MODEL INTELIGENTNEGA SISTEMA ZA PODPORO ODLOČANJU … · Pri svojem delu konstrukterji mnogokrat naletijo na dileme v procesu odločanja, pri čemer so mladi, neizkušeni inženirji

Doktorska disertacija

MODEL INTELIGENTNEGA SISTEMA ZA PODPORO ODLOČANJU PRI IZBIRI POLIMERNIH MATERIALOV

V PROCESU RAZVOJA IZDELKOV junij 2012 Avtorica: Urška Sancin, univ. dipl. inž. str.

Mentor: izr. prof. dr. Bojan Dolšak

Somentor: red. prof. dr. Franc Zupanič

Avtorica: Urška Sancin, univ. dipl. inž. str.

Naslov: Model inteligentnega sistema za podporo odločanju pri izbiri polimernih materialov v procesu razvoja izdelkov

Klasifikacija UDK: 004.89:678(043.3)

Mentor: izr. prof. dr. Bojan DOLŠAK, univ. dipl. inž. str.

Somentor: red. prof. dr. Franc ZUPANIČ, univ. dipl. inž. str.

Ključne besede: proces razvoja izdelka, konstruiranje za okolje, izbira materiala, sistem za podporo odločanju, polimerni material, človeško znanje

Lektoriranje: Terezija Balant, prof. slov. in angl. jezika

Število izvodov: 10

Tisk: Fakulteta za strojništvo, Univerza v Mariboru

Izdaja: 1.

Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo Doktorska disertacija

i

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Bojanu Dolšaku in somentorju red. prof. dr. Francu Zupaniču za pomoč in vodenje pri pripravi doktorskega dela.

Zahvaljujem se mojemu Davidu za vzpodbudo in potrpežljivost v času priprave doktorske disertacije. Zahvaljujem se tudi staršem, sestri in vsem ostalim za podporo v času podiplomskega študija. Vsem sem hvaležna tudi za vero v moje uspehe.

Zahvala gre tudi panevropskemu združenju Plastics Europe, ki mi je posredovalo ključne podatke za izdelavo modela sistema za podporo odločanju v procesu razvoja izdelkov.


ii

MODEL INTELIGENTNEGA SISTEMA ZA PODPORO ODLOČANJU PRI IZBIRI POLIMERNIH MATERIALOV V PROCESU RAZVOJA IZDELKOV

Ključne besede: proces razvoja izdelka, konstruiranje za okolje, izbira materiala, sistem za podporo odločanju, polimerni material, človeško znanje

UDK: 004.89:678(043.3)

POVZETEK

Proces razvoja izdelka je kompleksen proces, znotraj katerega mora inženir sprejemati

mnogo pomembnih odločitev, ki se ne nanašajo le na konstrukcijo, ampak na vse faze

dobe trajanja izdelka. Izbira materiala je v sklopu procesa konstruiranja izrednega

pomena, saj izbrani material v začetnih fazah razvoja izdelka znatno vpliva na vse

prihodnje aktivnosti v procesu, ter na posledice, ki jih ima izdelek na okolico v njegovi

celotni dobi trajanja. Pri svojem delu konstrukterji mnogokrat naletijo na dileme v

procesu odločanja, pri čemer so mladi, neizkušeni inženirji na začetku kariere, kot tudi

mala in srednje velika podjetja, v zapostavljenem položaju, saj pomanjkanje izkušenj

posledično pomeni slabši izdelek ali najem strokovnjaka.

Vpliv izdelka na okolje je definiran z različnimi parametri ekološkega spektra, ki jih lahko

nadzorujemo v procesu izbire materiala. Eden takih je recikliranje, ki je pereča

problematika polimernih materialov, saj je delež reciklirane plastike bistveno manjši od

deleža drugih materialov. Kvarni vpliv človeka na okolje in izkoriščanje neobnovljivih virov

tako kažeta na pomembnost težnje k trajnostnemu razvoju. Z razvojem modela sistema

za podporo odločanju pri izbiri polimernih materialov z upoštevanjem okoljskega vidika

smo v sklopu doktorske disertacije skušali doprinesti k znanosti tega področja ter

predvsem razviti računalniško podporo pri konstruiranju okolju prijaznih izdelkov iz

polimernih materialov v inženirski praksi.


iii

INTELLIGENT DECISION SUPPORT SYSTEM MODEL FOR POLYMER MATERIAL SELECTION WITHIN A PRODUCT DEVELOPMENT PROCESS

Key words: product development process, design for environment, material selection, polymer material, human cognition

UDK: 004.89:678(043.3)

ABSTRACT

Product development process is a complex process and also decision-making process,

which is not related only to product design but to all phases of product's life cycle.

Material selection within design process is of great importance as preliminary material

selection in early stages of design influences activities to follow and define the impact

that product has on the environment through its life cycle. Young and inexperienced

designers as well as small and medium sized enterprises are often in arduous position as

they face dilemmas in decision-making due to lack of experience consequentially resulting

as a bad design or hiring an expert.

Product’s environmental impact is defined with various ecological parameters, which

could be controlled in material selection process. Recyclability is one of problematic

ecological parameters for polymer materials as their recycle fracture in current supply is

quite low in comparison to other materials. Negative human influence on the

environment and exploitation of non-renewable resources are pointing out the

importance of sustainable development. Intelligent decision support system model for

polymer material selection considering environmental impact developed and presented in

this doctoral thesis is an original contribution to scientific society. Moreover, system

model is computer support for designing environment-friendly polymer products in

engineering practise.


iv

KAZALO VSEBINE

1 UVOD IN SINOPSA 1

1.1 Cilj doktorske disertacije 1

1.2 Teza doktorske disertacije 2

1.3 Predvideni izvirni znanstveni prispevki 2

1.4 Predpostavke in omejitve 3

1.5 Uporabljene metode raziskovanja 4

1.6 Sinopsa doktorske disertacije 5

2 POLIMERNI MATERIALI 6

3 KONSTRUIRANJE IZDELKOV IZ POLIMERNIH MATERIALOV 11

3.1 Proces razvoja izdelka 11

3.2 Proces odločanja v procesu razvoja izdelka 14

3.3 Potrebe gospodarstva po orodjih konstruiranja 17

4 KONSTRUIRANJE OKOLJU PRIJAZNIH IZDELKOV 19

4.1 Metodologija konstruiranje za X 21

4.2 Konstruiranje za okolje 22

4.3 Smernice za konstr. izdelkov z upoštevanjem okoljskega vidika po ISO/TR 14062 26

5 METODE IZBIRE MATERIALA 29

5.1 Metode in pristopi k izbiri materiala 30 5.1.1 Selektivni pristop k izbiri materiala 31 5.1.2 Seznam zahtevanih in želenih lastnosti v inženirski praksi 32

5.2 Koraki v procesu izbire materiala 34 5.2.1 Eliminacija neustreznih materialov 37 5.2.2 Ovrednotenje preostalih materialov, razvrščanje ter izbira optimalnega 47 5.2.3 Komercialni programski paketi za izbiro materiala 50


v

6 UPORABA PROGRAMSKEGA ORODJA EXSYS CORVID 52

6.1 Vrste spremenljivk 53

6.2 Logični blok 55

6.3 Kontrolni blok 57

7 MODEL SISTEMA ZA IZBIRO POLIMERNEGA MATERIALA S POUDARKOM NA OKOLJSKEM VIDIKU 58

7.1 Zajemanje znanja 58

7.2 Definiranje spremenljivk v modelu sistema 59 7.2.1 Statične spremenljivke 59 7.2.2 Numerične spremenljivke 61 7.2.3 Spremenljivke primernosti 62 7.2.4 Zbirne spremenljivke 65

7.3 Izgradnja baze znanja 66 7.3.1 Pravila, ki definirajo najprimernejši material z izbiro ciljnega področja 66 7.3.2 Pravila, ki definirajo najprimernejši material glede na tehnične parametre 68

7.4 Delovanje modela sistema za izbiro polimernih materialov 70

7.5 Predlagana metoda izbire materiala 71

8 ŠTUDIJA PRIMERA 73

8.1 Predstavitev problema 73

8.2 Izbira materiala s predlaganim modelom sistema 75

8.3 Vrednotenje in primerjava rezultatov 77

9 ANALIZA IN VREDNOTENJE NOVEGA MODELA SISTEMA TER SMERNICE ZA NADALJNJE DELO 81

9.1 Smernice za nadaljnje delo 83

10 SKLEP 85

LITERATURA 88


vi

KAZALO SLIK

Slika 3.1: Konvencionalni proces razvoja izdelka v primerjavi s procesom razvoj izdelka z int. sist. 15

Slika 3.2: Možne spremembe izbire materiala v procesu razvoja novega izdelka 16

Slika 4.1: Vloga sistema za podporo odločanju v procesu konstruiranja okolju prijaznih izdelkov 24

Slika 5.1: Metode za eliminacijo neustreznih materialov 37

Slika 5.2: Primer diagrama materialnih lastnosti po Ashbyju 41

Slika 5.3: Metode vrednotenja ustreznosti kandidatov 47

Slika 8.1: Rezultati izbire in priporočila ter informacije o materialnih karakteristikah 77

Slika 8.5: Rezultati za primer avtomobilskega odbijača po Ashbyju 78

Slika 8.2: Priporočila za konstr. izdelkov po metodologije konstruiranje za okolje 79

Slika 8.3: Splošna priporočila za eco-design 79

Slika 8.4: Smernice za konstruiranje po mednarodnem standardu ISO/TR 14062 80


vii

KAZALO TABEL

Tabela 2.1: Družine inženirskih plastomerov, vključene v model sistema 9

Tabela 2.2: Ekološki parametri, uporabljeni v modelu sistema 9

Tabela 2.3: Tehnični parametri, uporabljeni v modelu sistema 10

Tabela 4.1: Splošna priporočila za konstruiranje okolju prijaznih izdelkov 21

Tabela 4.2: Smernice za konstruiranje po metodi konstruiranje za okolje 25

Tabela 4.3: Mednarodni standardi ISO in tehnična poročila ISO/TR 26

Tabela 4.4: Smernice za konstruiranje po ISO/TR 14062 27

Tabela 7.1: Primer statične spremenljivke in njenih vrednosti 60

Tabela 7.2: Primer vsebinsko enostavne spremenljivke 60

Tabela 7.3: Statične spremenljivke, uporabljene v modelu sistema 61

Tabela 7.4: Numerične spremenljivke 62

Tabela 7.5: Razdelitev konstrukterskih ciljev v modelu sistema 66

Tabela 8.1: Konstrukterske zahteve za primer avtomobilskega odbijača 74


viii

UPORABLJENI SIMBOLI

M - materialni indeks

ρ - gostota materiala

/ - upogibna trdnost materiala za obliko nosilca


ix

UPORABLJENE KRATICE

ABS - Acylonitrile butadiene styrene (angl.)

AHP - Analytical Hierarchy Process (angl.)

ASM - Materials Information Society (angl.)

CAD - Computer aided design (angl.)

CB - Command Block (angl.)

CE - Concurrent Engineering (angl.)

DfE - Design for Environment (angl.)

DfX - Design for X (angl.)

ELECTRE - ELimination Et Choix Traduisant la Realité (fran.)

HDPE - High density polyethylene (angl.)

ISO - International Organization for Standardization (angl.)

ISO/TR - International Organization for Standardization / Technical Report (angl.)

LB - Logic Block (angl.)

LCA - Life Cycle Assessment (angl.)

LCD - Life Cycle Design (angl.)

LDPE - Low density polyethylene (angl.)

MAC - Maximum Admissible Concentration (angl.)

MB - Meta Block (angl.)

PA - Polyamid (angl.)

PC - Polycarbonate (angl.)

PET - Polyethylene terephthalate (angl.)

PP - Polypropylene (angl.)

PVC - Polyvinylchloride (angl.)


x

SMEs’ - Small and Medium-sized Enterprises (angl.)

TOPSIS - Technique of ranking Preferences by Similarity to the Ideal Solution (angl.)


1

1 UVOD IN SINOPSA

1.1 Cilj doktorske disertacije

Glavni cilj doktorske disertacije je izdelati model sistema za podporo odločanju pri

konstruiranju izdelkov iz polimernih materialov, z upoštevanjem načel metodologije

konstruiranje za okolje (Design for Environment, angl.). Za ta namen je bilo raziskano

področje konstruiranja s polimernimi materiali, pri čemer smo se osredotočili na specifike

omenjenega procesa, z omejitvijo na izbiro polimernega materiala za nove izdelke.

Uporaba orodij konstruiranja je v inženirski praksi v porastu, pri čemer jo vedno več

podjetij označuje ne samo kot koristno, ampak kot nujno. Eno takšnih orodij je

metodologija konstruiranje za X, pri čemer X pomeni ustreznost izdelka za določen vidik

konstruiranja, kot je proizvodnja, montaža, vzdrževanje, okolje itd. Okoljska komponenta

je pri razvoju izdelka vedno bolj pomembna, pri čemer je potrebno zadostiti mnogim

zakonom, standardom in predpisom, obenem pa v zadnjem času daje izdelku določeno

dodano vrednost, saj družba vedno bolj spoznava pomen in priznava nujnost

trajnostnega razvoja. Fazni cilj doktorske disertacije je tako bila integracija principov

konstruiranja za okolje v sistem za podporo odločanja.

Namen doktorske disertacije je povezati strokovni področji konstruiranja izdelkov iz

polimernih materialov s principi konstruiranja po metodologiji konstruiranje za X,


2

natančneje, s konstruiranjem za okolje. Bazi znanja za obe področji sta smiselno urejeni

in zapisani v obliki produkcijskih pravil, ki so uporabljena za izgradnjo modela

inteligentnega sistema za podporo odločanju. Pri tem je bil uporabljen programski paket

Exsys Corvid, pri čemer gre za programsko orodje, ki omogoča razvoj sistema za podporo

odločanju z integracijo lastne baze znanja.

Glavni namen doktorske disertacije je prispevek k inženirski praksi, s čimer je dobila

doktorska disertacija dodano vrednost v obliki aplikacije, ki bi lahko kasneje

konstrukterjem v dodelani/predelani različici ponudila podporo v obliki nasvetov in

priporočil v procesu konstruiranja izdelkov iz polimerov, z upoštevanjem smernic za

konstruiranje okolju prijaznih izdelkov.

1.2 Teza doktorske disertacije

Osnovna teza doktorske disertacije je, da je možno združiti področji izbire materiala pri

konstruiranju izdelkov iz polimernih materialov ter principe metodologije konstruiranje za

okolje, nato pa v obliki baze znanja obeh področij integrirati znanje in izkušnje v

inteligentni sistem za podporo odločanju, ki bi konstrukterjem olajšal izbiro

najprimernejšega okolju prijaznega materiala za določen izdelek.

Doktorska disertacija zajema sistematizacijo znanja izbire polimernega materiala ter

znanje in principe konstruiranja za okolje. Nadgradnja je zapis znanja v bazo znanja, ki je

integrirana v inteligentni sistem za podporo odločanju, kar je v obliki aplikacije

predstavljeno v modelu sistema, izdelanem s komercialnim programskim orodjem.

Pričakovati je, da bo tak model sistema olajšal inženirsko delo na omenjenem področju.

1.3 Predvideni izvirni znanstveni prispevki

Po pregledu znanstvene in strokovne literature smo definirali naslednje izvirne

znanstvene prispevke:

• zbrano in urejeno bo znanje s področja izbire polimernih materialov kot dela

procesa konstruiranja ter izgrajena urejena in sistematizirana baza znanja

dotičnega področja;

• zbrano in urejeno bo znanje s področja konstruiranja za okolje ter izgrajena

urejena in sistematizirana baza znanja dotičnega področja;


3

• izgrajen bo model sistema za podporo odločanju z uporabo komercialnega

programskega orodja, ki bo omogočal na podlagi definiranih vhodnih parametrov

predlagati najprimernejši polimerni, okolju prijazen material za določen izdelek,

pri čemer bo rezultat podal v obliki nasveta, priporočila ali opomb, ki se bodo

nanašale na ustreznost določenih materialov za nek izdelek.

Model predlaganega sistema bo omogočil enostavnejšo izbiro polimernega materiala in

konstrukterju z manj izkušnjami olajšal delo v tej fazi procesa konstruiranja, obenem pa

bo ustrezna pomoč izkušenemu inženirju pri evalvaciji izbranega polimernega materiala.

Posledično bo postal razvoj izdelka hitrejši, cenejši in učinkovitejši, kar vidimo kot znaten

prispevek k inženirski praksi. Predlagan sistem bo tako do določene mere nadomestil

znanje in izkušnje konstrukterja, ki so pri izbiri materiala ključnega pomena, saj trenutno

ustrezne podpore odločanju na tem področju ni.

1.4 Predpostavke in omejitve

Rezultati dosedanjih raziskav s področja izbire polimernega materiala so bili uporabljeni

kot izhodišče za nadaljnje delo, pri čemer so bili zasledovani najnovejši znanstveni

dosežki in metode, ki so v uporabi za izbiro optimalnega materiala za nek izdelek.

Raziskava, ki je bila narejena v Veliki Britaniji (Booker 2011), kaže na potrebo po uporabi

konstrukterskih orodij, mnogokrat v obliki različnih metodologij, pri čemer je danes

prenekatera nujen del procesa konstruiranja, saj z optimizacijo izdelka z različnih

konstrukterskih vidikov omogoča kakovostnejše izdelke ter nižje stroške skozi celotno

dobo trajanja izdelka. Ena izmed najpogosteje uporabljanih metodologij je »Design for X«

oz. konstruiranje za X, pri čemer X predstavlja ustreznost izdelka za npr. proizvodnjo,

montažo, vzdrževanje, okolje itd. Onesnaženost okolja postaja vedno bolj pereč problem

celotne populacije, posledice pa se kažejo na različne načine, od neobičajnih vremenskih

razmer do naravnih katastrof. Ukrepanje je nujno in postaja vedno bolj pomembna

komponenta pri izvajanju številnih človekovih aktivnosti. Zaradi pomembnosti področja in

preobsežnosti vseh principov metodologije konstruiranje za X smo se odločili omejiti

raziskavo na konstruiranje za okolje.

Model sistema za podporo odločanju je bil razvit s programskim orodjem za zapis

inteligentnih sistemov Exsys Corvid, pri čemer pa je bilo potrebno izdelati, urediti in

sistematizirati lastno bazo znanja, ki je bila potem integrirana v model sistema s


4

produkcijskimi pravili. Za uporabo komercialnega programskega orodja smo se odločili

zaradi vsebinske in količinske obsežnosti potrebnega znanja umetne inteligence in

računalniškega programiranja, ki pa bi bila nujna za izgradnjo lastne lupine za model

sistema, pri čemer ta ne predstavlja izvirnega znanstvenega prispevka.

