstava - invarijantni zahtjevi zasnovani na ispunjenju traene funkcije (npr. vodi ili izolator, magnetian ili nemagnetian, mala masa i sl.), a u obzir dolazi velik broj skupina i vrsta materijala. Ovdje se utvruju prva ogranienja kao

npr.: radna temperatura, agresivni mediji, vrsta vanjskog optereenja, grubi oblik, dimenzije, izgled i sl. i predizabiru mogue skupine materijala za daljnju razradu varijanti. Pri projektiranju i razradi varijanti rjeenja potrebne su to to obuhvatnije informacije o svojstvima materijala koje nalazimo u katalozima i bazama podataka. Svakoj se varijanti rjeenja pridruuju odreeni materijali, a varijante podlijeu vrednovanju prema prije definiranim kriterijima. Ovdje se moe smanjiti koliina ugraenog materijala i broj ugradbenih dijelova, smanjiti zalihe, razviti proizvode koji zahtijevaju manje energije ili poveati pouzdanost proizvoda. U ove mogunosti takoer spada i filozofija konstruiranja s obzirom na zahtjev reciklinosti i obnovljivosti eksploatiranog proizvoda. Za konstrukcijsku i tehnoloku razradu bi trebalo ostati samo nekoliko materijala - najee jedan osnovni i jedna ili dvije zamjene. Sada konstruktor i tehnolog moraju napraviti konaan izbor s obzirom na predvidivo ponaanje materijala u proizvodnji i uporabi. Ovdje mora biti definiran proizvoa (dobavlja) materijala, tj. oblik, dimenzije, koliine, mogunost isporuke i ukupni trokovi materijala i proizvodnje. Za konane konstrukcijske proraune, razradu tehnolokog procesa i kalkulacije trokova nuno je poznavati to tonije vrijednosti svojstava materijala, jer se one, za jednu te istu vrstu materijala, razlikuju od proizvoaa do proizvoaa. Za kritine dijelove i sklopove ponekad je potrebno dodatno ispitati neka od vanih svojstava, ili laboratorijskim ispitivanjima simulirati uvjete rada na prototipu. Zamjena materijala za postojei proizvod Premda je izbor materijala uglavnom vezan uz konstruiranje (razvoj) proizvoda, postoje i mnogi drugi razlozi za preispitivanjem vrste primijenjenog materijala i naina proizvodnje, a sve u svrhu ponovne izrade i poboljanja ve usvojenog proizvoda: 1. Pojava novih materijala 2. Poboljanje karakteristika proizvoda 3. Nezadovoljavajue ponaanje u proizvodnji 4. Promijenjeni uvjeti rada u uporabi 5. Kvarovi u uporabi uzrokovani materijalom - deformacije, lomovi, troenje ili korozija 6. Pojava novih zakona, standarda, propisa i uputa 7. Oteana nabava definiranog materijala 8. Smanjenje trokova proizvoda te postizavanje bolje konkurentnosti. Sustavno prikupljanje povratnih informacije s trita i iz uporabe (razlozi uestale potranje rezervnih dijelova, uzroci oteenja primjedbe kupaca i sl.), posebno je vano za usavravanje konstrukcije. Detaljnije informacije o ponaanju materijala bitne su za utvrivanje uzroka katastrofalnih dogaaja u eksploataciji, odnosno propusta i promaaja pri konstruiranju. Pri donoenju odluke o zamjenskom materijalu treba misliti na to odgovaraju li sve njegove karakteristike, i je li nuno mijenjati konstrukciju i/ili proizvodne postupke. Ako su odgovori na ta pitanja negativni varijanta je prihvatljiva, bez obzira radi li se o konstrukcijskom rjeenju, materijalu ili proizvodnom postupku. METODE ODLUIVANJA I OPTIMALIZACIJE Subjektivnost, iskustvo iz prethodnih rjeenja, ogranien i nepotpun broj kriterija usporedbe osnovna su obiljeja naina odabira materijala u praksi. U tenji ka to objektivnijem i raunalno podranom odluivanju uz ekspertna znanja sve se vie primjenjuju kvantitativne metode izbora materijala. Veina od njih slui i za vrednovanje konstrukcijskih varijanti cijelog proizvoda, samo to se u modele ukljuuju drugi kriteriji i svojstva.