Pri izgradnji baze znanja smo se omejili na podporo izbire najpogosteje uporabljanih in

značilnih polimernih družin, kot so ABS, PA, PC itd. Omejitev je bila potrebna zaradi

problematike pridobivanja točnih tehničnih podatkov ekološkega spektra, kot energija, ki

je potrebna za nastanek materiala, različne emisije plinov, poraba vode itd. Ker od

največjih proizvajalcev polimernih materialov, s katerimi smo se povezali v zvezi z

raziskavo, nismo dobili želenih podatkov, smo se po nasvetu BASF obrnili na panevropsko

združenje Plastics Europe, ki nam je posredovalo povprečne vrednosti za tehnične

okoljske parametre za določene družine polimerov. Te smo v kombinaciji s tehničnimi

parametri iz literature (Ashby 2009) uporabili za izgradnjo baze znanja.

1.5 Uporabljene metode raziskovanja

Raziskava področij izbire polimernega materiala v procesu konstruiranja in principov

metodologije konstruiranja za X, natančneje konstruiranja za okolje, je bila izpeljana s

pregledom literature in drugih virov, predvsem znanstvenih in strokovnih monografij,

znanstvenih člankov in kompetentnih elektronskih virov.

Model sistema za podporo odločanju pri konstruiranju izdelkov iz polimernih materialov je

bil zgrajen s pomočjo programskega paketa Exsys Corvid, ki omogoča integracijo lastne

baze znanja. Baza znanja je izdelana na podlagi zbranega, primerno urejenega znanja s

področja izbire polimernega materiala ter s področja metodologije konstruiranje za okolje.

Izvedeno je bilo testiranje in verifikacija rezultatov, pridobljenih z novozgrajenim

modelom sistema, ter primerjava z realnimi konstrukterskimi rešitvami realnih procesov

konstruiranja. Opažanja, sklepi in zaključki so predstavljeni v zaključku doktorske

disertacije, ob tem pa so nakazane tudi smernice za nadaljnje delo.


5

1.6 Sinopsa doktorske disertacije

Področje polimerov ter njihova vloga pri inženirskem delu so predstavljeni v drugem

poglavju doktorskega dela. Tretje poglavje je posvečeno konstruiranju izdelkov iz

polimerov, znotraj tega obravnavamo proces razvoja izdelka in s tem povezano

sprejemanje odločitev. Poglavje zaključimo s predstavitvijo potrebe po orodjih

konstruiranja. Metodologijo konstruiranje za X, s poudarkom na konstruiranju za okolje,

in smernice za konstruiranje okolju prijaznih izdelkov po mednarodnem standardu ISO

podrobno opišemo v četrtem poglavju. V petem poglavju podrobno predstavimo pristope

in metode za izbiro najprimernejšega materiala, pri čemer se osredotočimo na fazi

eliminacije neustreznih kandidatov/materialov in razvrščanja ustreznih kandidatov. V tem

poglavju predstavimo tudi komercialne programske pakete za izbiro materiala ter

prikažemo njihove prednosti in slabosti. Ker je model sistema za podporo odločanju pri

konstruiranju izdelkov iz polimernih materialov razvit s programskim orodjem Exsys

Corvid, v šestem poglavju razložimo njegovo delovanje in najpomembnejše gradnike.

Sedmo poglavje je posvečeno znanstvenemu prispevku, ki obravnava izgradnjo modela

sistema kronološko, od zajemanja znanja, definiranja spremenljivk in delovanja sistema.

V zaključku poglavja je predstavljena nova metoda za izbiro najprimernejšega

polimernega materiala. V osmem poglavju potrdimo uspešnost razvitega modela sistema

s študijo referenčnega primera. V devetem poglavju je predstavljena analiza in

vrednotenje novega modela sistema, navedene so smernice za nadaljnje delo. Doktorsko

disertacijo zaključimo s sklepom, kjer skušamo ovrednotiti doktorsko delo z vidika

preliminarnih ciljev, izvirnih prispevkov k znanosti in koristnosti širši inženirski družbi.


6

2 POLIMERNI MATERIALI

Konvencionalne materiale, kot so kovine in keramika, se lahko pogosto nadomesti z

drugimi, za določen izdelek bolj primernimi materiali. Polimerni materiali so razumna

alternativa, saj lahko velikokrat ponudijo boljše karakteristike ob znatno nižjih stroških.

Nekatere prednosti, kot so majhna masa, nižja cena materiala, cenejša masovna

proizvodnja, možnost recikliranja, specifične električne, izolativne, korozivne ter druge

lastnosti, enostavnejše združevanje več delov izdelka (Kim, Prasad et al. 2004), višja

estetska vrednost (npr. dodatna operacija barvanja ni potrebna) ali enostavnejša

proizvodnja preciznih izdelkov, so izrednega pomena v procesu konstruiranja.

Polimerni materiali so del vsakdanjega življenja človeka, pa vendar se reciklira le 10 %

odpada iz polimerov, kar je v primerjavi z deležem recikliranega kovinskega odpada, ki je

90 %, neznaten delež. Pred postopkom recikliranja je potrebno polimerne materiale ločiti

po njihovi sestavi in barvi, ob tem pa se pojavijo težave pri sortiranju. Polimere je težko

ločiti med seboj, saj so vrednosti njihovih gostot navadno zelo podobne, tudi električne in

magnetne lastnosti so zelo blizu skupaj, kar predstavlja dodaten problem. Kljub težavam

pri sortiranju pa so stroški porabe energije v procesu recikliranja za 80-90 % nižji kot za

ostale materiale, zato je v polimernih materialih videti potencial pri konstruiranju okolju

prijaznih izdelkov. Iz tega razloga, ter zaradi poplave vedno novih polimernih materialov


7

na tržišču, smo se odločili, da se pri razvoju modela sistema za podporo odločanju pri

izbiri najprimernejšega materiala za določen izdelek omejimo na polimerne materiale.

Vsak znanstveni diskurz zahteva razjasnitev ter obenem natančno opredelitev terminov,

ki se v znanstvenem delu uporabljajo, zato je pomen besed polimer oz. polimerni material

in plastika oz. plastični material v tej dispoziciji doktorske disertacije izrednega pomena.

Pojem polimer dobesedno pomeni več enot ter se v literaturi (Budinski and Budinski

2010) opisuje kot material, sestavljen iz v verige povezanih molekul, ki tvorijo

makromolekulo. Plastika predstavlja materiale, sestavljene iz polimerov, oplemenitenih z

raznovrstnimi aditivi, kot so polnila, steklena vlakna in pigmenti, ki potencirajo lastnosti

polimera (Askeland and Fulay 2008). Ne glede na opisano razliko med pojmoma polimer

in plastika avtorji v znanstvenih in strokovnih delih navadno uporabljajo oba izraza

izmenično, zato se bomo v tem tekstu držali ustaljene prakse pri poimenovanju

materialov. Po zgradbi se polimeri razporejajo v tri večje skupine (Kraut, Puhar et al.

2007), in sicer:

• plastomeri (termoplasti) s komercialnimi in inženirskimi polimeri

• duromeri (duroplasti)

• elastomeri, razdeljeni na naravne in sintetične

Osnovna struktura plastomerov so fleksibilne linearne verige, ki so lahko ravne ali

razvejane, kar termoplastom omogoča duktilno obnašanje. Imajo sposobnost taljenja ob

segrevanju, zato izdelek pridobi končno obliko ali z litjem ali s preoblikovanjem pri

segrevanju na določeno temperaturo. Posledično se jih da enostavno ponovno

preoblikovati in reciklirati z isto operacijo. Plastomeri se v splošnem delijo na komercialne

in inženirske polimere. Prvi so lahki, z majhno trdnostjo in togostjo, odporni proti koroziji,

in niso primerni za aplikacije pri visokih temperaturah. Imajo dobre preoblikovalne

lastnosti, saj se jih da enostavno oblikovati v različne oblike, ter spadajo med cenejše

polimere. Strojni inženirji se osredotočajo predvsem na delo z inženirskimi plastomeri, saj

ti ponujajo visoko trdnost, pri čemer je ta v določenih primerih celo višja od trdnosti

nekaterih jekel. V primerjavi z jeklom dosegajo pri temperaturah do 350˚C boljše

delovanje, kljub temu pa se inženirji velikokrat odločijo za uporabo jekla, saj je cenovno

ugodnejše. Ne glede na ceno pa je zaslediti izdelke iz plastomerov v najrazličnejših

inženirskih aplikacijah, kot so električne izolacije, plastenke, cevi in ventili, avtomobilske

strehe, vlakna za preproge, embalaža, kartonske škatle za jajca, vetrobranska stekla itd.


8

Duromeri so sestavljeni v togo prostorsko mrežo z linearnimi ali razvejanimi verigami in

imajo navadno večjo trdnost kot plastomeri, čeprav so obenem bolj krhki. V nasprotju s

plastomeri, ki se talijo pri segrevanju, pričnejo duromeri razpadati, kar pomeni težave pri

reciklaži ter varovanju okolja. Duromeri se nemalokrat uporabljajo tudi kot adhezivi,

premazi, polnila, pene ali laminati.

Skupina polimernih materialov s sposobnostjo enormne elastične deformacije se imenuje

elastomeri, pri čemer so v splošnem poznani kot gume s strukturo plastomerov ali

zamreženih duromerov, ki jo sestavljajo vzmetem podobne molekule. Termoplastični

elastomeri so posebna podskupina elastomerov, katerih preoblikovanje je enako

preoblikovanju plastomerov, njihovo obnašanje pa je elastično, kot je to značilno za

elastomere. Uporaba elastomerov je zelo raznolika, saj jih lahko zasledimo v izdelkih od

avtomobilskih gum, žogic za golf in tesnil.

Raznolikost v lastnostih polimernih družin zahteva od konstrukterja upoštevanje treh

faktorjev, ki določajo optimalno uporabo končnega izdelka: konstrukcija (design, angl.),

izdelava oz. proizvodnja (processing, angl.) in izbira materiala (material selection, angl.).

Če povzamemo Material Information Society (ASM_International 2003), je izbira

materiala faktor z vplivom na vsa področja konstruiranja. Ključ uspešnega razvoja izdelka

je v konstrukterskih odločitvah, ki jih lahko v grobem strnemo na naslednje naloge:

• konstruirati izdelek, ki ga bo možno izdelati najenostavneje ter najbolj

ekonomično kot dopuščajo možnosti;

• zagotoviti zanesljivost izdelka;

• poenostaviti vzdrževanje izdelka in podaljšati njegovo dobo trajanja;

• zagotoviti časovno ustrezno dobavo materialov in komponent.

Z uspešnimi rešitvami aktivnosti, kot so izbira najprimernejšega materiala, proizvodnega

postopka ter določitev konstrukcije izdelka, opravi inženir zgoraj navedene naloge, ki pa

so predpogoj za uspešnost izdelka na trgu.

V sklopu doktorskega dela smo se za potrebe razvoja modela sistema za podporo

odločanju pri konstruiranju izdelkov iz polimernih materialov z upoštevanjem okoljskega

vidika omejili na najpogosteje uporabljane družine inženirskih plastomerov. Omejitev

izhaja iz dejstva, da se je pridobivanje podatkov okoljskega karakterja izkazalo za težavno

nalogo. Od večjih svetovnih proizvajalcev polimernih materialov ni bilo možno dobiti

podatkov ekološkega spektra, in sicer ne za specifične materiale ne za posamezne


9

družine inženirskih plastomerov. Utemeljitev je vezana na trženje svetovanja pri izbiri

materiala, ki je za podjetje ravno tako pomembno kot kasnejši nakup polimernega

materiala, pri čemer postanejo podatki okoljskega karakterja intelektualna lastnina in

konkurenčna prednost. Po predlogu podjetja BASF smo vzpostavili stik s panevropskim

združenjem Plastics Europe, v katerega so združeni evropski proizvajalci polimernih

materialov, ki nam je posredovalo ekološke parametre posameznih družin inženirskih

plastomerov za potrebe doktorskega dela. Pridobljeni podatki so ekološki parametri, ki

predstavljajo povprečne vrednosti od podjetij pridobljenih podatkov za posamezno

družino inženirskih plastomerov, kot npr. polietilen (PE). V model sistema smo vključili

družine inženirskih plastomerov (Tabela 2.1), za katere smo pridobili podatke okoljskega

karakterja (Tabela 2.2).

Tabela 2.1: Družine inženirskih plastomerov, vključene v model sistema

Družine inženirskih plastomerov, vključene v model sistema

Inženirski plastomer Kratica

Akrilonitril‐butadien‐stiren ABS

Poliamid (najlon) PA

Polipropilen PP

Polietilen (visoka gostota) HDPE

Polietilen (nizka gostota) LDPE

Polikarbonat PC

Polietilen‐tereptalat PET

Polivinil‐klorid PVC

Tabela 2.2: Ekološki parametri, uporabljeni v modelu sistema

Ekološki parametri, uporabljeni v modelu sistema

Ekološki parameter Enota Angl. prevod

Energija, porabljena za izdelavo materiala [MJ/kg] Embodied Energy

Emisije CO2 (t. i. CO2 odtis) [kg/kg] CO2 emissions (carbon footprint)

Poraba vode [l/kg] Water consumption

Frakcija recikliranja [%] Recycle fraction in current supply

Za izgradnjo baze znanja v modelu sistema za podporo odločanju je bilo potrebno

vgraditi logiko, ki na podlagi hevristike, ki jo izvede mehanizem sklepanja, predlaga


10

uporabniku najustreznejši plastomerni material za določen izdelek. Baza znanja je v

modelu sistema razdeljena na dva sklopa, in sicer na konstrukterske cilje (več v

podpoglavju 7.3.1) in tehnične parametre, s katerimi lahko omejimo izbiro materiala na

podlagi vnosa uporabnika (več v podpoglavju 7.3.2). V model sistema integrirani tehnični

parametri plastomernih družin (Ashby 2009) so glede na lastnosti razdeljeni v štiri sklope,

kar je razvidno iz tabele 2.3.

Tabela 2.3: Tehnični parametri, uporabljeni v modelu sistema

Tehnični parametri, uporabljani v modelu sistema

Lastnosti materiala Tehnični parameter Enota Angl. prevod

Splošne lastnosti Gostota [kg/m3] Density

(general properties, angl.) Cena [$/kg] Price

Mehanske lastnosti Modul elastičnosti [GPa] Young's modulus

(mechanical properties, angl.)

Upogibna trdnost [MPa] Yield strength (elastic limit)

Natezna trdnost [MPa] Tensile strength

Tlačna trdnost [MPa] Compressive

strength

Raztezek [%] Elongation

Trdota po Vickersu [HV] Vickers hardness

Utrujenostna trdnost po 107 cikla [MPa] Fatigue strength at

107 cycles

Lomna žilavost [MPa m1/2] Fracture toughness

Termične lastnosti Maks. temperatura pri obratovanju

[°C] Max. service temperature

(thermal properties, angl.) Toplotni prevodnik/izolator Thermal

conductor/insulator

Toplotna prevodnost [W/mK] Thermal

conductivity

Specifična toplota [J/kgK] Specific heat

capacity

Koef. termične ekspanzije [μ strain/°C] Thermal expansion

coefficient

Električne lastnosti Električni prevodnik/izolator Electrical conductor/insulator

(electric properties, angl.) Električna upornost [μOhm cm] Electrical resistivity

Dielektrična konstanta Dielectric constant

Faktor izgub Dissipation factor

Jakost izgub [μ strain/°C] Dielectric strength


11

3 KONSTRUIRANJE IZDELKOV IZ POLIMERNIH

MATERIALOV

3.1 Proces razvoja izdelka

Na globalnem trgu se je pojavila konstantna potreba po hitrem razvoju novih,

nizkocenovnih, visokokakovostnih izdelkov. »Maksimalna kvaliteta pri minimalnih

stroških« je moto, ki ga morajo sprejeti podjetja, ki želijo sodelovati v tej tekmi za

obstanek in zaslužek ter ne nazadnje za prevlado. Raziskave so pokazale, da je 85 %

težav z novimi izdelki, ki se kažejo v pomanjkljivem delovanju, v zamudah pri lansiranju

na trg in stroških, ki jih izdelki s tem povzročajo, rezultat slabega procesa konstruiranja

(Ullman 2003). Posledično so konstrukterji pod velikim pritiskom, saj morajo upravičiti

zaupanje vodstva v nov izdelek, pri čemer je potrebno tudi poudariti, da so projekti

podprti s številnimi orodji za izbiro in evalvacijo projektov (Palcic and Lalic 2009).

Proces konstruiranja je kompleksen inženirski proces. Konstrukter napreduje skozi faze

konstruiranja (zasnova, koncipiranje, snovanje, razdelava) ter se ob tem srečuje s

številnimi razvojnimi kot tudi proizvodnimi problemi, ki se pojavijo pri načrtovanju

proizvodnega procesa (Vidal, Alberti et al. 2005), montaže izdelka, njegovega

vzdrževanja, vpliva na okolje itd. Čeprav je inženirskih vidikov, s katerih lahko konstrukter


12

izboljšuje izdelek, veliko, je njegova pozornost usmerjena v funkcijo izdelka, pri čemer so

oblika izdelka, izbira materiala in proizvodni proces izdelka enako pomembni pri

zagotavljanju funkcije. Značilnosti izdelka, kot so tolerance, tip oz. hrapavost površine in

material, iz katerega bo izdelek narejen, so posledica konstrukterskih odločitev. Pri

reševanju inženirskih dilem se konstrukterji zanašajo na lastno znanje in izkušnje, saj

obstoječa računalniško podprta orodja CAD (Computer Aided Design, angl.) še ne nudijo

dovolj podpore v smislu priporočil in smernic za konstruiranje.

Danes so CAD-orodja nepogrešljiv del procesa konstruiranja v razvoju izdelka in podpirajo

mnogo inženirskega dela pri 2D-risanju, 3D-modeliranju, virtualni sestavi komponent

izdelka, numeričnih analizah in simulacijah. Pomanjkljivosti se pojavijo, ko je potrebno

sprejeti odločitve v zvezi z različnimi vidiki razvoja izdelka. Proces odločanja je zelo

pomemben del konstruiranja, saj so sledeči koraki v procesu neposredno ali posredno

povezani s predhodnimi odločitvami in determinantami. Z drugimi besedami, proces je

sekvenca medsebojno odvisnih dogodkov, saj ena odločitev v zgodnji fazi konstruiranja

vpliva na vse naslednje dogodke in ne nazadnje na končno konstrukcijsko rešitev.

Konstrukterjev cilj v procesu razvoja izdelka je poiskati ravnovesje med mnogimi

različnimi specifikacijami funkcije, stroškov in zanesljivosti, pri čemer mora konstrukter

sklepati kompromise, ki omogočajo izpolnitev vedno širšega spektra zahtevanih lastnosti

izdelka. Sčasoma je prišlo do prepotrebne prenove procesa konstruiranja in vodenja

proizvodnje s ciljem skrajševanja porabljenega časa in drugih virov pri konstruiranju in

proizvodnji izdelka. Ob tem se je spremenil pogled na konstrukcijo izdelka kot tudi na

proces njegovega razvoja. Konvencionalni pristop, temelječ na upoštevanju prodaje

izdelka kot zadnje faze v procesu, ni več zadovoljiv, in je doživel preobrazbo v bolj

inovativnemu pristopu, kjer je upoštevana tudi faza uporabe izdelka in ne nazadnje tudi

faza po uporabni dobi izdelka, torej njegova odstranitev. Povečanje števila zaporednih

faz, ki so obravnavane v procesu, in zviševanje ravni kompleksnosti konstruiranja sta

pripeljali do neustreznosti strukture procesa razvoja izdelka, saj je imelo strogo

zaporedno izvajanje korakov razvoja izdelka predvsem dve večji pomanjkljivosti (Giudice,

La Rosa et al. 2006):

• povečanje razvojnih časov zaradi narave različnih funkcij (zaporedje določenih

operacij);

• omejene možnosti izpopolnjevanja izdelka zaradi slabih relacij med različnimi

funkcijami ter posledično zmanjšan in razdrobljen pretok podatkov.


13

Posledično so začeli nastajati novi metodični koncepti, ki omogočajo integrirano

obravnavo korakov razvoja izdelka. Integriran razvoj izdelka (ang. integrated product

development) omogoča izvajanje inženirskih korakov oz. nalog simultano ter v interakciji

z vsemi fazami procesa. Prednost take ureditve je, da so vsi koraki razvoja izdelka, od

načrtovanja do ovrednotenja rezultatov, združeni v en simultan proces, ki črpa

informacije iz enega, vsem dostopnega vira, upoštevajoč številne različne vidike, kot so

funkcionalnost, produktivnost, zanesljivost, kvaliteta in stroški. Iz slike 3.1 je razvidno, da

si koraki v procesu konstruiranja sicer zaporedno sledijo, vendar so ob tem jasno

prikazane povezave med posameznimi koraki, ki kažejo na interakcijo pri izvajanju

posameznih inženirskih nalog, kar je značilnost integriranega razvoja izdelka.

Podpora uspešnemu izvajanju integriranega razvoja izdelka so različni pristopi, ki so še

vedno predmet raziskav (Giudice, La Rosa et al. 2006), čeprav se v literaturi pojavljajo

predvsem trije:

simultani oz. sočasni inženiring (Concurrent Engineering, angl.)

konstruiranje za X (Design for X, angl.)

konstruiranje za dobo trajanja (Life Cycle Design, angl.)

Simultani inženiring je metodologija, ki temelji na sočasnem, torej simultanem izvajanju

nalog, kot je načrtovanje konstrukcije izdelka, proizvodne tehnologije in drugih opravil, ki

so del procesa razvoja izdelka. Cilj uporabe omenjene metodologije je zmanjšanje porabe

časa, ki je potreben za lansiranje novega produkta na trg. Širši namen sočasnega

inženiringa je povečati kakovost, zmanjšati stroške, skrajšati čas ciklov, povečati

fleksibilnost, dvigniti produktivnost in učinkovitost, ter ne nazadnje izboljšati splošni

družbeni vtis. Konstruiranje za X je metodologija, kjer X predstavlja primernost izdelka za

proizvodnjo, vzdrževanje, servis, okolje, trajnostni razvoj itd. Pri razvoju modela sistema

v okviru tega doktorskega dela smo za izgradnjo baze znanja uporabili principe metode

konstruiranje za okolje v sklopu matodologije konstruiranje za X, zato je več o

značilnostih omenjene metode zapisano v poglavju 4.


14

3.2 Proces odločanja v procesu razvoja izdelka

Proces razvoja izdelka je predvsem proces odločanja. Inženir mora izbrati primerna

orodja, ki jih bo apliciral v proces konstruiranja, pri čemer gre tako za strojno kot

programsko opremo. Determinirati mora ustrezno opremo za dejanski problem in, kar je

najpomembneje, sprejeti mora številne odločitve pri delu z izbranimi orodji, katerih cilj je

najti optimalno rešitev za dani problem. Človekovo vedenje oz. človekovo znanje je

ključno pri razvoju izdelka, saj je znanje odločilnega pomena v procesu odločanja.

»Experentia est optima rerum magistra.« (lat. izrek). Izkušnja je najboljši učitelj in

konstrukterjeva največja prednost. Mladi inženirji so v nezavidljivem položaju, saj na

začetku kariere izkušenj praktično nimajo ali pa je teh zelo malo. Možnost pridobitve

ekspertnega mnenja je zaželeno, saj strokovnjaki posedujejo znanje različnih

konstrukterskih aspektov ter lahko mnogo prispevajo k evalvaciji potencialnih

konstrukterskih rešitev (Slika 3.1). V malih in srednje velikih podjetjih (Small and

Medium-sized Enterprises, angl.) se prav tako pojavlja razpoka na področju znanja, saj

jim velikokrat ekonomske zmožnosti preprečujejo zaposlitev strokovnjakov različnih

področij. Omenjena opažanja vodijo k zaključku, da bi bila primerna računalniška podpora

v obliki nasvetov, priporočil ter smernic velikokrat potrebna v procesu konstruiranja, saj

bi lahko do neke mere nadomestila strokovnjake različnih področij, kar je razvidno iz slike

3.1.


15

Slika 3.1: Konvencionalni proces razvoja izdelka v primerjavi s procesom razvoja izdelka z inteligentnim sistemom

Proces konstruiranja se razlikuje od podjetja do podjetja, čeprav fundamentalne faze

procesa ostajajo iste. Pri napredovanju skozi faze načrtovanja, koncipiranja, snovanja in

razdelave mora konstrukter sprejeti številne odločitve, ki se poleg konstrukcije izdelka

nanašajo še na njegovo proizvodnjo, sestavo komponent, vzdrževanje in vpliv na okolje

(Slika 3.1). Proces konstruiranja izdelkov iz polimernih materialov je zelo različen od

konstruiranja izdelkov s konvencionalnimi materiali, kot so kovine in keramika, saj

plastika ponuja številne možnosti, ki se nemalokrat izkažejo kot boljše karakteristike za

znatno nižjo ceno materiala. Prednosti, ki so bile delno omenjene v poglavju o polimernih

materialih, kažejo na pomembnost ustrezne izbire materiala. Gre za eno od ključnih

odločitev v procesu konstruiranja, še posebej, ker je potrebno izbrati med več kot

120.000 polimernimi materiali, pri čemer se številka konstantno povečuje (Ashby and

Johnson 2002; Ashby 2011). Izbira materiala ima pomembno vlogo v procesu razvoja

izdelka, saj v veliki meri vpliva na razvoj tako s tehničnega kot z ekonomskega vidika.

Primer procesa integriranega razvoja novega izdelka je predstavljen na sliki 3.2, s katere

je razvidno, kako pomemben korak je preliminarna izbira materiala in možnost, da lahko

material spremenimo v različnih fazah razvoja izdelka.


16

Slika 3.2: Možne spremembe izbire materiala v procesu razvoja novega izdelka

Polimerni material se preliminarno izbere, upoštevajoč napetostne in trdnostne lastnosti,

tip izdelka (namen izdelka, izpostavljenost visokim temperaturam itd.), zahteve in želje

kupca/naročnika, modne trende, posebne omejitve (izdelek bo v stiku s hrano, z

otroškimi igračami itd.) in stroške materiala. Sledijo prve napetostne in trdnostne analize

ter simulacije litja. Spremembe materiala, tudi rigorozne, se na tej točki razvoja izdelka

velikokrat »zgodijo«, saj rezultati analiz in simulacij pokažejo na določena odstopanja ali

pomanjkljivosti preliminarno izbranega polimera. Diskusija o uporabi ojačitvenih vlaken se

odpre ob preučevanju rezultatov analiz. Naslednja pomembna inženirska odločitev, ki je

neposredno povezana z izbiro materiala, je izbira proizvodnega procesa za obravnavani

izdelek. Inženir mora upoštevati karakteristike izdelka, kot so tip izdelka, njegova velikost,

debelina sten, tolerance, hrapavost površine, velikost serije, ali bo imel izdelek veliko

detajlov in kakšne itn. V primeru, da želi proizvajalec izdelka v razvoju uporabiti točno

določeno proizvodno strojno opremo, in je znano, da bo serija velika, se je potrebno v

primeru, da se lahko izbrani material preoblikuje zgolj s proizvodnim postopkom, ki

omogoča majhne serije, odločiti za (ponovno) spremembo polimernega materiala.


17

Naslednja faza je konstrukcija orodja, ki ji sledi simulacija proizvodnega postopka. Glede

na pridobljene rezultate je potrebno prilagoditi parametre, kot so napetost, ojačitev z

vlakni ali toplotna odpornost, kar se lahko realizira z manjšo spremembo polimernega

materiala. Ponovne analize in simulacije ovrednotijo izbrano rešitev, inženir pa dobi

potrditev, da je izbrani material za bodoči izdelek ustrezen s tehničnega vidika. Zadnja

faza pred dokončno potrditvijo konstrukcije izdelka in s tem izbire materiala je evalvacija

stroškov celotnega spektra aktivnosti v izdelavi izdelka, od cene materiala, izdelave,

sestave komponent, transporta h kupcu, do morebitnih stroškov zaradi vpliva izdelka na

okolje. Sekvenca izvajanja korakov v procesu konstruiranja ni nujno zaporedna, saj se z

uvajanjem integriranega razvoja izdelka faze prekrivajo oz. se izvajajo simultano.

Možnost spremembe/prilagoditve polimernega materiala se pojavi večkrat v procesu

konstruiranja novega izdelka. V vsaki fazi mora inženir sprejeti odločitev, ki se s podporo

raznovrstnega konstrukterskega orodja izkaže kot najustreznejša, upoštevajoč vse

parametre, ki so včasih tudi kontradiktorni (Sancin, Dobravc et al. 2010). Z namenom

premagati oviro v procesu odločanja za najprimernejši polimerni material za določen

izdelek, ter z namenom narediti proces konstruiranja v fazi izbire materiala bolj neodvisen

od izkušenj, smo za namen doktorske disertacije razvili model sistema za podporo

odločanju pri izbiri polimernega materiala v procesu konstruiranja.

3.3 Potrebe gospodarstva po orodjih konstruiranja

James Watt je z izumom parnega stroja leta 1769 sprožil verižno reakcijo izumov, ki so

takratno družbo obogatili s tehničnimi sistemi in znatno spremenili življenje ljudi.

Industrijska revolucija je povzročila razmah masovne proizvodnje, kar je človeku olajšalo

delo, za posledico pa imelo povečano učinkovitost in ekonomske dobičke. Pričakovani

rezultat industrijske revolucije je bil tehnološki razvoj, katerega trend je danes v

eksponentnem naraščanju, enako pa se pričakuje tudi v prihodnosti.

Inženirji danes zaradi potrebe po hitrem razvoju izdelkov potrebujejo pomoč pri

konstruiranju, saj ad hoc rešitve ne zagotavljajo ustreznih rezultatov. Pri tem si lahko v

veliki meri pomagajo z orodji konstruiranja v obliki metodologij, kot konstruiranje za X,

katerih implementacija v gospodarstvu predstavlja kompleksen problem. Prof. dr. Julian

Booker je objavil znanstveni članek, v katerem je predstavil raziskavo na temo uvajanja

orodij konstruiranja v industrijo v Veliki Britaniji (Booker 2011). Splošno znano je, da je

implementacija orodij konstruiranja v zgodnjih fazah procesa konstruiranja novega


18

izdelka smiselna in prinaša konkurenčno prednost, ter je obenem ekonomsko upravičena.

Zato se vodstvo podjetja velikokrat odloča za uporabo orodij konstruiranja, pri čemer pa

naleti na mnoge težave, povezane z uvajanjem novih orodij. Podrobna raziskava se je

dotaknila mnogih vprašanj, ki so povezana z vključevanjem konstrukterskih orodij v

proces konstruiranja, med drugim, zakaj so sploh koristna, kdaj, kje in kako jih uporabiti,

kateri problemi se pojavljajo ob implementaciji itd. Rezultati so pokazali, da so orodja v

gospodarstvu potrebna in zaželena. Z vidika raziskave v okviru tega doktorskega dela pa

je pomemben sklep obravnavane raziskave (Booker 2011), ki ugotavlja deficit dobrih

orodij za »eco-design«, pri čemer je predvsem problematičen razkorak med razvijalci

orodij in uporabniki v smislu vključevanja orodij v proces razvoja izdelka, njegovo

evalvacijo in potencialnimi prednostmi. Iz tega sledi, da obstaja potreba po razvijanju

novih orodij konstruiranja za podporo inženirskemu delu na področju konstruiranja okolju

prijaznih izdelkov s težnjo k trajnostnemu razvoju. V okviru doktorske disertacije smo

skušali zapolniti to vrzel z razvojem orodja konstruiranja, in sicer v obliki modela sistema

za podporo odločanju pri izbiri polimernih materialov z upoštevanjem okoljskega vidika v

procesu razvoja izdelka.


19

4 KONSTRUIRANJE OKOLJU PRIJAZNIH IZDELKOV

Kvarni vpliv človeka na okolje ter izkoriščanje neobnovljivih virov kažeta na pomembnost

težnje k trajnostnemu razvoju (Allwood, Ashby et al. 2011). Izdelki za vsakodnevno

uporabo niso izdelani iz enega samega materiala, ampak iz tisočih različnih, ki puščajo na

okolju svoj pečat v vseh fazah dobe trajanja izdelka. Ko je izdelek že v proizvodni fazi, je

njegov vpliv na okolje bolj ali manj nespremenljiv, znan (Huang, Liu et al. 2009). Prav

zato je za razvoj trajnostnega izdelka zelo pomembno nenehno zasledovanje cilja skozi

celoten proces konstruiranja (Howarth and Hadfield 2006), pri čemer je razvoj okolju

prijaznega izdelka usmerjen v vse faze dobe trajanja izdelka:

ekstrakcija materiala

proizvodnja izdelka

transport izdelka

uporaba izdelka

faza po uporabni dobi izdelka

Konstruiranje za življenjsko dobo (Life Cycle Design, angl.) je celovit pristop h

konstruiranju, ki v vseh korakih konstruiranja, od zasnove do razdelave, upošteva celoten

cikel dobe trajanja izdelka (razvoj z izbiro materiala, proizvodnjo, transport, uporabo, fazo

po dobi trajanja izdelka), vključno z načrtovanjem podaljševanja življenjske dobe, kar se


20

lahko doseže s planiranjem vzdrževanja, popravila in nadgradnje izdelka. Pristop

konstruiranje za življenjsko dobo zasleduje tri glavne cilje:

razširitev vplivnega področja v procesu konstruiranja na celotno dobo trajanja

izdelka;

predpostavka, da so najuspešnejši posegi v izdelek tisti, ki so izvedeni v zgodnjih

fazah procesa konstruiranja;

simultanost izvajanja številnih analiz in sintez različnih vidikov konstruiranja.

Zasledovanje ciljev pristopa konstruiranje za življenjsko dobo je v zadnjem času stalnica

procesa konstruiranja v uspešnih podjetjih, saj je postalo upoštevanje okoljskega vidika

pri razvoju izdelka njegova tržna karakteristika. Lastnost izdelka, da je okolju prijazen,

dokazano pozitivno vpliva na kupce, saj ti pri nakupu, četudi ne gre za lastnost, ki bi bila

ključnega pomena, dobijo občutek, da z nakupom okolju prijaznega izdelka prispevajo k

trajnostnemu razvoju. Obenem je potrebno poudariti, da je »eco-design« postal pristop,

ki je za proizvajalca ekonomsko ugoden, če ne neposredno pri stroških razvoja in izdelave

izdelka, pa posredno pri pridobivanju različnih certifikatov, pri eksternih presojah,

prijavah na projekte itn.

Podjetja težijo k maksimalni kvaliteti izdelka, pri čemer se želijo kar najbolj približati

zadanim ciljem, med katere spada tudi načrtovanje izdelka z vidika ustreznosti oz. vpliva

izdelka na okolje. V ta namen se v velikem obsegu uporablja metoda za evalvacijo vpliva

izdelka na okolje (Life Cycle Assessment, angl.), pri čemer gre za evalvacijo okoljskega

vidika možnih konstrukterskih rešitev. Po definiciji je metoda evalvacije vpliva izdelka na

okolje (LCA) definirana kot postopek, s katerim je možno oceniti breme oz. vpliv na

okolje, ki nastane zaradi izdelka ter aktivnosti v povezavi z njegovim obstojem. Pri tem se

kvantitativno oceni poraba energije in materialov ter narava in količina odpadkov, ki se

ob tem sprosti v okolje. Rezultat metode je prepoznana faza življenjske dobe izdelka, ki

je z okoljskega vidika najbolj kritična, kar vodi v implementacijo ukrepov za zmanjšanje

kvarnega vpliva izdelka na okolje v dotični fazi (Westkämper, Alting et al. 2000).

Metoda evalvacije vpliva izdelka na okolje je zelo razširjena, pri čemer obstaja več med

seboj podobnih različic. Metoda je osnova mednarodnega standarda ISO 14040, ki je

obravnavan v poglavju 4.3. Zaradi že omenjenih prednosti, ki jih ima okolju prijazen

izdelek in posledično proizvajalec, je bilo razvitih mnogo programskih orodij, tudi spletnih

aplikacij za oceno vpliva izdelka na okolje, t. i. LCA računalniške podpore. Obstoječe


21

aplikacije kot SimaPRO, ECO-it, The Environmental Impact Estimator in GaBi so

programsko orodje, s katerim lahko podjetja ocenijo vpliv svojih izdelkov na okolje.

Inženirji lahko nato izboljšajo izdelek z upoštevanjem splošnih priporočil za konstruiranje

okolju prijaznih izdelkov oz. priporočil za t. i. eco-design (Tabela 4.1).