Pretpostavka kvantitativne usporedbe je raspolaganje s brojano iskazanim vrijednostima svojstava materijala u obliku mjerenih ili procijenjene vrijednosti (ocjene). Dakako da i rezultati izbora najvie ovise o pouzdanosti i statistikom rasipanju tih podataka. Stoga kod nepouzdanih podataka treba konzultirati niz izvora, a na esto prikupljeni podaci podlijeu i statistikoj evaluaciji. Nain na koji se izabire pogodan materijal najprije ovisi o broju i vanosti postavljenih zahtjeva i kriterija. U sluaju malog broja zahtjeva velike vanosti teite je na kvalitativnoj i kvantitativnoj analizi svojstava i ponaanja manjeg broja materijala koji dolaze u ui izbor, putem informiranja ili iskustva. Primjena kvantitativnih metoda odluivanja dolazi u obzir ponajprije kod velikog broja traenih svojstava, jer je za oekivati relativno velik broj prihvatljivih materijala. Kod svih naina odluivanja se usporeuju traene i postojee vrijednosti svojstava materijala /slika 3/.

Slika 3. Shema tijeka izbora materijala Prema sloenosti, ali i po redoslijedu odluivanja razlikujemo tri naina usporedbe: 1. zadovoljenje neke minimalne ili maksimalne traene 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 ope primjenjivim metodama optimalizacije pojedinom svojstvu treba pridruiti odgovarajui faktor vanosti (Bi). Zbroj faktora vanosti za sva svojstva obino mora biti jednak 1. Faktori vanosti odreuju se na osnovi subjektivne procjene vanosti pojedinih svojstava, ili pomou relativno objektivne digitalno logike metode /2/. U opem obliku funkcija cilja (Fj) je suma omjera postojeih (Xi) i traenih vrijednosti (Yi) svih relevantnih svojstava, pri emu se svaki omjer mnoi s faktorom vanosti. Fj = BiXi/Yi maks.i=1 n

(1)

Danas je iz literature poznato 10-tak oblika takvih opih funkcija cilja. Da bi se ponitio utjecaj razliitih apsolutnih vrijednosti svojstava iste valja normalizirati, tj. svesti na isti red veliina (najee u rasponu 1...10 ili 1...100). Normalizacija ili

skaliranje pojedine vrijednosti provodi se u odnosu na minimalnu ili maksimalnu vrijednost usporeivanih materijala ili prema zahtjevanim vrijednostima. Drugi oblik funkcija cilja su tzv. parametri vrednovanja u kojima se nalaze neke logine kombinacije unaprijed definiranih svojstava materijala, a vrijede za neki kriterij vrednovanja masa, vrstoa, krutost, otpornost irenju pukotine, toplinske dilatacije, otpornost toplinskom oku, cijena jedinice svojstava i sl., i to za poznate oblike dijelova i naine optereenja. Ovi izrazi proizlaze iz razliitih prorauna zasnovanih na fizikalnim zakonitostima ponaanja dijelova konstrukcija teorije vrstoe i mehanike loma, vibracija, prijenosa topline i mase i dr. Tako npr. krutost torzijski optereenog vratila, uz to manju masu i za definirane dimenzije, bit e to via to je vrijednost sljedeeg izraza via: G1/3/ (2)

Ipak, treba naglasiti da niti jedna od predloenih metoda ne zamjenjuje procjenu i iskustvo, nego se na njega nadograuje i pomae inenjerima da ne zanemare ni jednu od pruenih mogunosti ili da brzopleto i subjektivno odluuju. RAUNALNA PODRKA ODLUIVANJU O MATERIJALIMA Razvoj CA-sustava, sve vei broj materijala i njihovih karakteristika, tenja k brem i pouzdanijem traenju informacija, tenja s objektivnijim i cjelovitijim usporedbama, sve prisutnija potreba za modeliranjem i simulacijama upuuju na koritenje raulanih sustava koji obrauju pohranjuju i procesiraju informacije o materijalima. Pri traenju vrijednosti o svojstvima korisne su bibliografske i faktografske baze podataka o materijalima, a za odluivanje 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 specifinim programskim modulima. U osnovi, svaki takav sustav sadri tri jako integrirana dijela: bazu podataka, bazu znanja te module za odluivanje, modeliranje i analize. Raunalne baze podataka postoje u nizu kompanija i poduzea, a mnoge su i komercijalno dostupne preko javnih informacijskih servisa, dok su baze znanja i njima pridrueni ES manje razvijene. Baze znanja sadre pravila za izbor materijala, pravila konstruiranja, ogranienja, objekte, taksonomiju i nauena znanja iz rjeenih sluajeva. Osnova fizikalnih modela u bazama znanja su formule npr. za raunanje kritine veliine pukotine iz poznate granice razvlaenja i lomne ilavosti, ili raunanje statike izdrljivosti za odreenu temperaturu i trajanje optereenja pomou Larson-Millerovog parametra, faktori koncentracije naprezanja, utjecaji proizvodnih faktora na dinamiku izdrljivost i sl., pravila za proizvodnju itd. Nadalje to su tzv. if then ako tada pravila za predizbor materijala, kao npr.: - AKO je traena visoka granica razvlaenja i visoka lomna ilavost TADA treba analizirati primjenu elika MARAGING - AKO je visoka radna temperatura i traena niska toplinska vodljivost TADA je pogodan keramiki toplinski zatitni sloj - AKO su zahtjevi: visoka otpornost troenju, nizak faktor trenja i visoka tonost dimenzija TADA u obzir dolazi PVD (Physical Vapour Deposition) postupak modificiranja povrine