Tabela 4.1: Splošna priporočila za konstruiranje okolju prijaznih izdelkov

Cilji konstruiranja okolju prijaznih izdelkov Priporočila za »eco‐design«

Konstruiranje celotne dobe trajanja, ne le izdelka Upoštevati vpliv izdelka na okolje v celotni dobi trajanja

Naravni materiali niso nujno tudi boljši Okolju prijazni materiali ne obstajajo, obstajajo pa okolju prijazni izdelki in storitve

Poraba energije: velikokrat podcenjena Ne osredotočajte se samo na izbiro materiala, ampak na celotno dobo trajanja

Podaljšanje dobe trajanja izdelka Konstruirajte izdelek, da bo zdržal dlje in ga bo možno nadgraditi

Konstruiranje servisa, ne le izdelka Konstruiranje servisa je lahko najboljša rešitev problema

Uporaba minimalne količine materiala Minimiziranje funkcije (npr. volumna) je lahko uspešnejše kot minimiziranje mase

Uporaba recikliranih materialov Možnost recikliranja izdelka se lahko nadgradi z uporabo recikliranih materialov za izdelek

Možnost recikliranja izdelka Konstruiranje za demontažo

Razmišljanje o prihodnosti Upoštevanje trenutnih okoljskih predpisov ter upoštevanje predvidenih sprememb v prihodnjih konstrukcijah

4.1 Metodologija konstruiranje za X

Konstrukterji se soočajo z mnogimi dilemami v različnih fazah konstruiranja ter z različnih

vidikov razvoja izdelka. Izbira materiala je ena izmed ključnih odločitev, povezana z več

konstrukterskimi in proizvodnimi problemi, ki se pojavijo tako zaradi osnovnih zahtev, kot

je način uporabe izdelka, ali pa zaradi specifičnih vplivnih faktorjev, kot so priporočila

dobavitelja materiala. Inženir mora načrtovati proizvodni proces, sestavo oz. montažo

izdelka ali polizdelka, ter oceniti stopnjo vpliva izdelka na okolje, na čemer je zaradi

globalnega onesnaženja v zadnjih letih vedno večji poudarek. Konstruiranje za X (Design

for X, angl.) je metodologija, kjer X predstavlja primernost izdelka za proizvodnjo,

vzdrževanje, servis, okolje, trajnostni razvoj itd. George Q. Huang je v znanstveni


22

monografiji Design for X (Huang 1996), ki je izšla leta 1996 v njegovem uredništvu in jo

imamo za eno prvih obširnih del o tej metodologiji, objavil uvodni članek, v katerem je

predstavil metodologijo kot eno od najučinkovitejših orodij konstruiranja. Uporaba

metodologije konstruiranje za X je zelo zanimiva za področje konstruiranja izdelkov iz

plastike, saj omogoča optimiranje izdelka na več kot enem področju dobe trajanja izdelka

(Kuo, Huang et al. 2001). Tako se lahko inženir osredotoči na najbolj pomembna

področja znotraj dobe trajanja izdelka, kar se rezultira kot ustrezna konstrukcijska rešitev.

Uporaba konstruiranja za X je torej smotrna, saj predstavlja enega prvih korakov v

procesu, katerega cilj je optimalna konstrukcija izdelka. Trenutno konstrukterji niso

deležni podpore komercialnega računalniškega programskega orodja, saj ne obstaja

orodje, ki bi konstrukterju z nasveti in priporočili pomagalo slediti kateremukoli vidiku

metodologije konstruiranje za X.

V sklopu doktorskega dela smo se omejili na konstruiranje polimernih materialov,

natančneje, na proces izbire polimernega materiala znotraj procesa konstruiranja, zato

smo integrirali principe metodologije konstruiranja za okolje kot enega izmed pomembnih

konstrukterskih vidikov v bazo znanja modela sistema za podporo odločanju pri izbiri

polimernih materialov.

4.2 Konstruiranje za okolje

Človek s svojimi aktivnostmi povzroča neravnovesje v naravi, z njegovim vplivom na

okolje pa se je ukvarjal že Leonardo da Vinci, ki je zagovarjal teženje k ekvilibriumu in

prenosu naravnih zakonitosti ekosistema v inženirsko prakso. V svojem opusu je oblikoval

prve smernice za »eco-design« ter pozval inženirje k okolju prijaznemu konstruiranju, ki

je temelj trajnostnega razvoja (Thompson 1999).

Za uspešno konstruiranje s poudarkom na varovanju okolja, t. i. eco-design, je potrebna

analiza vseh petih faz dobe trajanja izdelka: ekstrakcije materiala, proizvodnje,

transporta, uporabe in uničenja. Rezultati metode LCA nakažejo kritične faze, kjer je

potrebna sprememba konstrukcije s ciljem, minimirati kvarni vpliv izdelka na okolje.

Inženirji si pri potrebnih spremembah in izboljšavah izdelka, kot tudi pri konstruiranju

novih okolju prijaznih izdelkov, pomagajo z implementacijo principov metode

konstruiranje za okolje, ki je del metodologije konstruiranje za X. Ob tem naj omenimo,

da izvedba LCA evalvacije ni predpogoj za uporabe metode konstruiranje za okolje, kljub


23

temu pa je zelo koristno inženirsko orodje za identificiranje najbolj kritične faze v dobi

trajanja izdelka. LCA se navadno uporablja za že izdelane konstrukcije izdelka, saj z

uporabo LCA ocenimo alternativne rešitve.

Z vplivom izdelkov ter njihovih konstrukcij v različnih fazah dobe trajanja se ukvarjajo

številni znanstveniki. Večinoma se osredotočajo na proces izbire materiala v okviru

razvoja izdelka, saj je ta povezan s prvo fazo dobe trajanja izdelka, torej z ekstrakcijo

materiala (Chen, Navin-Chandra et al. 1994; Wegst 1998; Giudice, La Rosa et al. 2005;

Ljungberg 2007). Velik poudarek je tudi na proizvodnji izdelka (Zhang, Kuo et al. 1997;

Gungor and Gupta 1999; Cooper 2004; Ilgin and Gupta 2010) ter na fazi po uporabni

dobi (Gungor and Gupta 1999; Ilgin and Gupta 2010).

V doktorski disertaciji smo se pri izdelavi modela sistema za podporo odločanju pri izbiri

polimernih materialov z upoštevanjem okoljskega vidika omejili na proces izbire materiala

znotraj procesa konstruiranja, saj pregled literature jasno kaže na pomembnost izbora

materiala, ki je ključen za ostale aktivnosti procesa konstruiranja, ki izbiri materiala

sledijo. Dodatna omejitev na upoštevanje okoljskih parametrov le v fazi ekstrakcije

materiala je nujna zaradi prevelikega obsega količine podatkov, ki bi bili za izdelavo

celovitega modela potrebni. Vsekakor pa razumemo celovito podporo modela sistema v

vseh fazah dobe trajanja izdelka na področju konstruiranja za okolje kot enega izmed

izzivov za nadaljnje delo. Na sliki 4.1 je shematski prikaz vloge sistema za podporo

odločanju v procesu konstruiranja okolju prijaznih izdelkov. Shema predvideva

upoštevanje vpliva na okolje v vseh fazah dobe trajanja izdelka.


24

Slika 4.1: Vloga sistema za podporo odločanju v procesu konstruiranja okolju prijaznih izdelkov

Metoda konstruiranje za okolje vpliv izdelka na okolje definira s t. i. okoljskimi parametri

(Giudice, La Rosa et al. 2006; Ashby 2009):

energija, porabljena za izdelavo materiala (embodied energy [MJ/kg] , angl.);

emisije okolju škodljivih plinov (gas emissions [kg/kg] , angl.):

• predvsem CO2,

• pa tudi NO2 in

• SO2;

poraba vode za izdelavo materiala (water consumption [l/kg] , angl.);

frakcija recikliranja (recycle fraction [%], angl.);

toksičnost materiala in življenju nevarni odpadki, ki nastanejo v dobi trajanja.

Okoljski parametri vplivajo na naravo izdelka v odnosu do okolja, zato so neposredno

(npr. poraba energije za izdelavo materiala) ali posredno (npr. minimiranje mase izdelka)

vključeni v smernice oz. priporočila za konstruiranje po metodi konstruiranje za okolje, ki

so zbrani v tabeli 4.2, ter so bili uporabljeni pri izgradnji modela sistema za podporo

odločanju pri izbiri polimernih materialov.


25

Tabela 4.2: Smernice za konstruiranje po metodi konstruiranje za okolje

Smernice po metodi konstruiranje za okolje Cilji priporočila

Izogibanje uporabi materialov z veliko porabo energije zmanjšati porabo energije med postopkom ekstrakcije materiala

Minimiziranje uporabe materialov z visoko vrednostjo nevarnih emisij kot so CO2, SO2, NO2, CO itd.

zmanjšanje izpustov nevarnih emisij

Izogibanja ali minimiziranje uporabe nevarnih, toksičnih ali kako drugače okolju neprijaznih materialov

zmanjšanje uporabe okolju neprijaznih in nevarnih materialov

Uporaba materialov, ki so obnovljivi, jih je možno reciklirati ali pa so reciklirani

uporaba materialov, ki čim manj negativno vplivajo na okolje

Konstruiranje za zmanjšanje mase izdelka zmanjševanje porabe neobnovljivih virov

Težnja k boljši konstrukciji, ne k predimenzioniranju zmanjševanje uporabe neobnovljivih virov

Konstruiranje za minimalno količino odpadkov zmanjševanje odpadkov pri proizvodnji materiala

Zmanjševanje števila uporabljenih materialov v enem izdelku

povečanje možnosti recikliranja in olajšanje procesa sortiranja izdelkov po uporabni dobi

Minimiziranje uporabe materialov, katerih proces ekstrakcije zahteva veliko porabo vode

zmanjšanje porabe vode pri ekstrakciji materialov


26

4.3 Smernice za konstruiranje izdelkov z upoštevanjem okoljskega

vidika po ISO/TR 14062

Metoda evalvacije vpliva izdelkov na okolje v vseh fazah dobe trajanja (LCA) je bila

osnova za izdelavo serije mednarodnih standardov ISO 14040, začenši s prvim že v

poznih devetdesetih letih, in s tem standardizirala pristop h konstruiranju z namenom

ohranitve okolja, s ciljem, narediti korak naprej k trajnostnemu razvoju (Tabela 4.3).

Serija ISO standardov obsega:

Tabela 4.3: Mednarodni standardi ISO in tehnična poročila ISO/TR

Mednarodni standardi ISO in tehnična poročila ISO/TR

standard/tehnično poročilo vsebina

ISO 14040 LCA: osnovni principi in okvirji

ISO 14041 LCA: cilji, področje delovanja in popis

ISO 14042 LCA: ocena po LCA

ISO 14043 LCA: interpretacija faz v dobi trajanja

ISO/TR 14047 LCA: primeri aplikacij ISO 14042

ISO/TS 14048 LCA: dokumentacija

ISO/TR 14049 LCA: primeri aplikacij ISO 14041

ISO/TR 14062 LCA: integracija okoljskih vidikov v proces konstruiranja in razvoj izdelka

ISO/TR 14062 je tehnično poročilo znotraj serije standardov ISO 14040, ki navaja

pristope h konstruiranju, katerih namen je strateško zasledovanje ciljev v povezavi z

ohranitvijo okolja, in posledično prispevanje k trajnostnemu razvoju tudi v praksi

(Lewandowska and Kurczewski 2010). V tabeli 4.4 so navedene smernice ISO/TR 14062

(International Organization for Standardization 2002), ki so uporabljene tudi v modelu

sistema za podporo odločanju pri izbiri polimernih materialov z upoštevanjem okoljskega

vidika.


27

Tabela 4.4: Smernice za konstruiranje po ISO/TR 14062

Strateški cilji Smernice za konstruiranje po ISO/TR 14062

Izboljšati učinkovitost materiala

uporaba minimalne količine materiala

uporaba materialov z majhnim negativnim vplivom na okolje

uporaba materialov obnovljivih virov, ponovna uporaba materialov

Izboljšati energetsko učinkovitost

upoštevati porabo energije v celotni dobi trajanja izdelka

zmanjšati negativni vpliv na okolje z zmanjšanjem porabe energije

uporaba energetskih virov, ki imajo majhen negativni vpliv na okolje

uporaba energije, ki jo pridobivamo iz obnovljivih virov

Prizanesljiva raba naravnih virov in okolice preveriti, če sta infrastruktura in uporabljen

material resnično koristna za izdelek

Konstruiranje za čistejšo proizvodnjo in uporabo

uporaba čistejših proizvodnih tehnologij

izogibanje uporabi nevarnih materialov

uporaba celovitega sistema, da se izognemo upoštevanju le enega okoljskega kriterija

Konstruiranje trpežnih izdelkov

zagotoviti dolgoročno uporabo izdelka, možnost servisa in vzdrževanja

upoštevati napredek novih tehnologij na področju varovanja okolja

Konstruiranje za optimizacijo funkcije

preučiti možnosti za multi‐funkcionalnost izdelka, modularnost ter avtomatizacijo nadzora in optimizacije

primerjava vpliva izdelka na okolje s tistimi izdelki, ki so prirejeni specifični uporabi

V poglavju 4 smo obravnavali različne pristope h konstruiranju okolju prijaznih izdelkov. V

modelu sistema za podporo odločanju pri konstruiranju izdelkov iz polimernih materialov

z upoštevanjem okoljskega vidika smo v bazi znanja zajeli:

splošne smernice za »eco-design«,

smernice za konstruiranje izdelkov po metodi konstruiranje za okolje,

priporočila za konstruiranje izdelkov po mednarodnem standardu ISO/TR 14062.


28

V bazi znanja modela sistema so zajete smernice in priporočila vseh treh področij, pri

čemer je potrebno poudariti, da se smernice nanašajo na enaka problemska področja in

so si zato v veliki meri podobne, tudi enake, kar je razvidno iz tabel 4.1, 4.2 in 4.4. V

logiko modela sistema smo tako integrirali presek priporočil omenjenih treh področij, ob

tem pa smo pri izpisu rezultatov uporabniku omogočili možnost ogleda vseh smernic po

posameznem sklopu.


29

5 METODE IZBIRE MATERIALA

V času modernega inženirstva se material in proizvodni/preoblikovalni proces razvijata in

spreminjata med procesom konstruiranja simultano s formo razvijajočega se izdelka. Med

procesom se konstrukcija izdelka razvija iz preliminarnih skic ter se nenehno in detajlno

izpopolnjuje na področjih forme, materiala ter proizvodnih tehnik. Zavedajoč se tega

dejstva, konstrukter zbira in sestavlja vse informacije, ki so na voljo, tudi tako, da

preučuje podobne naprave konkurenčnih proizvajalcev, saj lahko na ta način enostavneje

določi zahteve, ki jih morajo izpolnjevati material, proizvodni postopek, sestava

komponent in vzdrževanje izdelka. Ullman v svojem članku navaja, da imajo tovrstne

informacije zelo velik vpliv na fazo snovanja, in sicer na naslednjih področjih (Ullman

2003):

• predvidena velikost serije zelo vpliva na izbiro preoblikovalnega/proizvodnega

procesa, saj pri majhnih serijah nekateri preoblikovalni procesi, kot injekcijsko

brizganje oz. vbrizgovalno oblikovanje, niso ekonomični;

• izkušnje iz prejšnjih projektov lahko vodijo k eksploataciji preteklih uspešnih

konstrukterskih rešitev, obenem pa lahko zavirajo razvoj, saj so lahko ustreznejši

novi materiali in preoblikovalni procesi ob tem prezrti;


30

• znanje in izkušnje so ključni atribut pri razvoju in izdelavi vrhunskih izdelkov,

njihovo pomanjkanje pa lahko vodi v popolnoma nasprotno smer. Če jim

ekonomski status to dopušča, je najem strokovnjaka s področja izbire materiala

in/ali proizvodnega procesa stalna praksa SMEs', ki na tak način plemenitijo

znanje svojega inženirskega kadra;

• dostopnost materiala je prav tako izrednega pomena pri izbiri polimernega

materiala, saj nekateri cenejši, na tržišču vedno dostopni materiali ne

zagotavljajo določenih specifičnih karakteristik, ki bi bile morebiti zahtevane za

določen izdelek.

5.1 Metode in pristopi k izbiri materiala

V evoluciji človeka je imelo pridobivanje in obdelovanje kot tudi uporaba materiala

pomembno mesto. S pridobivanjem vedno novih materialov in s tem povezanih znanj o

njihovi obdelavi so se začele pojavljati tudi dileme, kakšen oz. kateri material uporabiti za

določen izdelek. S povečevanjem števila materialov se je povečala tudi pomembnost

raziskovanega področja, ki je postalo preobsežno in ga en sam človek že dolgo ne more

več obvladovati. Izbira materiala je postala zahtevna inženirska naloga, pri kateri je

potrebno upoštevati številne faktorje, ki zajemajo (Jahan, Ismail et al. 2010):

a) mehanske lastnosti materiala (modul elastičnosti, trdnost, natezna trdnost,

elastičnost, utrujenost in lezenje materiala, duktilnost, trdota in žilavost)

b) fizikalne lastnosti materiala (kristalna struktura, gostota, tališče, parni tlak,

viskoznost, poroznost, permeabilnost oz. propustnost, odbojnost,

transparentnost, optične lastnosti, stabilnost dimenzij)

c) magnetne lastnosti materiala

d) električne lastnosti materiala (upornost, dielektrična konstanta, dielektrična

trdnost)

e) termične in sevalne lastnosti materiala (specifična toplota, prevodnost,

ekspanzivnost, difuzivnost, transmisivnost, reflektivnost, emisivnost)

f) površino materiala (tekstura materiala, korozivnost, odpornost na obrabo)

g) proizvodne lastnosti materiala (primernost za preoblikovanje in obdelavo,

primernost za varjenje, primernost za litje, toplotna obdelava)

h) stroške materiala

i) zanesljivost materiala


31

j) vzdržljivost materiala

k) primernost za reciklažo

l) vpliv materiala na okolje

m) karakteristike obnašanja materiala

n) dostopnost materiala

o) modo

p) trende

q) kulturne posebnosti

r) itd.

Ob zgoraj naštetih kriterijih pa se je potrebno posvetiti tudi vtisu, ki ga izdelek oz.

material naredi na človeka, potencialnega kupca, uporabnika. Upoštevati je primerno

videz materiala, vtis, ki ga naredi na uporabnika in emocije, ki jih uporabnik doživlja ob

pogledu na material oz. ob njegovi uporabi (Ashby and Johnson 2002; Budinski and

Budinski 2010), pri čemer postane izbira materiala še bolj kompleksen proces.

Pri pregledu literature in opazovanju inženirske prakse je možno ugotoviti, da lahko vsak

pristop k izbiri materiala prepoznamo kot enega izmed Ashbyjevih selektivnih pristopov

(Ashby and Johnson 2002), ter da inženirji uporabljajo t. i. seznam zahtevanih in želenih

lastnosti materiala, ki ga izbirajo za določen izdelek.

5.1.1 Selektivni pristop k izbiri materiala

Konstrukterski pristop k izbiri najustreznejšega materiala za določen izdelek ni vedno

enak, saj je izbira materiala kompleksna naloga in signifikantna stopnja procesa

konstruiranja, katere izvajanje variira od podjetja do podjetja skladno s kadrovskimi in

ekonomskimi zmožnostmi podjetja. V literaturi glede na način oz. strategijo, kako priti do

rezultata, ki predstavlja najprimernejši material za določen izdelek, večinoma zasledimo

razdelitev na štiri selektivne pristope. Ashby in sodelavci (Ashby and Johnson 2002) jih

poimenujejo selekcija z analizo, selekcija s sintezo, selekcija s podobnostjo ter selekcija z

inspiracijo. Vsi pristopi zahtevajo vhodne podatke (input, angl.) v obliki konstrukterskih

zahtev, specifičnih za vsako posamezno metodo. Selekcija z analizo je najbolj

sistematična in obenem robustna metoda, kjer input predstavljajo cilji, funkcije in

omejitve, ki so natančno definirane in nedvoumne. Pomanjkljivost pristopa izvira prav iz

njene značilnosti (definiranost, nedvoumnost), saj pristop ni uporaben v primeru netočnih

vhodnih podatkov ali nenatančno formuliranih pravil. Pretekle izkušnje in analogija so


32

ključni faktorji pristopa selekcija s sintezo, pri kateri so konstrukterske zahteve v obliki

namenov, lastnosti in percepcij. Pristop se uporablja v primerih, ko se lahko znanje,

pridobljeno v predhodnih projektih, eksploatira in prenese na drug izdelek z enakimi

lastnostmi. Selekcija s podobnostjo je selektiven pristop, kjer je input že znan material ali

potencialna izbira materiala. Namen tega pristopa je poiskati nadomestni material za

obstoječi izdelek, kar je navadno posledica spremembe konstrukterskih zahtev,

povzročenih npr. s spremembo okoljske zakonodaje. Najmanj uniformen pristop je

selekcija z inspiracijo, kjer je input čista človeška radovednost, pri čemer je

konstrukterjeva naloga na sistematičen način preučiti in analizirati druge, že obstoječe

rešitve za specifično značilnost izdelka. Omenjeni pristop se navadno uporablja v primeru

odpovedi vseh predhodno opisanih pristopov. Vse štiri selektivne pristope se lahko

uporablja ali ločeno ali v kombinaciji, pri čemer se izkorišča najkoristnejše lastnosti

vsakega pristopa, to pa se običajno izkaže kot najučinkovitejša pot do rešitve. Omenjeni

pristopi in njih variacije so implementirani v številne primere inženirske prakse.

5.1.2 Seznam zahtevanih in želenih lastnosti v inženirski praksi

Pristop z generiranjem seznama zahtevanih in želenih lastnosti materiala lahko v večini

primerov okarakteriziramo kot selekcijo z analizo, čeprav se aplicira tudi kot selekcija s

sintezo ter selekcija s podobnostjo. Značilnost metode je primerjava dveh seznamov, prvi

vsebuje spisek lastnosti, ki jih izdelek mora imeti, drugi pa spisek želenih lastnosti za isto

aplikacijo. Zahtevane in želene lastnosti se nato primerjajo z lastnostmi na trgu dostopnih

materialov. V praksi se inženirji posvečajo preučevanju štirih osnovnih skupin lastnosti

materialov:

• fizikalne lastnosti (specifična toplota, koeficient toplotnega raztezka, toplotna

prevodnost itd.),

• kemijske lastnosti (zgradba, aditivi, ojačitvena vlakna, sposobnost gorenja),

• mehanske lastnosti (natezne in tlačne lastnosti, temperaturni odklon, žilavost),

• dimenzijske lastnosti v povezavi s proizvodnimi razmerami (tolerance v

proizvodnem procesu, stabilnost procesa, možnost litja, tekstura površine).

Budinski s sodelavcem (Budinski and Budinski 2010) v znanstveni monografiji opiše tudi

pomembnost idiosinkrazije na primeru polimernih materialov, kar ilustrira s študijo vsake

od štirih skupin lastnosti materiala. Fizikalne lastnosti so materialne karakteristike, ki se

nanašajo na interakcijo materialov z različnimi oblikami energije in človeških zaznav. V


33

splošnem so fizikalne lastnosti merljive z neporušnimi metodami. Gostota je fizikalna

lastnost, determinirana s tehtanjem ali merjenjem volumna izdelka. Fizikalne lastnosti kot

sta občutenje in barva je še laže determinirati, saj jih kupec oceni le s pogledom na

izdelek. Kljub temu ne gre za marginalne materialne lastnosti, njihova pomembnost pa

narašča v današnji potrošniški družbi. Konstrukter mora upoštevati, da daje polimer

drugačen občutek kot kovina, ter da je rumena v primerjavi z rjavo vesela barva.

Kemijske lastnosti so povezane s strukturo polimernega materiala, z razporeditvijo

elementov, iz katerih je material sestavljen, ter z reakcijami kemijskih snovi v okolju. Teh

lastnosti ni mogoče vizualno preveriti, vendar so merljive v kemijskem laboratoriju.

Mehanske lastnosti so značilnosti materiala, ki so opazne, ko je material izpostavljen

različnim obremenitvam. Gre za obnašanje polimera v elastičnem oz. plastičnem

območju, pogosto pa so meritve izvedene s porušnimi metodami. Izraz mehanske

lastnosti se uporablja zaradi ustreznosti materiala za uporabo v mehanskih aplikacijah –

izdelki, ki prenašajo določeno breme, absorbirajo trke, so odporni na obrabo itd.

Dimenzijske lastnosti vključujejo tudi proizvodne tolerance in dimenzije, ki so posredno ali

neposredno povezane s postopkom litja. V to kategorijo spadajo tudi tekstura površine in

njena hrapavost, ki je merljiv parameter in izrednega pomena za mnoge aplikacije.

Velikost, oblika, finalna obdelava in tolerance so prav tako pomembni faktorji izbire

polimernega materiala.

Aplikacija seznama zahtevanih in želenih lastnosti je skoraj vedno prisotna v procesu

izbire materiala. Seznam zahtevanih lastnosti materiala je navadno natančno definiran,

seznam želenih lastnosti pa je lahko v določeni meri tudi nedorečen, saj se nekatere

želene lastnosti materiala izoblikujejo med procesom konstruiranja izdelka.


34

5.2 Koraki v procesu izbire materiala

Z razvojem vedno novih materialov je postala izbira najustreznejšega materiala celovita

faza procesa konstruiranja, kasneje pa samostojen proces. Pri pregledu literature je bilo

po vsebinski plati opaziti veliko podobnost zaporednih korakov v procesu izbire materiala,

ki pa so, različno glede na avtorja, razporejeni v tri do pet korakov.

Že konec osemdesetih je Chiner (Chiner 1988) predstavil svoj pogled na proces izbire

materiala z razdelitvijo na pet korakov, in sicer:

1. definicija konstrukcije,

2. analiza lastnosti materiala,

3. predstavitev ustreznih kandidatov,

4. evalvacija in izbira optimalnega kandidata,

5. verifikacija izbora.

V zadnjih desetih letih je mnogo avtorjev preučevalo proces izbire materiala, med njimi

tudi van Kesterenova s sodelavci (Van Kesteren, Kandachar et al. 2007), ki so naloge,

povezane z izbiro materiala, razdelili na:

1. oblikovanje materialnih kriterijev (določitev ciljev in omejitev);

2. priprava izbora kandidatov, v tem primeru materialov (ugotavljanje ustreznosti

materialov za določen izdelek, omejitev na primerne družine materialov ter

preučevanje predvsem tehničnih materialnih karakteristik);

3. primerjava materialnih karakteristik kandidatov s primarno določenimi lastnostmi

izdelka in primerjava kandidatov/materialov med seboj;

4. izbira najprimernejšega materiala, ki odstopa od ostalih v zadovoljevanju

primarno določenih materialnih kriterijev in lastnosti izdelka.

Farag (Farag 2007) je naloge v procesu izbire materiala razporedil v tri faze, ki sovpadajo

s tremi fazami konstruiranja:

1. začetna selekcija (zahteve o obnašanju materiala inženir definira z določitvijo

ključnih zahtev vsakega dela izdelka, s čimer zoži izbor na podlagi rigidnih

kriterijev);

2. primerjava z alternativnimi rešitvami (nadaljnje zmanjševanje množice

potencialnih kandidatov na majhno število le-teh z dodatnimi kriteriji, ki jih avtor

imenuje »mehke« materialne zahteve);


35

3. izbira optimalne rešitve (implementacija optimalnih materialov in pripadajočih

tehnoloških procesov v različne zasnove izdelka; primerjava alternativnih

kombinacij z upoštevanjem ekonomskega faktorja; izbira optimalne kombinacije

konstrukcija − material − proizvodni proces).

Eden najprepoznavnejših raziskovalcev na področju izbire materiala, prof. dr. M. F.

Ashby, v svojem delu predlaga štiri korake v procesu izbire materiala s pristopom

selekcije z analizo (Ashby 2011):

1. translacija konstrukterskih zahtev o delovanju izdelka v lastnosti materiala;

2. eliminacija neustreznih kandidatov;

3. ovrednotenje preostalih materialov, razvrščanje ter izbira optimalnega;

4. preučitev dokumentacije materiala in primerov dobre/slabe prakse.

Pri uporabi pristopa selekcija s sintezo ali selekcija s podobnostjo se prav tako lahko

izvedejo vsi štirje koraki, seveda z določenimi modifikacijami, ki so navadno odvisne od

narave vhodnih podatkov (input, angl.) v obliki konstrukterskih zahtev.

Translacija konstrukterskih zahtev

Izdelki lahko imajo eno ali več osnovnih funkcij (odpornost na obremenitve, visok tlak

itd.), katerih konstrukterske zahteve so specificirane kot želene lastnosti izdelka, zato jih

je potrebno transformirati v funkcije, omejitve, cilje in proste spremenljivke, ki

determinirajo robne pogoje za izbiro materiala.

Funkcija: Kakšna je »naloga« izdelka?

Omejitve: Kateri pogoji morajo biti izpolnjeni? (Gre za bistvene pogoje, ki

morajo biti izpolnjeni in so navadno izraženi kot zgornja oz.

spodnja meja določene materialne lastnosti.)

Želeni cilji: Kaj mora biti minimizirano ali maksimizirano? (Gre za ekstremno

kvantitativno vrednost, ki jo iščemo, pri čemer gre pogosto za

minimaliziranje stroškov, mase ali za vpliv na okolje.)

Proste spr.: Katere parametre lahko konstrukter prosto spreminja z namenom

optimizacije ciljev?


36

Eliminacija neustreznih kandidatov/materialov s postavljanjem omejitev

Eliminacija kandidatov, ki ne morejo zadostiti konstrukterskim zahtevam z več vidikov ali

pa le eden od atributov leži izven meja omejitev, ki jih konstrukter definira (več v

podpoglavju 5.2.1).

Ovrednotenje preostalih kandidatov/materialov, razvrščanje ter izbira

optimalnega

Cilje lahko okarakteriziramo tudi kot kriterije odličnosti, ki močno vplivajo na delovanje

izdelka. Delovanje je lahko omejeno le z eno materialno lastnostjo ali s kombinacijo več

lastnosti. Lastnost ali skupino lastnosti, ki maksimira obnašanje izbrane konstrukcije,

imenujemo materialni indeksi (več v podpoglavju 5.2.2).

Preučitev dokumentacije materiala in primerov dobre/slabe prakse

Raziskava in študij zgodovine obnašanja materialov iz družine materialov, v katero se

uvršča kandidat za najustreznejši material. Raziskava značilnosti konstruiranja s

kandidati, pri čemer je potrebno podrobno preučiti tudi primere dobre/slabe prakse.

Za potek procesa izbire materiala je, kot lahko sklepamo po pregledu znanstvene

literature, značilna analognost. Poimenovanju in razdelitvi faz procesa izbire navkljub je

vrstni red nalog, ki jih mora izvesti konstrukter pri izbiri materiala, enak. Ugotovitev je

bila kasneje potrjena tudi v preglednem znanstvenim članku (Jahan, Ismail et al. 2010), v

katerem avtorji hkrati ugotavljajo, da sta ključni fazi izbire materiala faza širšega izbora

materialov, v kateri se eliminira neustrezne kandidate na podlagi omejitev, in faza ožjega

izbora, v kateri se kandidate razvrsti od najustreznejšega do najneustreznejšega glede na

uspešnost približevanja zastavljenim ciljem.


37

5.2.1 Eliminacija neustreznih materialov

Obstajajo številni načini izvedbe druge faze izbire materiala, katere cilj je zmanjšati

število potencialnih rešitev (izbranih materialov). Na sliki 5.1 so prikazane najpogosteje

uporabljane metode za eliminacijo neustreznih kandidatov, ki so predstavljene v

nadaljevanju tega podpoglavja. Temno zeleno označene metode so vplivale na razvoj

metode, ki smo jo razvili za model sistema za podporo odločanju pri izbiri polimernih

materialov.

Metode za eliminacijo neustreznih kandidatov lahko glede na pristop k problemu

razdelimo na:

vprašalnik,

strošek/enoto kot lastnost,

diagram materialnih lastnosti oz. Ashbyjev diagram,

orodja za podporo pri izbiri materiala,

računalniško podprti sistemi in metode umetne inteligence.

Slika 5.1: Metode za eliminacijo neustreznih materialov (povzeto po (Jahan, Ismail et al. 2010))

metode eliminacije neustreznih

kandidatov/materialov

vprašalnik

strošek/enoto

diagram materialnih lastnosti

(Ashbyjev diagram)

orodja za podporo pri izbiri

umetna inteligenca

računalniško podprti sistemi

(CAD)

z znanjem podprti sistemi

(Knowledge-based systems)

sistemi, ki temeljijo na rešenih primerih

(Case-based reasoning)

nevronske mreže

(Neural Networks)


38

5.2.1.1 Vprašalnik

Metoda, ki predvideva eliminacijo neustreznih kandidatov na podlagi vprašalnika, je ena

najstarejših in domala najpogosteje predlaganih metod, ki so jo preučevali ter skušali

izboljšati mnogi znanstveniki. Eden prvih je Farag, ki je leta 1979 predstavil svojo metodo

začetnega izločanja kandidatov, katere osnova je klasifikacija zahtev na podlagi želenega

delovanja izdelka (Farag 1979). Gre za preprosto razdelitev na:

rigidne oz. »gre/ne gre« zahteve

mehke oz. relativne zahteve

Rigidne zahteve so definirane kot tiste, ki jih material mora izpolnjevati, saj se v

nasprotnem primeru izloči kot neprimeren. S takšnim začetnim izločevanjem se eliminira

določene družine materialov, ki ne izpolnjujejo rigidnih zahtev in so zato neprimerne za

bodoči izdelek. V nekaterih primerih eliminacija ene družine materialov pomeni takojšnjo

eliminacijo določenih proizvodnih postopkov, ki so neposredno odvisni od obdelovanega

materiala. Med mehke zahteve pa se prištevajo tiste, katerih definiranost ni več tako

natančna, izključevalna in se lahko označijo kot kompromisne rešitve. Mehanske lastnosti

materiala, specifična teža ali stroški materiala so mehke zahteve, ki jih lahko primerjamo

glede na njihovo relativno pomembnost, ki pa je odvisna od obravnavane aplikacije.

Podporo inženirjem pred in med procesom izbire materiala je v obliki niza bistvenih

vprašanj predlagal Edwards. Cilj metode je izboljšati možnosti za optimalno

konstrukcijsko rešitev. Primeri spodaj so le del predlaganega niza ter so v dobršni meri

povezani tudi z vplivom potencialno izbranega materiala na okolje in trajnostni razvoj

(Edwards 2005):

Ali so bile vse zahtevane lastnosti materiala, tudi tiste dozdevno marginalnega

pomena, zagotovljene in dobro razumljene?

Ali so bile vse ekonomske omejitve upoštevane?

Ali se bodo konstrukterske zahteve s časom spremenile?

Ali je bil vpliv dinamičnih obremenitev (npr. utrujanja) ustrezno obravnavan?

Ali so bile posledice, ki lahko nastanejo pri nadaljnji obdelavi materiala, kot je

obdelava površine, upoštevane pri preučevanju končnih lastnosti materiala?

Ali so bili alternativni materiali adekvatno obravnavani?

Ali je bil preučen vpliv materiala na okolje?

Ali je bil cikel celotne dobe trajanja materiala/izdelka primerno obravnavan?


39

Ali je bila preučena možnost kemičnega, toksičnega vpliva ali radiacije materiala

v okolje?

Ali je bila upoštevana dostopnost surovin za izbrani material v prihodnosti?

Itd.

Raziskovalka Van Kesteren je s sodelavci (Van Kesteren, Stappers et al. 2007) predstavila

pristop k izbiri materiala v obliki niza vprašanj, ki se nanašajo na uporabnikovo dojemanje

materiala oz. na vtis, ki ga določen material naredi na uporabnika. Interakcija med

naročnikom novega izdelka in konstrukterjem temelji na nizu vprašanj, ki se nanašajo na

različne faze uporabnikovega stika z izdelkom/materialom, kot npr. prvi stik, preizkušanje,

transport, uporaba, hramba, ko izdelek ni v uporabi itd.

5.2.1.2 Orodja za podporo pri izbiri materiala

Van Kesterenova in sodelavci (Van Kesteren, Stappers et al. 2007) so predstavljeni

pristop k izbiri materiala na podlagi vprašanj o uporabnikovem vtisu o materialu

nadgradili v orodje, ki pri izbiri materiala upošteva uporabnikovo dojemanje materiala oz.

uporabnikov vtis, ki ga dobi v različnih fazah stika z materialom. MiPS (Materials in

Products Selection, angl.) je orodje, katerega uporaba je predvidena za začetne faze

konstruiranja novega izdelka, ter deluje kot podpora naročniku izdelka, saj omogoča lažje

in enostavneje opisati želene lastnosti izdelka/materiala, pri čemer se naročnik postavi v

vlogo kupca/uporabnika. MiPS je sestavljen iz treh različnih modulov:

orodje, ki temelji na slikah (picture tool, angl.) in deluje kot pomoč pri definiranju

odziva uporabnika ob pogledu na določen izdelek/material;

orodje, ki temelji na dejanskih vzorcih (sample tool, angl.);

orodje, ki temelji na vprašalniku (question tool, angl.), s katerim se poskuša

zajeti vtise uporabnika ob stiku z materialom/izdelkom v različnih fazah stika z

materialom/izdelkom.

Rezultati testiranj, tako avtorji, niso dali pozitivnih rezultatov. Orodje je uspelo prevesti

zgolj manjši odstotek uporabnikovih vtisov v senzorne lastnosti (tekstura, toplina, barva,

mehkoba, gladkost površine v zaznavnem smislu itd.), čeprav so manj subjektivne kot

zaznavne lastnosti (videz, moda, osebnost, prepoznavnost, naravnost itd.).


40

5.2.1.3 Strošek/enoto kot lastnost

Vsako podjetje, ki skuša ostati konkurenčno na trgu, posveča veliko pozornosti stroškom,

ki neposredno zmanjšujejo dobiček podjetja ter posredno zmanjšujejo vložek v razvoj

novih izdelkov, tehnologij, kadra, infrastrukture in ne nazadnje v razvoj podjetja samega,

kar pa je nujno za uspešnost na tržišču. Strošek, ki ga ima podjetje z razvojem novega

izdelka, je torej zelo pomemben parameter tudi v procesu izbire materiala, zato ni

presenetljivo, da se raziskovalci ukvarjajo tudi z možnostjo vključevanja stroškov v proces

izbire materiala, in sicer kot lastnost, ki jo imenujemo strošek/enoto, pri čemer kot enoto

izberemo lastnost materiala/izdelka, ki najbolj izstopa, je najbolj pomembna. Farag je

predstavil metodo, imenovano strošek/enoto, z namenom, da se v procesu izbire

materiala že na začetku procesa eliminira kandidate/materiale, ki se izkažejo za drage

(Farag 1979). Prednost te metode je predvidevanje stroškov, ki jih bo podjetje imelo z

zagotavljanjem najpomembnejše zahteve, ter možnost primerjave med alternativnimi

materiali na podlagi karakteristike strošek/enoto. Slabost metode izvira iz omejitve na

eno od lastnosti materiala/izdelka, kar je v veliko primerih celo nemogoče, ter na

marginalizacijo drugih lastnosti materiala/izdelka.