Slika 4. Osnovni moduli CAMS ekspertnog sustava /8/ Metode umjetne inteligencije prisutne su pri razvoju, preteno internih za kompaniju specifinih, ekspertnih sustava za karakterizaciju materijala, analizu kvarova (lomovi, korozija i troenje) i pri izboru materijala. ES uobiajeno integriraju baze podataka i baze znanja preko algoritama pretraivanja i deduktivne logike ugraene u stroj za zakljuivanje (inference engines), koji je dio ljuske ES. Baze podataka i znanja dostupne su preko Query, Prolog, LISP jezika ili ljuski. Moduli za odluivanje sadre parametre i funkcije cilja (vrednovanja) te ekspertna pravila. Kod zamjene postojeeg materijala upit moe npr. biti: nai elik ija je vrstoa via od postojee, ali da je jeftiniji tako da sadri manji sadraj Cr i Ni. Ostali raunalni moduli za modeliranje i analize jesu: FEM, konstitutivne jednadbe, analiza trokova u ukupnom vijeku, analiza rizika, simulacije ponaanja materijala i konstrukcije, modeliranje procesa obrade i dr. Kvalitativni i empirijski sustavi za izbor materijala Ovi sustavi barataju s vie ili manje neodreenim ekspertnim znanjima, koja su vezana uz neki stupanj nesigurnosti. To su situacije kada nedostaju brojani podaci za svojstva, ili kada nema druge mogunosti do procjena u obliku interpolacija ili ekstrapolacija na osnovi malog broja relevantnih pokazatelja. Tipini takvi sluajevi su oekivanog korozijskog ili tribolokog oteenja, lomovi zbog umora, oteenja od toplinskih okova i sl. Nesigurnosti ukljuuju, npr., utjecaj kombinacije agresivnih medija, nepravilnih ciklusa mehanikog optereenja, naglih vanjskih ili unutarnjih promjena temperatura i dr. Takvi ES barataju s procjenama, aproksimacijama koje su karakteristine za tzv. fuzzy logic neizrazita logika. Npr., koji je materijal vie korozijski otporan, ako je brzina korozije materijala 1 u otpadnim lukim vodama izmeu 0,04 i 0,38 mm/god., a materijala 2 izmeu 0,18 i 0,28 mm/god.? Izbor temeljen na scenariju intenzivnog oteenja upuuje na materijal 2, a scenarij temeljen na srednjoj brzini dotrajavanja na materijal 1. Primjer kvantitativne usporedbe materijala za femuralni dio proteze umjetnog kuka

Biomaterijali slue kao zamjena za mnoge prirodne materijale u ljudskom tijelu. Broj materijala u primjeni za nadomjestke sve vei, a ukljuuju metalne, polimerne, keramike i kompozitne materijale, gelove i pjene. Tako se npr. nehrajui elici, kobaltove legure, titan i titanove legure, keramika i kompozitni materijali rabe za fiksiranje ili zamjenu kostiju, pjene i gelovi za meko tkivo, dok elastini materijali zamijenjuju kou i krvne ile. Ovdje se kao primjer razrauje odabir materijala samo za sfernu glavu femuralnog dijela umjetnog kuka, jer u obzir dolazi niz razliitih vrsta materijala, s veom ili manjom trajnou i cijenom. aica kuka (klizni leaj) se ovdje nije analizirana, budui da se ona uglavnom izrauje samo od polietilena visoke gustoe ili PTFE (teflon) od kojih se trai to nii faktor trenja. Osnovne konstrukcijske smjernice Oblik femuralnog dijela proteze umjetnog kuka moe varirati, s obzirom na nain ugradnje i uvrenja (slika 4). Da bismo pravilno odabrali zamjenski materijal potrebno je dobro poznavati strukturu kosti i njena svojstva. Treba znati da je kost ivo tkivo koje se sastoji od anorganskih tvari koje sadre takve kristale koji kost ine krhkom, i organskih, elatinoznih tvari koje kost ine ilavom. Navedena svojstva se upotpunjuju i ine cjelokupnu strukturu sustava to rezultira maksimalnom vrstoom u zadanom smjeru. Ipak, treba napomenuti da je tlana vrstoa kompaktne kosti oko 140 N/mm2, a modul elastinosti oko 14 kN/mm2 u uzdunom smjeru, a 1/3 tih vrijednosti u poprenom smjeru.