5.2.1.4 Diagram materialnih lastnosti

Posebnost te uveljavljene ter veliko preučevane metode je prikaz podatkov v grafični

obliki, kjer so rezultati na diagramu prikazani v obliki zaključenih območij oz. mehurčkov

(bubble chart, angl.) (Ashby 1992; Ashby and Johnson 2002), kot je razvidno iz slike 5.2.

S kreiranjem teh specifičnih diagramov materialnih lastnosti (v nadaljevanju tudi

Ashbyjevih diagramov ali samo diagramov) Ashby poudari vizualno komponento prikaza

podatkov, ki inženirju že ob površnem pogledu na diagram nudi vpogled v rezultate

začetne eliminacije kandidatov/materialov. Slabost metode je v limitiranju na le dve oz. tri

omejitve, ki jih lahko na logaritemskih skalah prikaže Ashbyjev diagram. Taka omejitev ni

problematična v primeru enostavnih aplikacij, kjer se je potrebno približati enemu

samemu cilju (npr. minimizirati težo, toplotno prevodnost, vpliv na okolje itd.) ali se

omejiti z le eno predpisano omejitvijo (specificirana trdnost, žilavost, korozijska odpornost

itd.) (Ashby 2011).


41

Slika 5.2: Primer diagrama materialnih lastnosti po Ashbyju (vir: splet)

Ashbyjeve diagrame so preučevali mnogi raziskovalci in jih skušali prirediti ali nadgraditi

za določeno področje. Weaver in sodelavci (Weaver, Ashby et al. 1996) so v svojem delu

predstavili strategijo konstruiranja, katere značilnost je integracija kazalcev o vplivih na

okolje v tradicionalne konstrukterske cilje. Metodologijo Ashbyjevih diagramov je

nadgradil oz. razširil Holloway (Holloway 1998), pri čemer je upošteval okoljske faktorje,

ki predstavljajo kalkulacije onesnaženja zraka in voda, okoljske indekse ter vrednosti MAC

in O.v.D.


42

5.2.1.5 Računalniško podprti sistemi in metode umetne inteligence

Modele sistemov v tej kategoriji lahko razdelimo na štiri skupine: na računalniško podprte

sisteme za izbiro materiala, ki temeljijo na preiskovanju baz podatkov, ter na tri skupine

sistemov, ki jih med seboj ločimo glede na uporabo različnih principov umetne

inteligence:

računalniško podprti sistemi (computer aided materials selection systems, angl.),

z znanjem podprti sistemi (knowledge-based systems, angl.),

sistemi, ki temeljijo na rešenih primerih (case-based reasoning, angl.),

sistemi z nevronskimi mrežami (neural networks, angl.).

Računalniško podprti sistemi (computer aided materials selection systems, angl.)

Računalniško podprti sistemi za izbiro materiala omogočajo enostavno iskanje

najustreznejšega materiala z vidika uporabnika, zato se jih prišteva med najprimernejša

orodja za tovrstno iskanje. V zadnjih tridesetih letih je bilo predlaganih in razvitih mnogo

različnih verzij računalniško podprtih sistemov za izbiro materiala, kar je predvsem

posledica vedno večjega in za človeka neobvladljivega števila obstoječih materialov.

Računalniško podprti sistemi so na začetku obsegali predvsem bolj ali manj obsežne baze

podatkov (Ullman and Rydén 1987), iz katerih so lahko inženirji na podlagi različnih

kriterijev, »filtrov«, izločili manjše število, ki je bilo laže obvladljivo. Dargie in sodelavci

(Dargie, Parmeshwar et al. 1982) so predstavili enega prvih računalniško podprtih

sistemov za izbiro proizvodnega procesa in materiala v kombinaciji. Kasneje je bilo

razvitih več modelov sistemov, ki so že vključevali različne principe umetne inteligence in

različne pristope k začetni eliminaciji materialov ter razvrstitvi le-teh (Ashby, Bréchet et

al. 2004). Ni neobičajno, da so bili zaradi potrebe specifičnih področij posamezni sistemi

razviti za konkretne aplikacije, pri čemer je bila stopnja uporabljene umetne inteligence

na različnih nivojih. Eden takih je računalniško podprt sistem za izbiro materiala, ki

upošteva vplive materiala na okolje skozi celotno dobo trajanja izdelka in jih skuša

integrirati v tradicionalen pristop izbire materiala (Chen, Navin-Chandra et al. 1994).


43

Z znanjem podprti sistemi (knowledge-based systems, angl.)

Proces konstruiranja je kompleksen proces, katerega del je tudi proces izbire materiala.

Uspeh ni odvisen zgolj od reševanja problemov na podlagi znanih informacij, kot so

tehnični parametri, standardi, različni pogoji in omejitve, kar bi vodilo k eni ultimativni

rešitvi, ampak je skupek omenjenega v kombinaciji s preučevanjem priročnikov, revij,

rešenih primerov iz prakse ter predvsem z izkušnjami konstrukterja. Iz tega lahko

zaključimo, da računalniška orodja, katerih delovanje temelji na preiskovanju baze

podatkov, ne zadovoljuje konstrukterskih potreb po sistemu, ki bi nudil konstrukterju

»inteligentno« podporo pri odločanju v obliki nasvetov in priporočil. V ta namen

raziskovalci razvijajo mnoge metode, ki temeljijo na sistematičnih pristopih k

organiziranosti in analizi inženirskih podatkov, s poudarkom na nadgradnji podatkovnih

baz s t. i. inteligentnim delom, torej z znanjem, izkušnjami (Sancin and Dolsak 2011).

Značilnost z znanjem podprtih sistemov je baza znanja, ki je ob primerni bazi zanesljivih

podatkov ključnega pomena za delovanje z znanjem podprtega sistema, saj zajema

znanje in izkušnje konstrukterjev, ekspertov na področju izbire materiala. Informacije v

bazah so po karakterju različne, tako baza podatkov zajema točne, natančne informacije

o tehničnih in vseh ostalih parametrih materiala, ki so natančno definirani, merljivi in

izraženi s standardno enoto. Nasprotno je baza znanja napolnjena z informacijami, ki niso

natančno definirane in nedvoumne, saj gre za znanje inženirjev, pridobljeno z

dolgoletnimi izkušnjami na določenem področju, ali pa gre za rezultate intenzivnih

raziskav določenega področja.

V preteklih letih je bilo razvitih mnogo inteligentnih sistemov ter sistemov za podporo

odločanju, pri čemer so bili nekateri uspešno preneseni v dejanske aplikacije (Turban,

Aronson et al. 2005). Pomembnost dileme, ki se pojavlja ob izbiri primernega materiala v

sklopu razvoja izdelka, je očitna, kar lahko podpremo z ugotovitvijo, da so bili v

preteklosti razviti številni modeli sistemov za podporo konstrukterjem pri izbiri materiala

predvsem v zgodnjih fazah procesa konstruiranja. Za znanstveni diskurz je nujno

preučevanje napredka na področju inteligentne podpore pri izbiri materiala, pri čemer je

potrebno izpostaviti tri primere, ki predstavljajo nove prispevke k znanosti z novimi

modeli ali novimi metodami izbire materiala.

Dileme pri izbiri primernega materiala se pojavljajo pri konstruiranju raznovrstnih

izdelkov. Kumar in Singh (Kumar and Singh 2007) sta razvila inteligentni sistem za izbiro


44

materiala za progresivne komponente matric kot alternativo manualni izbiri materiala s

pomočjo priročnikov, heuristike ter konstrukterjevega znanja in izkušenj. Izbira

ustreznega materiala je ena glavnih aktivnosti pri konstruiranju matric, saj so od

materiala odvisni doba trajanja ter posledično stroški proizvodnje in uporabljenega

materiala. Sistem obsega dva modula baze znanja, pri čemer prvi podpira izbiro materiala

za aktivne in neaktivne komponente progresivnih matric. Drugi modul je bil razvit za

določevanje ranga trdote materialov za aktivne matrice. Predstavljeni sistem se od drugih

CAD-sistemov za progresivne matrice razlikuje v vsebini in količini uporabniku

posredovanih informacij. Rezultat ni le seznam ustreznih materialov, saj konstrukterju

ponudi tudi nasvet za lažjo izbiro med lahko dostopnimi materiali. Avtorja sistem

označujeta kot zmogljivega zaradi obširne baze znanja, ki zajema znanje ter izkušnje s

področja konstruiranja progresivnih matric. Pridobljeno znanje v bazi znanja je analizirano

in integrirano v produkcijska IT-pravila. Druga prednost je enostavna uporaba zaradi

interaktivnega načina komunikacije sistem − konstrukter. Ker je bil sistem razvit

namensko za izbiro materiala za progresivne matrice, je njegovo delovanje omejeno na

jekla, kar je v danem primeru razumljivo, saj omogoča fleksibilnost sistema.

Danes je splošno priznanih več formaliziranih metod za podporo izbire enega ustreznega

materiala, vendar realni izdelki včasih zahtevajo uporabo kombinacije materialov, saj se

lahko le na tak način zagotovi želeno obnašanje materiala in posledično delovanje

izdelka. S tem problemom sta se soočila Edwards in Deng (Edwards and Deng 2007), ki

uporabljata dve različni strategiji kot podporo procesu odločanja pri uporabi kombinacije

materialov. Cilj je pospešiti simultani razvoj komponent in materialov v zgodnji fazi

konstruiranja ter izdelati platformo za inženirsko delo brez nenehnega povezovanja

lastnosti materiala in komponent z namenom, da bi determinirali vsako lastnost materiala

posebej. Glede na kompleksnost raziskave predlagane strategije kljub primerni

implementaciji in zadovoljivo ocenjenih študijah primerov ne morejo zagotavljati primerne

podpore konstrukterskim problemom.

Pregled literature je pokazal, da sta se v preteklih aplikacijah pojavljala predvsem dva

tipa metod za izbiro materiala: na materialnem indeksu temelječa metoda (index-based

selection method, angl.) in na znanju temelječa metoda (knowledge-based methods,

angl.). Prva obsega zaporedje korakov, katerih rezultat je identifikacija optimalnega

materiala na podlagi najvišje/najnižje vrednosti indeksa. V primeru, da je rezultat več

podobnih indeksov, je potrebna uporaba optimizacijskih metod za iskanje končne rešitve.

Na znanju temelječa metoda predstavlja drugačne pristope, in sicer pristop z IT-pravili,


45

pristop z odločanjem (decision-making, angl.) ter pristop z mehkim večatributnim

odločanjem (fuzzy multi-atribute decision-making, angl.). Pri uporabi kateregakoli od

omenjenih pristopov je potrebno veliko človekovega znanja in inteligence, vendar je le

zadnji primeren za procesiranje nenatančnih ter včasih pomanjkljivih podatkov, ki pa so

zelo pomembni za izbiro materiala. Znanstvenika Ullah in Harib (Ullah and Harib 2008)

sta predstavila novo metodo izbire materiala, ki ne zahteva kreiranja in izpeljave

materialnih indeksov ali neprijetnih ter zamudnih sklepnih kalkulacij. Podobno kot na

materialnem indeksu temelječa metoda nova metoda uporablja diagrame materialnih

lastnosti, ki so vedno dostopni kot relevantna informacija, kar naredi metodo realistično

in uporabniku prijazno. Metoda temelji na uporabi lingvističnih deskripcij problemov, ki se

pojavijo ob izbiri materiala, in diagramov materialnih lastnosti, relevantnih za lingvistično

deskripcijo problema. Predstavljena metoda podpira izbiro optimalnega materiala v

zgodnji fazi procesa konstruiranja in je primerna tudi za izbiro materiala kompleksnih

strojev in naprav, katerih konstrukcijske zahteve in konstruktersko pomembne

informacije niso vedno natančno specificirane. Možnost uporabe metode ni omejena na

eno skupino in bi jo bilo možno uporabiti za vse skupine materialov. V eni od znanstvenih

objav je metoda predstavljena v realni aplikaciji, in sicer na primeru izbire optimalnega

materiala za robotske komponente v zgodnji fazi konstruiranja (Ullah and Harib 2008).

Izbira primernega materiala za nov izdelek je zanimivo inženirsko področje in zahteven

proces odločanja. V zadnjih letih so bili razviti številni pristopi in prenekatera metoda s

ciljem, ustvariti sistem za podporo odločanju za neko določeno področje. Mnogo metod

za izbiro materiala je zelo specifičnih in ponujajo širok spekter možnosti za izgradnjo

različnih sistemov za podporo odločanju. Nekateri obstoječi sistemi so omejeni le na eno

družino materialov (Edwards and Deng 2007; Ullah and Harib 2008), drugi pa so

specializirani za inženirske materiale za točno določene aplikacije (Kumar and Singh

2007). Jedro sistemov za podporo odločanju, ki učinkovito podpirajo konstrukterje v

procesu odločanja, je baza znanja, človekovo znanje in izkušnje. Dobro urejeno in

definirano znanje o izbiri materiala je za sistem ključnega pomena ter odločilno za

koristen nasvet konstrukterju. Na višjem nivoju pa gre za pomemben prispevek k procesu

konstruiranja.


46

Sistemi, temelječi na rešenih primerih (case-based reasoning, angl.)

Sistemi, katerih delovanje temelji na rešenih primerih, so dobili ime po mehanizmu

sklepanja, katerega »inteligenca« se kaže kot sposobnost sklepanja na rešenih primerih iz

inženirske prakse (case-based reasoning, angl.). Gre za sklepanje na podlagi rešitev

preteklih kostrukterskih problemov glede izbire materiala, pri čemer mehanizem analogno

predlaga rešitev za dovolj podoben problem (Amen and Vomacka 2001; Mejasson,

Petridis et al. 2001). Za takšne sisteme je značilno, da so izredno uporabni znotraj

podjetja, saj služijo kot zanesljiva podatkovna baza, katere na primerih temelječi

mehanizem sklepanja predlaga rešitve novih konstrukterskih problemov z iskanjem

analogije iz prejšnjih ustrezno rešenih problemov, pri čemer upošteva tudi morebitne

napake pri predhodno rešenih primerih. Glavna pomanjkljivost takšnih sistemov je

nezmožnost generalizacije, saj ta zaradi statistično nerelevantnih podatkov ni možna.

Sistemi z nevronskimi mrežami (neural networks, angl.)

Nevronske mreže so višja oblika umetne inteligence, njihova uporaba v sistemih za izbiro

materiala pa pomeni, da so vsi podatki, vso znanje in heuristika zapisani v obliki

nevronskih mrež, ki so posnetek zapisa znanja v človeških možganih. Tak pristop je zelo

uporaben pri izbiri materiala, vendar ima večjo pomanjkljivost, kadar uporaba nevronskih

mrež ni dopolnjena z uporabo še kakega drugega pristopa, saj zaradi množice

nenatančnih in pogosto nenatančno definiranih podatkov sistem ne more najti optimalne

rešitve (Goel and Chen 1996).


47

5.2.2 Ovrednotenje preostalih materialov, razvrščanje ter izbira optimalnega

Faza ovrednotenja materialov, posledično razvrščanje od najustreznejšega do

najneustreznejšega, in končna izbira najprimernejšega za določen izdelek je najbolj

zahtevna faza v procesu izbire materiala. Metode, ki so bile razvite za čim boljšo izvedbo

tretje faze procesa izbire materiala in so prikazane na sliki 5.3, se v širšem pogledu delijo

na metode večkriterijske izbire, ter na metode optimizacije. V doktorskem delu smo

podrobneje opisali le metode večkriterijske izbire, pri čemer smo se omejili na največkrat

uporabljane, najzanesljivejše in tiste, ki so že bile uporabljene v okoljsko orientiranih

aplikacijah. Tiste metode, ki so na shemi označene s temno zeleno barvo, smo uporabili

kot osnovo pri razvoju lastne metode, uporabljene pri izgradnji baze znanja modela

sistema za podporo odločanju pri izbiri polimernih materialov.

Slika 5.3: Metode vrednotenja ustreznosti kandidatov (povzeto po (Jahan, Ismail et al. 2010))

metode vrednotenja ustreznosti kandidatov/ materialov

metode večkriterijske izbire

večatributino odločanje

AHP

ELECTRE

metoda ponderiranja

TOPSIS

omejevanje lastnosti

individualne lastnosti

mehka večkriterijska izbira

večciljno odločanje

večatributna analiza koristnosti

genetski algoritmi in nevronske mreže

ciljno programiranje

individualne metodeoptimizacijske

metode

matematično programiranje

računalniške simulacije

genetski algoritmi


48

Metode večkriterijske izbire (Multiple Criteria Decision Making methods, angl.) so

razdeljene v dve skupini: na metode večatributivnega odločanja (Multiple Attribute

Decision Making methods, angl.) in metode večciljnega odločanja (Multi Objective

Decision Making, angl.). Znotraj obeh skupin obstaja več raznovrstnih metod za

vrednotenje kandidatov oz. materialov. V primeru kombinacije le-teh s principi mehke

logike (fuzzy logic, angl.) pa se pojavijo nove metode, ki jih imenujemo mehka

večkriterijska izbira (Fuzzy Multiple Criteria Decision Making methods, angl.). Metoda, ki

smo jo razvili za potrebe modela sistema za podporo odločanju, spada med metode

večatributivnega odločanja, zato se bomo v tem doktorskem delu osredotočili na metode

v tej skupini.

5.2.2.1 Metode večatributivnega odločanja (Multiple Attribute Decision Making methods,

angl.)

Pri izbiri optimalnega materiala za določen izdelek inženir izbira med več alternativami, pri

tem pa je navadno pomembnih več kriterijev in ne le en sam faktor. Zaradi upoštevanja

več atributov pri iskanju optimalne rešitve se metode v tej skupini imenujejo metode

večatributivnega odločanja (Cicek and Celik 2010). Vrednost spremenljivk, ki

predstavljajo atribute, je lahko kvalitativna ali kvatitativna, njihovo število pa je lahko

število, Boolov test, tekst ali grafika.

TOPSIS (Technique of ranking Preferences by Similarity to the Ideal Solution, angl.)

TOPSIS je ekspertni sistem, ki temelji na tehniki razvrščanja preferenc po ključu

podobnosti, s ciljem, poiskati idealno rešitev v procesu izbire materiala (Aggarwal,

Sharma et al. 1993). Metoda ima mnoge prednosti:

možnost uporabe za kvalitativne in kvantitativne podatke;

enostaven, hiter in sistematičen proces;

rezultat so razvrščeni materiali na podlagi numerične vrednosti, ki omogoča

boljše razumevanje razlik in podobnosti med alternativami;

zelo uporabna metoda, kadar je potrebno obdelati veliko število podatkov.

TOPSIS pa ima tudi nekaj pomanjkljivosti, kjer je treba predvsem poudariti, da tak sistem

ne nudi priporočil ter komentarjev ob predlagani izbiri materiala.


49

ELECTRE (ELimination Et Choix Traduisant la Realité, fran.)

ELECTRE so metode večatributivnega odločanja, ki temeljijo na predpisovanju

entropijskih uteži, ter so bile uporabljene v mnogih aplikacijah (Shanian and Savadogo

2006; Shanian and Savadogo 2006; Shanian and Savadogo 2006). ELECTRE so metode z

dokaj dobrimi rezultati, čeprav imajo tudi pomanjkljivosti:

pri veliki količini podatkov so metode zamudne;

rezultat, ki ga dobi uporabnik, je zgolj seznam razvrščenih materialov brez

numeričnih vrednosti, ki bi pripomogle k boljšemu razumevanju razlik med

alternativami.

AHP (Analytical Hierarchy Process, angl.)

Metoda AHP ima široko uporabnost, saj gre za zelo enostavno, fleksibilno metodo, ki je

enostavna za uporabo. Metoda je bila uporabljena tudi v sistemu za izbiro materiala z

upoštevanjem okoljske komponente (Cao, Liu et al. 2006) in v mnogih drugih aplikacijah.

Slabost metode je predvsem pri obdelavi podatkov, saj se pojavijo težave pri obdelavi

podatkov že pri petnajstih alternativnih rešitvah.

Metoda enostavnega ponderiranja

Metoda enostavnega ponderiranja je metoda, ki temelji na enostavnem matematičnem

predpisovanju uteži različnim lastnostim materiala, ter na tak način razvršča materiale.

Metoda je bila uporabljena v številnih aplikacijah (Farag 1979; Chiner 1988).

Pri razvoju lastne metode za potrebe izgradnje baze znanja modela sistema za podporo

odločanju pri izbiri polimernih materialov z upoštevanjem okoljskega vidika smo se opirali

na predstavljene večatributivne metode, ki pa smo jih pri lastni metodi nadgradili s

predstavitvijo rezultatov uporabniku, kjer ob razvrstitvi materialov uporabnik prejme

podporo tudi v obliki komentarjev razvrstitve in napotke za konstruiranje okolju prijaznih

izdelkov.


50

5.2.3 Komercialni programski paketi za izbiro materiala

Konstrukterji in strokovnjaki morajo v procesu konstruiranja, ne glede na uporabljeno

metodo selekcije, prej ali slej izbrati primeren polimerni material iz katalogov različnih

proizvajalcev materialov ali pa uporabiti katero od aplikacij na spletu. Ena izmed najbolj

uporabljanih in najbolj poznanih spletnih aplikacij je spletni program za izbiro

polimernega materiala imenovan CAMPUS (vir: splet), ki uporabniku omogoča primerjavo

lastnosti plastičnih materialov enega ali več različnih proizvajalcev/dobaviteljev.

Uporabnik lahko opazuje relacije med različnimi tipi lastnosti, kot so reološke, mehanske,

termične, procesne itd., pri čemer ima vsak tip eno specifično vrednost za vsak tehnični

parameter. Na voljo je tudi grafični prikaz v obliki večtočkovnega diagrama. Čeprav je

takšno orodje nedvomno velikega pomena za inženirsko delo, je podpora izbiri

najprimernejšega polimernega materiala vendarle omejena.

Potencialni izbor polimernih materialov – kandidati so razvrščeni glede na vrednosti

nekaterih osnovnih lastnosti, pri čemer uporabnik definira maksimalne in minimalne

vrednosti. Določitev vrednosti je v veliki meri odvisna od veščosti konstrukterja, kar

neposredno vpliva na število zadetkov oz. kandidatov, ki ustrezajo predpisanim

zahtevam. (Pre)veliko število kandidatov kaže na to, da je potrebno ponovno definirati

mejne vrednosti, prav nasprotno pa je v primeru, da je rezultat majhno število

kandidatov, ki je lahko tudi nič. Razvrstitev kandidatov je nedvoumna, saj so sistematično

razvrščeni od najustreznejšega do najneustreznejšega glede na izbrane parametre in njih

mejne vrednosti. Za mladega, neizkušenega inženirja pa so lahko tako na prvi pogled

jasno podani rezultati kljub temu zavajajoči, saj lahko v svoji neizkušenosti spregleda

ključne parametre, kot sta časovna in temperaturna odvisnost določenih lastnosti.

CAMPUS ima tudi širše znano pomanjkljivost, ki se nanaša na strošek materiala. Aplikacija

ne ponuja cen posameznih kandidatov za izbrani polimerni material, kar je razumljivo, saj

se cene na trgu pogosto spreminjajo. Vendarle pa je cena eden od glavnih kriterijev pri

izbiri polimernega materiala, saj gre za parameter, ki se nenehno preverja ob spremembi

materiala med procesom konstruiranja. Drug pristop k iskanju najustreznejšega materiala

je preučevanje polarnih diagramov, ki prikazujejo primerjavo multiplih kriterijev selekcije

(Tooley 2010). Lastnosti vsakega kandidata so prikazane na n-oseh, ki izvirajo iz

skupnega središča. Točke, ki prikazujejo vrednosti posameznega parametra, pa so

povezane v zaključen poligon. Zaželeno in modro je definirati minimalne vrednosti

lastnosti bodočega izdelka, saj lahko s poligonom minimalnih vrednosti takoj izločimo

kandidate, ki so izven poligona minimalnih vrednosti.


51

Včasih se v procesu konstruiranja zgodi, da obstoječi materiali in preoblikovalni procesi

ne dosegajo konstrukcijskih zahtev neodvisno od konstrukterjevega znanja, izkušenj in

vloženega truda. Posledica je ustavitev projekta za čas razvoja novega, ustreznega

materiala, ki bo zadostil konstrukterskim zahtevam. Pomembno vlogo ima tudi dodatni

čas in finančni vložek, ki sta potrebna za podprtje projekta, kar velikokrat pomeni

njegovo opustitev, razen v primerih, ko gre za izdelke visoke tehnologije in so stroški

upravičeni.


52

6 UPORABA PROGRAMSKEGA ORODJA EXSYS

CORVID

Exsys Corvid je programsko orodje za izgradnjo ekspertnega sistema oz. inteligentnega

sistema za podporo odločanju, ki inženirju, ki razvija tak sistem (v nadaljevanju inženir),

omogoča zapis delovanja sistema ter nujno pripadajoče baze znanja brez specialnega

programerskega računalniškega znanja in izkušenj s tega področja. Gre za izredno

pomembno prednost pri razvoju sistema, saj je inženir strokovnjak svojega strokovnega

področja, kar v mnogih primerih pomeni, da nima znanja računalniškega programiranja

oz. ne obvladuje relevantnega programskega jezika na primernem nivoju, kar je

predpogoj za zapis algoritma sistema. Exsys Corvid je ustrezno orodje, s katerim inženir

nadomesti deficit programerskega znanja, saj lahko znotraj programa oblikuje bazo

podatkov in znanja, ob tem pa definira relacije med posameznimi spremenljivkami, ki so

osnova za mehanizem sklepanja. Exsys Corvid omogoča tudi relativno enostavno

oblikovanje uporabniškega vmesnika in kreiranje spletne aplikacije sistema.

Način izgradnje modela sistema je v osnovi relativno preprost, naloge inženirja znotraj

programskega orodja pa jasne. Zgradba vsakega sistema je v splošnem enaka. Osnovne

enote, brez katerih delovanje sistema za podporo odločanju ni možno, so:


53

ustrezno definirane spremenljivke (variables, angl.), ki omogočajo kreiranje

produkcijskih pravil in izpis rezultatov,

logični blok (Logic Block, angl.) v katerega se zapišejo produkcijska pravila ter

kontrolni blok (Command Block, angl.), ki krmili izvajanje v logičnem bloku

zapisanih pravil in izpis rezultatov, ki jih da sistem.

6.1 Vrste spremenljivk

Spremenljivke uporabljamo za zapis produkcijskih pravil, ki predstavljajo logične relacije

med objekti problemskega področja in jih opišemo s pravili tipa »če/potem« (IF/THEN,

angl.). Exsys Corvid dovoljuje uporabo sedmih tipov različnih spremenljivk, med njimi je

5 tipičnih Boolovih testov (Boolean expression, angl.), kar pomeni, da se navadno

uporabljajo v testu resničnostne izjave, zapisane v IF stavku produkcijskega pravila. Ob

tem se lahko pojavijo tudi v drugem, THEN delu produkcijskega pravila, kjer se določi

vrednost spremenljivke. Preostala dva tipa spremenljivk se uporabljata za podajanje

različnih komentarjev rezultatov, ki predstavljajo potencialne rešitve danega problema.

Spremenljivke se v uporabljenem programskem orodju uporabljajo za tri različne

namene:

za definiranje logike v logičnem bloku (v nadaljevanju LB) in kontrolnem bloku (v

nadaljevanju CB),

za shranjevanje podatkov med delovanjem samega sistema,

za definiranje ciljev, kako oz. na kak način naj sistem deluje.

Statična spremenljivka (Static list, angl.)

Značilnost statičnih spremenljivk je prikaz v obliki seznama, s katerega lahko uporabnik

sistema izbere eno ali več možnosti, ki predstavljajo vrednosti statične spremenljivke,

definirane v razvojni fazi ekspertnega sistema. Gre za fiksne vrednosti, ki se nikoli ne

spreminjajo, njihovo število pa je neomejeno. Predstavljajo lahko vrednosti kot da/ne,

lahko pa vsaka vrednost ustreza enemu materialu. Statične spremenljivke so najbolj

uporabljane spremenljivke in se običajno uporabljajo vedno, ko je to možno.


54

Dinamična spremenljivka (Dynamic list, angl.)

Dinamične spremenljivke so zelo podobne statičnim spremenljivkam, pri čemer seznam

vrednosti spremenljivke ni več stalen, določen. Gre za dinamičen seznam vrednosti, ki se

spreminjajo med delovanjem sistema. Ta vrsta spremenljivk je redko v uporabi, ter se

uporablja za zelo specifične oblike ekspertnih sistemov.

Numerična spremenljivka (Numeric variable, angl.)

Numerične spremenljivke predstavljajo numerične vrednosti, ki se lahko uporabijo v

enačbah ali algebrskih Boolovih testih. Ta tip spremenljivk se uporabi vselej, ko je

vrednost številka, ki bo uporabljena v matematičnih izjavah.

»String« spremenljivka (String variable, angl.)

Gre za edine spremenljivke, katerih vrednost predstavlja besedilo oz. besedilni niz (text

string, angl.). Uporaba je omejena na specifične sisteme, ki imajo logične bloke v obliki

metablokov (Meta Block, angl.), katerih logika pridobiva podatke za vrednosti določenih

spremenljivk iz od sistema ločenih preglednic. Zaradi narave logike, ki je uporabljena v

modelu sistema za podporo odločanju pri izbiri polimernih materialov, ta vrsta

spremenljivke ni bila uporabljena.

Datumska spremenljivka (Date variable, angl.)

Gre za spremenljivko, katere ime narekuje njeno značilnost. Vrednost datumske

spremenljivke je datum, ki se uporablja za testiranje časovnih obsegov ter izračun

datumov v preteklosti ali prihodnosti. Ker datum ni pomemben parameter v modelu

inteligentnega sistema za podporo odločanju pri izbiri polimernih materialov, ta tip

spremenljivke ni uporabljen.

Zbirna spremenljivka (Collection variable, angl.)

Vrednosti zbirnih spremenljivk predstavljajo seznami besedilnih nizov in se uporabljajo v

primeru, kadar želimo podati poročilo, nasvet ali priporočilo. Značilnost zbirnih

spremenljivk je v neodvisnem prispevku k vrednosti same spremenljivke, kar pomeni, da

vsaka naslednja nova vrednost ne prepiše stare, ampak se doda na konec seznama. Gre


55

za spremenljivko, ki se tako kot spremenljivka primernosti praviloma uporablja v THEN

delu produkcijskega pravila. Uporabnik v določanju vrednosti teh dveh tipov spremenljivk

(zbirna spremenljivka in spremenljivka primernosti) ne sodeluje, saj so vrednosti

določene znotraj pravil med delovanjem sistema, ki pa se sprožijo na podlagi vnosa

vrednosti za druge spremenljivke, te pa določi uporabnik.

Spremenljivka primernosti (Confidence variable, angl.)

Vrednost spremenljivke primernosti je verjetnost (confidence, angl.), izražena kot realno,

ne nujno tudi celo število. Vrednost predstavlja verjetnost, ki ponazarja možnost

uspešnosti določene izjave v Boolovem testu. Pri izgradnji sistema se običajno uporabi

več spremenljivk primernosti, ki »pokrivajo« različne akcije, sistem pa na podlagi

mehanizma sklepanja izbere najverjetnejšo. Na osnovi logike v sistemu in

uporabnikovega inputa podatkov pravila predpišejo vrednosti spremenljivkam

primernosti. Praviloma je ta tip spremenljivk najpomembnejši del, saj skupaj s pravili v

logičnih blokih predstavljajo hevristiko sistema.

6.2 Logični blok

Koncept vodenja odločitvene logike (decision-making management, angl.) v

programskem orodju Exsys Corvid temelji na izgradnji logičnega bloka (v nadaljevanju

LB). LB predstavlja poljubno kombinacijo produkcijskih pravil in odločitvenih dreves, ki

imajo predpisano funkcijo, ter jih Exsys Corvid obravnava kot zaključene dele celote. LB

so lahko vsebinsko in kvantitativno zelo raznoliki, saj lahko vsebujejo le eno pravilo ali

celotno bazo znanja glede na naravo problema.

Načini zapisa hevristike v procesu odločanja so različni, pri čemer se je za

najučinkovitejšega in najzmogljivejšega izkazal zapis z IF/THEN produkcijskimi pravili. IF

del pravila predstavlja Boolov test, s katerim preverjamo resničnost izjave, ki je lahko

resnična, torej TRUE ali neresnična, torej FALSE. Resničnost izjave se nanaša na dani

problem oz. specifično situacijo. Če je IF izjava resnična, se tudi izjava v THEN delu

pravila pojmuje za resnično. Spodaj je prikazan primer IF/THEN produkcijskega pravila:


56

IF

Material has low embodied energy [GPa]

THEN

Material is environment friendly

Definicija produkcijskega pravila je v osnovi enostavna, vedno veljavna, ter je temelj še

tako kompleksnim logičnim blokom in kompleksnim sistemom.

Dobra hevristika je ključ do uspešnega sistema za podporo odločanju, zato je naloga

mehanizma sklepanja (inference engine, angl.) znotraj programskega orodja tem bolje

posnemati delovanje človeških možganov, kjer je hevristika intuitivni proces. Naloga

mehanizma sklepanja je analizirati in pravilno sestaviti individualna pravila s ciljem, rešiti

problemsko nalogo, pri čemer mora določiti:

Kaj so možni odgovori na rešitev problema?

Kateri podatki so potrebni za določitev ustreznosti določenega odgovora?

Če obstaja pot, kako izpeljati ali izračunati potrebne podatke iz drugih pravil?

Kdaj je dovolj podatkov na voljo za eliminacijo možnega odgovora in ni potrebno

postavljati dodatnih vprašanj v zvezi z njim?

Kako razlikovati med preostalimi odgovori?

Kateri odgovor je najverjetnejši glede na pravila?

Način, na katerega mehanizem sklepanja izbira in sestavlja pravila, se imenuje veriženje

nazaj (backward chaining, angl.), pri čemer gre za ciljno vodeno (goal driven, angl.)

obdelavo pravil. Definiranje primernih ciljev (goal, angl.) je del razvoja sistema za

podporo odločanju, kjer so glavni cilji običajno:

a) možni odgovori na obravnavani problem ali

b) potencialna priporočila.

Mehanizem sklepanja z veriženjem nazaj determinira:

a) kaj je potrebno za dosego cilja,

b) kdaj je cilj dosežen in

c) kdaj cilj ne more biti dosežen.


57

Veriženje nazaj tako omogoča, da mehanizem sklepanja poišče cilj v množici odgovorov

oz. rešitev in postavi tista in samo tista vprašanja, ki so potrebna za obdelavo le tistih

pravil, ki zagotavljajo doseg cilja. Ciljnih odgovorov je v sistemu za podporo odločanju

navadno več, saj ima tudi strokovnjak določenega področja več rešitev problema.

Mehanizem sklepanja v takšnem primeru sproži obdelavo več pravil, veriženje nazaj pa

zagotavlja, da bo uporabnik moral odgovoriti le na tista vprašanja, ki jih mehanizem

sklepanja potrebuje za dosego cilja.

Exsys Corvid mehanizem sklepanja omogoča tudi veriženje naprej (forward chaining,

angl.), kjer gre za podatkovno vodeno (data driven, angl.) obdelavo pravil. Ta način

delovanja in obdelave pravil se uporablja v primerih, ko so podatki znani in je potrebno le

uporabiti logiko v pravilih za analiziranje podatkov. Veriženje naprej je za določene

primere primernejše in hitrejše, vendar vprašanja niso tako ciljno vodena, uporaba

takega sistema pa uporabniku ne nudi tako kvalitetne komunikacije oz. približek

komunikaciji s strokovnjakom ni tako dober.

Logika za predlagan model sistema za podporo odločanju pri konstruiranju izdelkov iz

polimernih materialov bo integrirana v zgolj en izredno kompleksen LB, saj se je to

izkazalo za najbolj primerno glede na naravo problemskega področja. Mehanizem

sklepanja je v LB v osnovi nastavljen (default, angl.) na način veriženja nazaj, pri čemer

pa v primerih, da je to bolj smiselno znotraj logičnega bloka, veriži tudi naprej.

6.3 Kontrolni blok

Če LB sistema določa, kako je potrebno narediti stvari (how to do things, angl.), potem

kontrolni blok (v nadaljevanju CB) definira, kaj mora sistem narediti (what the sistem

should do, angl.). Naloga CB je, da sproži vsa pravila, ki so potrebna za definiranje

vrednosti spremenljivk primernosti. CB preveri, če je izjava Boolovega testa resnična in v

primeru, da ne najde odgovora, postavi vprašanje uporabniku ali v nekaterih primerih

pridobi odgovor iz zunanjih virov (npr. excel datoteke). Ob definiranju vrednosti

spremenljivk primernosti ima CB zelo pomembno funkcijo, ki determinira izpis in prikaz

rezultatov, odgovorov, priporočil ali poročil.