Slika 5. Neke varijante konstrukcije proteze umjetnog kuka /10, 11/ Ve 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 odlinu otpornost izmjeninom optereenju. Zbog toga zamjenski materijal treba biti mehaniki otporniji od kosti, jer ima sasvim ogranienu trajnost. Zbog opsenosti cijele analize nee se definirati naprezanja zbog statikog i izmjeninog optereenja 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 sluaj jesu /2, 12/: 1. Prihvatljivost tkiva (PT) faktor vanosti B1=0,20 Prihvatljivost tkiva, odnosno smanjen rizik od odbacivanja nadomjestka, vaan je zahtjev. Ocjene predizabranih materijala varirat e od 1 za najloiji materijal, do 10 za najbolji. Donja granica iznosi 7. 2. Postojanost koroziji (PK) faktor vanosti B2=0,20 Ovo je vaan je zahtjev jer su tjelesne tekuine vodene otopine soli. Pojava korozije moe biti tetna jer u kombinaciji s utjecajem izmjeninog optereenja moe dovesti do loma. Ocjene se takoer kreu od 1 do 10, a prihvaaju se materijali s ocjenom 7. 3. ilavost (K) faktor vanosti B3 = 0,08 Ocjenjuje se isto kao postojanost koroziji, a prihvaaju se materijali s ocjenom 2. 4. Vlana vrstoa (Rm) faktor vanosti B4 = 0,08 Iz analize naprezanja proizlazi da materijal treba imati Rm > 95 N/mm2. 5. Dinamika izdrljivost (Rd) faktor vanosti B5 = 0,12 Frekvencija optereenja iznosi od 1 do 2,5106 ciklusa na godinu, ovisno o tjelesnoj aktivnosti ovjeka. Optereenje na kuk iznosi oko 2,5...3 teine tijela, tj. izraunato promjenjivo naprezanje iznosi oko 3,1 N/mm2. Uz omjer Rds/Rm= 0,35 dobiva se minimalna traena vrijednost savojne dinamike izdrljivosti Rds = 33,25 N/mm2. 6. Otpornost troenju (OT) faktor vanosti B6 = 0,08 Radi to dulje trajnosti trai se to via otpornost adhezijskom troenju. Ocjenjuje se kao ilavost, a prihvaaju se materijali s ocjenom 7 ili vie. 7. Modul elastinosti (E) faktor vanosti B7 = 0,08 Elastina kompatibilnost nadomjestka u kotanu strukturu vana je radi izbjegavanja razliitih elastinih deformacija i postepenog odvajanja proteze od kosti. Naalost, moduli elastinosti zamjenskog materijala su vii od modula elastinosti kosti, pa je modul elastinosti zato ciljana vrijednost i iznosi 14 kN/mm2. 8. Gustoa () faktor vanosti B8 = 0,08 Poeljna je slinost izmeu gustoe nadomjestka i kosti. Ciljana vrijednost je gustoa kosti je oko 2100 kg/m3. 9. Trokovi (C) faktor vanosti B9 = 0,08 Ukupni trokovi ukljuuju cijenu osnovnog materijala, trokove izrade i zavrne obrade. Kako nije mogua masovna proizvodnja, to trokovi proizvodnje i zavrne obrade postaju bitni u odnosu na ukupne trokove. Stvarni trokovi preraunavaju se u relativne indekse (ocjene) od 1 do 10, gdje je 10 odgovara najviem iznosu trokova. Analiza predizabranih materijala i postupaka izrade Danas primjenjivani materijali za sfernu glavu proteze umjetnog kuka dolaze iz skupina nehrajuih elika, Ti-legura, Co-Cr-legura, tantala. Novija rjeenja trae se unutar polimernih kompozita i keramikih materijala kao i naneenih slojeva postupcima modificiranja povrine, koji su jo u fazi razvoja i ispitivanja. Osnovne varijante postupaka izrade sfernog dijela proteze jesu: - kovanje u ukovnju + obrada odvajanjem estica (za metale); - precizno lijevanje + vrue izostatiko preanje (HIP) + zavrna obrada bruenja i poliranja (za metale);

- kovanje ili precizno lijevanje + obrada odvajanjem estica + modificiranje povrine (za metalne osnovne materijale); - vrue izostatiko preanje (HIP) + zavrna obrada bruenja i poliranja (za keramiku). Kvantitativna usporedba svojstava materijala provedena je metodom graninih vrijednosti, prema vrijednosti parametra vrednovanja M: M = [ Bi(Yi/Xi)]d + [ Bj(Xj/Yj)]g + [ Bk(Yk/Xk)-1]c min.i=1 j=1 k=1 nd ng nc

(3)

nd, ng, nc -... su brojevi donjih, gornjih i ciljanih vrijednosti svojstava, Bi, Bj, Bk ... su faktori vanosti 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 kukavrsta materijala X2 CrNiMo 18 10 (AISI 316L) X2 CrNiMo 18 14 (AISI 317)1) X10 CrNiTi 18 9 (AISI 321) X5 NiCrTi 26 15 gaen i ostaren (A 286) X5 CrNiCu(Nb) 17 4 gaen i ostaren (17-4 PH) Co-Cr-Mo (ISO 5832/4) lijevana2) Co-Cr-Ni-W-kovana3) Nelegirani Ti kovan Ti6Al4V topl. ovrsnuto Epoksidna smola + 70% uglj. vlakna PT 10 9 9 9 9 10 10 8 8 7 P K 7 7 7 8 8 9 9 10 10 7 Rm, N/mm2 585 620 750 1000 1400 700 1050 630 1060 560 Rds, N/mm2 235* 245* 260* 350* 490* 250 390 315 530 170 E, 2 kN/mm 203 203 203 203 203 205 242 124 124 56 K 8 10 10 10 10 2 10 7 7 3 OT 8 8,5 8 9 9 10 10 8 8,3 7,5 kg/m3 7,8 7,8 7,8 7,9 7,9 8,3 9,2 4,5 4,4 1,6

103,

C 1 1,1 1,1 1,4 1,4 3,7 4,0 1,7 1,9 10

M 0,601 0,608 0,609 0,572 0,566 0,622 0,554 0,558 0,548 0,645

rang 6 7 8 5 4 9 2 3 1 10

*procjene; Rds 0,35Rm 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 to je vidljivo iz vrijednosti parametra vrednovanja M, titanova toplinski ovrsnuta + legura dobiva malu prednost pred kovanoj kobaltovoj leguri i nelegiranom titanu. Najbolji meu elicima su austenitni precipitacijski ovrsnuti. Ako bi se postojanosti koroziji dala manja vanost, a trokovima vea tada bi za manje trajnije proteze prednost dobili obini austenitni nehrajui elici. U sluaju da trokovi nisu kriterij vrednovanja nego samo uporabna svojstva, tada je na prvom mjestu Co-kovana legura na drugom mjestu austenitni precipitacijski ovrsnut X5 CrNiCu(Nb) 17 4, a na treem Ti6Al4V. ZAKLJUAK - Konstrukcijsko oblikovanje, izbor materijala i izbor naina proizvodnje nedjeljiv je skup

povezanih aktivnosti pri razvoju proizvoda. Konkurentnost suvremenih proizvoda bitno je odreena primjenjenim materijalima. - Konstrukori imaju nedovoljna znanja o suvremenim materijalima i proizvodnim postupcima pa je nuan timski rad i suradnja s ekspertima - Optimalni materijali odabiru se kombiniranjem kvantitativnih metoda odluivanja i ekspertnih (strukturiranih ili nestrukturiranih) znanja. Stupanj sigurnosti odluka ovisi o prekrivenosti zahtjeva kvantitativnim pouzdanim vrijednostima ili objektivnim procjenama. Ogranienja pri koritenja raunalne podrke 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 vaan zadatak, kako bi podaci i metode pretraivanja i odluivanja bile aurne i aktualne. Korisnost takvih raunalnih sustava za izbor materijala ovisi i o njihovoj veliini. Veliki sustavi gube transparentnost malih, razvijenih za nekoliko korisnika u odreenom poduzeu. Pravila formulirana u ES za specifine sluajeve ne vrijede openito, pa njihova primjena moe dovesti do krivih zakljuaka. - Primjer IM za protezu umjetnog kuka pokazuje da se primjenom kvantitativne metode odluivanja dobivaju rjeenja u skladu s dananjim 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 istraivanju i primjeni materijala, Poglavlje u knjizi: Materijali u strojarstvu - Tendencije razvoja i primjene, Hrvatsko drutvo 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 metodikom postupku izbora materijala pri konstruiranju, Disertacija, Sveuilite 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 istraivanja -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.