58

7 MODEL SISTEMA ZA IZBIRO POLIMERNEGA

MATERIALA S POUDARKOM NA OKOLJSKEM

VIDIKU

7.1 Zajemanje znanja

Baza znanja je najpomembnejši gradnik kateregakoli sistema za podporo odločanju, pri

čemer je potrebno biti previden, da je znanje znotraj baze znanja primerno izbrano,

urejeno in definirano. Pri zasledovanju teh ciljev je bilo potrebno preučiti področje

konstruiranja s polimernimi materiali, pri čemer je veljal poseben poudarek tehničnim

parametrom, značilnim za polimerne materiale. Za izgradnjo modela sistema so bili

uporabljeni podatki iz literature (Ashby 2009; Ashby 2011), za tehnične parametre

ekološke narave pa smo pridobili podatke od panevropskega združenja Plastics Europe, v

katerega so povezani vsi evropski proizvajalci polimernih materialov, saj na tak način

vzpodbujajo trajnostni razvoj. Plastics Europe obdela dobljene podatke in poda poročilo o

povprečkih ekoloških parametrov posameznih družin polimernih materialov.


59

V nadaljevanju je bila potrebna raziskava metodologije konstruiranje za X, natančneje

njenega dela konstruiranje za okolje. Po prepoznavi prvih smernic za konstruiranje okolju

prijaznih izdelkov in smernic za trajnostni razvoj smo preučili tudi mednarodni standard

ISO tega problemskega področja. Tretje zelo obsežno področje, ki je bilo podvrženo

raziskavi, je proces izbire materiala, tako v splošnem kot za polimerne materiale.

Raziskovalno delo omenjenih področij je bilo izvedeno s pomočjo znanstvenih in

strokovnih del, mednarodnih standardov, spleta ter pogovorov s strokovnjaki

obravnavanih področij.

Posledica odločitve, da bo model sistema za podporo odločanju pri izbiri najustreznejšega

polimernega materiala z upoštevanjem vidika varovanja okolja razvit v programskem

okolju Exsys Corvid, je izgradnja modela sistema z gradniki dotičnega programskega

orodja, in sicer s spremenljivkami, z logičnim blokom ter s kontrolnim blokom.

7.2 Definiranje spremenljivk v modelu sistema

V poglavju 6.1 so predstavljeni vsi tipi spremenljivk, ki jih omogoča Exsys Corvid. Zaradi

narave modela sistema za podporo odločanju pri izbiri materiala smo za model sistema

potrebovali oz. uporabili štiri različne tipe spremenljivk: statične, numerične,

spremenljivke primernosti in zbirne spremenljivke.

7.2.1 Statične spremenljivke

Znanje, ki je natančno določeno, najenostavneje zapišemo s statično spremenljivko,

katere značilnost je vedno enaka, torej fiksna vrednost oz. vrednosti, saj ima lahko

statična spremenljivka več vrednosti, kar se praviloma tudi zgodi. Mehanske lastnosti

materiala, ki so pomembne pri izbiri polimernega materiala, so primer statične

spremenljivke (Tabela 7.1). Model sistema za podporo odločanju pri konstruiranju

izdelkov iz polimernih materialov smo osnovali v angleškem jeziku iz praktičnih razlogov,

ki se nanašajo na kasnejše objave raziskave v znanstvenih publikacijah, kjer bo potrebno

prikazati dele modela sistema z uporabo zamrznjene zaslonske slike (print screen, angl.).

Zato bodo v nadaljevanju tega doktorskega dela vsi nazivi in vrednosti spremenljivk

zapisani tako, kot so zavedeni v modelu sistema, torej v angleškem jeziku.


60

Tabela 7.1: Primer statične spremenljivke in njenih vrednosti

Statična spremenljivka Vrednosti statične spremenljivke

attributes_mechanical Young's modulus

Yield strength (elastic limit)

Tensile strength

Compressive strength

Elongation

Vickers hardness

Fatigue strength at 107 cycles

Fracture toughness

V modelu sistema za podporo odločanju pri izbiri polimernega materiala s poudarkom na

okoljskem vidiku je bilo potrebno kreirati mnogo spremenljivk, katerih vsebinske vloge se

med seboj razlikujejo, v grobem pa se delijo na dva tipa. Prva množica statičnih

spremenljivk je določena z vrednostmi, ki jih kot seznam potencialnih omejitev pri izbiri

materiala z dokaj obsežnega seznama izbere uporabnik sistema (Tabela 7.1). Druga

množica statičnih spremenljivk pa ima le dve vrednosti, da in ne. Tudi te vrednosti

vsebinsko enostavnih spremenljivk izbere uporabnik ter z izbiro sproži nadaljnje delovanje

sistema.

Tabela 7.2: Primer vsebinsko enostavne spremenljivke

Statična spremenljivka Vloga statične spremenljivke

Corrosion_resistant Yes

No

Za delovanje modela sistema za podporo odločanju pri izbiri polimernega materiala z

upoštevanjem vidikov varovanja okolja so bile kreirane spremenljivke, zapisane v tabeli

7.3.


61

Tabela 7.3: Statične spremenljivke, uporabljene v modelu sistema

Statična spremenljivka Vrednosti statične spremenljivke

Attributes več vrednosti

attributes_general več vrednosti

attributes_mechanical več vrednosti

attributes_thermal več vrednosti

attributes_electrical več vrednosti

attributes_chemical več vrednosti

attributes_ecological več vrednosti

Corrosion_resistant enostavna

Electrical_conductor enostavna

Electrical_insulator enostavna

Phase_of_life več vrednosti

Nature_of_optimization več vrednosti

Shape_of_the_product več vrednosti

Design_objective več vrednosti

Design_objective_eco več vrednosti

Emb_energy_per_unit več vrednosti

CO2_emissions več vrednosti

Mass več vrednosti

Minmax enostavna

7.2.2 Numerične spremenljivke

Numerične spremenljivke so pomemben del modela sistema in so uporabljene v vseh

primerih, ko je potrebno izbiro polimernega materiala omejiti z enim ali več tehničnimi

parametri. Model sistema ima dvakrat toliko numeričnih spremenljivk, kot je v modelu

sistema vrednosti numeričnih tehničnih parametrov. Ker tehnični atributi polimernih

materialov niso definirani z eno številsko vrednostjo (npr.: lomna žilavost polikarbonata je

2,1 MPa/m2), ampak imajo različne oblike materiala različne vrednosti parametra, v

določenem območju (lomna žilavost polikarbonata je 2,1 – 4,6 MPa/m2), je bilo treba za

potrebe logike v bazi znanja kreirati dve mejni vrednosti za vsak tehnični atribut,

minimalno in maksimalno. V tabeli 7.1 so navedene numerične spremenljivke, ki smo jih

predpisali za potrebe modela sistema, pri čemer spremenljivke niso navedene z

minimalno ter maksimalno vrednostjo, ampak le njihovi osnovni nazivi.


62

Tabela 7.4: Numerične spremenljivke

Numerična spremenljivka

Compressive_strength

Density

Elongation

Fatigue

Fracture_toughness

Hardness

Price

Tensile_strength

Yield_strength

Youngs_modulus

Maximum_service_temperature

Specific_heat_capacity

Thermal_expansion

Thermal_expansion_coeficient

Electrical_resistivity

Dielectric_constant

Dissipation_factor

Dielectric_strength

Embodied_energy

CO2_emissions

SO2_emissions

NO2_emissions

Water_consumption

7.2.3 Spremenljivke primernosti

Glavni cilj inteligentnega sistema za podporo odločanju je, da se čim bolj približa

človeškemu sprejemanju odločitev, ki temelji na »tehtanju« potencialnih rešitev. Ob dobri

hevristiki je zelo pomembno, da ustrezno definiramo spremenljivke primernosti, katerih

vrednosti izražajo verjetnost, da je neka potencialna rešitev bolj ali manj ustrezna.

Inženir, ki razvija inteligentni sistem, definira spremenljivke primernosti na tak način, da

jim predpiše vrednosti. To lahko stori na dva načina:


63

a) predpiše spremenljivki številčno vrednost, ki se mu zdi najprimernejša;

b) predpiše spremenljivki enačbo, po kateri se vrednost spremenljivke izračuna.

Pri izgradnji modela sistema za podporo odločanju pri izbiri najustreznejšega polimernega

materiala smo uporabili oba načina določanja vrednosti spremenljivk. V splošnem smo se

držali načela, da dobi vsaka uporabljena spremenljivka primernosti, ki je verjetna,

vrednost 10, ter obratno, vsaka neverjetna oceno -10. Primer takšnega predpisovanja

spremenljivk v modelu sistema:

IF:

Which product's phase of life do you want to target?

Material

AND: Are there any other prerequisite requirements?

Electrical

AND: Define prerequisite requirements for electrical

attributes (multiple selection possible): Electrical

insulator

AND: Should the material of your product be Electrical

insulator?Yes

THEN:

ABS: Confidence = 10

[Recommendation_material.ADD] ABS is good insulator.

Kadar želimo v rezultatih poudariti, da je neka rešitev zelo primerna ali zelo neprimerna,

predpišemo vrednost, ki je zelo velika ali majhna. Ker smo model sistema za podporo

odločanju zasnovali za izbiro najprimernejšega polimernega materiala, pri čemer je

material oz. njegova ekstrakcija le ena od faz v dobi trajanja izdelka (izbira materiala z

upoštevanjem vplivov ostalih faz v modelu sistema ni mogoča), smo spremenljivki

predpisali zelo veliko vrednost, ki pove, da je IF izjava resnična, ter ponudi priporočila in

smernice za nadaljnje delo.

IF:


Manufacturing OR Transport OR Use OR Disposal


64

THEN:

Other LCA phases: Confidence = 10000

[LCA_phases.ADD] This phase of product's life could

not be optimized within this system.

[LCA_phases.ADD] In order to define the most

environmentally critical phase of product's life,

product has to be evaluated with LCA principles.

Kadar določamo vrednost spremenljivke natančneje, kar omogoča uspešnejše razvrščanje

najprimernejših kandidatov ter večjo učinkovitost sistema, uporabimo enačbo kot

vrednost spremenljivke. Enačba lahko vsebuje tudi vrednost kake druge spremenljivke, ki

je bodisi že znana bodisi jo je potrebno še pridobiti z vnosom uporabnika.

IF:


Material

AND: Are there any other prerequisite requirements? General

AND: Define prerequisite requirements for general

attributes (multiple selection possible): Price [$/kg]

AND: [Price] >=2.6

THEN:

ABS: Confidence = 10+([Price]-2.6)

Kot je razvidno iz pravila, smo spremenljivki primernosti predpisali vrednost v obliki

enačbe, ki vsebuje numerično spremenljivko [Price]. Njeno vrednost določi uporabnik z

vnosom maksimalne oz. minimalne vrednosti, v tem primeru cene, ki jo je pripravljen

odšteti za nakup 1 kg polimernega materiala. Pravilo smo napisali tako, da je v primeru,

da je uporabnik pripravljen plačati maksimalno možno ceno, v primeru ABS 2,6$,

vrednost spremenljivke 10. Če je pripravljen odšteti več, se po formuli vrednost

spremenljivke poveča glede na razliko med maksimalno ceno ABS in zneskom, ki ga

vnese uporabnik. To se zdi smiselna določitev vrednosti spremenljivke, saj tak način

določanja vrednosti omogoča, da je material, ki bolj ustreza zahtevam uporabnika,

pridobi več točk oz. večjo vrednost spremenljivke.


65

7.2.4 Zbirne spremenljivke

Zbirne spremenljivke so spremenljivke, katerih vrednost je besedilo, zato je njihova

uporaba namenjena podajanju poročil, priporočil, smernic ali komentarjev. Model sistema

je zasnovan tako, da dobi uporabnik informacije in priporočila o ustreznosti polimernega

materiala glede na kriterije, ki jih sam definira. Obenem je uporabnik seznanjen tudi s

smernicami, kako konstruirati izdelek, da bo ta v čim večji meri sprejemljiv za okolje, tudi

trajnostni razvoj. Smernice, ki jih sistem »predlaga«, smo razdelili v tri sklope, in sicer na:

splošna pravila za t. i. »eco-design«,

priporočila po metodologiji konstruiranje za okolje,

smernice po mednarodnem standardu ISO/TR 14062.

Primer pravila z zbirno spremenljivko, s katero smo podali dva komentarja, in tako podprli

spremenljivke primernosti za določen polimerni material, ABS:

IF:


Material

AND: Are there any other prerequisite requirements? General

AND: Define prerequisite requirements for general

attributes (multiple selection possible): Density

[kg/m3]

AND: Is your selection limited with maximal or minimal

value of chosen parameter? Max

AND: ([Density_max] <=1210)&( [Density_max]>=1010)

THEN:


[Recommendation_material.ADD] Considering your max

density requirement, ABS is appropriate material for

your product.

[Recommendation_material.ADD] ABS has density range

between 1010-1210 [kg/m3].


66

7.3 Izgradnja baze znanja

Definiranje spremenljivk je temelj za izgradnjo baze znanja. Bazo znanja v programu

Exsys Corvid zgradimo z generiranjem pravil in določitvijo vrednosti različnim

spremenljivkam, ki ji uporabimo, vse to pa zapišemo v logični blok.

Model sistema za podporo odločanju pri izbiri polimernih materialov smo zasnovali z

namenom, da ga v prihodnosti nadgradimo tudi za podporo odločanju z upoštevanjem

okoljskih vidikov v drugih fazah dobe trajanja izdelka, in sicer preoblikovanju materiala,

transportu izdelka, uporabi ter odstranitvi, uničenju. Iz tega razloga LB začnemo s

pravilom, s katerim izberemo področje optimizacije izdelka. Ko uporabnik izbere prvo fazo

dobe trajanja izdelka, ekstrakcijo materiala, se model sistema omeji na to področje

odločitvene podpore, ki je bila razvita za potrebe tega doktorskega dela.

7.3.1 Pravila, ki definirajo najprimernejši material z izbiro ciljnega področja

LB modela sistema za podporo odločanju pri konstruiranju izdelkov iz polimernih

materialov s poudarkom na okoljskem vidiku je sestavljen iz dveh, v hierarhiji pravil

enakovrednih sklopov. S prvim sklopom smo se omejili na nekaj konstrukterskih ciljev pri

razvoju izdelka, za katere smo ocenili, da so ali najpogostejši ali zelo specifični cilji, ki si

jih konstrukterji zastavljajo v procesu konstruiranja. Konstrukterske cilje smo razdelili v

dve skupini, in sicer na:

tiste, katerih neposredni cilj je izbira polimernega materiala z najboljšimi

ekološkimi karakteristikami (eco-oriented design objective, angl.) in

tiste, katerih neposredni konstrukterski cilj ni izbrati material, ki je najustreznejši

z okoljskega vidika (non eco-oriented design objective, angl.).

Tabela 7.5: Razdelitev konstrukterskih ciljev v modelu sistema

Eco‐oriented design objective Non eco‐oriented design objective

Minimize embodied energy Minimize mass

Minimize CO2 emissions Minimize volume

Minimize elastic flexture

Minimize conformability to surface


67

Primer pravila prikazuje izbiro materiala s ciljem Minimize mass, ki je eden izmed ciljev v

modelu sistema, ki niso neposredno okoljsko orientirani.

IF:


Material

AND: What is the nature of your design objective? Non Eco-

oriented

AND: What is your design objective? Minimize mass

AND: Define mass selection: Selection for given bending

strength

AND: Is it possible to make shape approximation? Beam

THEN:

PA: Confidence = 100-55

PC: Confidence = 100-70

Ko uporabnik izbere to ciljno področje, se sprožijo nova pravila, ki od uporabnika

zahtevajo dodatno definiranost pri zasledovanju konstrukterskega cilja. Kot je videti iz

pravila, se eden od Boolovih testov nanaša na obliko izdelka. Gre za področje, ki se je pri

preučevanju literature pokazalo kot pomemben parameter pri izbiri polimernega materiala

(Ashby 2011).

Izračun materialnega indeksa je zelo odvisen od oblike izdelka, zato smo v bazo znanja

vgradili dodatno znanje, ki na podlagi aproksimacijske oblike izdelka izračuna vrednost

materialnega indeksa. Aproksimacijsko obliko izbere uporabnik sam iz seznama možnih

oblik, pri čemer lahko izbira med oblikami palica (tie-rod, angl.), nosilec (beam, angl.) in

plošča (panel, angl.). V primeru je uporabnik izbral nosilec, kar je pomeni, da je v danih

robnih pogojih materialni indeks:

/

Za material PA je vrednost indeksa 55, medtem ko je za PC 70. Ker je konstrukterski cilj

minimizirati maso, pravilo določi spremenljivko primernosti tako, da od 100 odšteje

vrednost materialnega indeksa polimernega materiala. S tem dosežemo, da dobi material

z manjšim materialnim indeksom večjo vrednost »confidence« spremenljivke, ter je

posledično ustreznejša izbira glede na konstrukterski cilj in dodatne robne pogoje.


68

Non eco-oriented design objective omogoča izbiro materiala, katere cilj ni neposredno

okolju najprijaznejši izdelek. Nekateri konstrukterski cilji pa kljub temu posredno vplivajo

na okoljski vidik določenega materiala. Če uporabnik za konstrukterski cilj izbere Minimize

mass, kjer izbiramo material, ki lahko ponudi zahtevane karakteristike pri najmanjši masi,

posredno izberemo tudi material, ki je okolju prijaznejši, saj je ena izmed smernic

konstruiranja za okolje zmanjševanje mase izdelka, pri čemer se porabi manj materiala in

posledično manj energije za njegovo izdelavo iz neobnovljivih virov. V primeru, da želi

uporabnik še dodatno vključiti v kriterije izbire okoljsko komponento, lahko to stori z

dodatnim definiranjem zahtev v sklopu tehničnih parametrov, med katere spadajo tudi

ekološki atributi.

7.3.2 Pravila, ki definirajo najprimernejši material glede na tehnične parametre

Drugi sklop pravil v logičnem bloku se nanaša na tehnične parametre, s katerimi lahko

uporabnik postavi omejitve pri izbiri materiala. Ta sklop pravil je ločen od sklopa, kjer

uporabnik definira cilje pri izbiri polimernega materiala. Logiko pri definiranju pravil za

referenčni primer omejitve pri izbiri materiala, v tem primeru z modulom elastičnosti, kjer

smo zajeli vse možnosti v odnosu vnos uporabnika − elastični modul materiala ABS, smo

zapisali z Boolovim testom:

IF:


Material


Mechanical

AND: Define prerequisite requirements for mechanical

attributes (multiple selection possible): Young's

modulus [GPa]

AND: Is your selection limited with maximal or minimal

value of chosen parameter? Max

a) Vnos uporabnika za modul elastičnosti je manjši, kot je elastični modul katerekoli

oblike ABS, zato formula določi negativno vrednost spremenljivki primernosti.

Vrednost spremenljivke je podprta tudi s komentarji.


69

AND: [Young_modulus_max] <1.1

THEN:

ABS: Confidence = -(1.1-[Young_modulus_max])*100


Young's modulus requirement, ABS is NOT appropriate

material for your product.

[Recommendation_material.ADD] ABS has Young's modulus

range between 1.1-2.9 [GPa].

b) Vnos uporabnika za modul elastičnosti je večji, kot je elastični modul katerekoli

oblike ABS, zato formula določi negativno vrednost spremenljivki primernosti.

Vrednost spremenljivke je podprta tudi s komentarji.

AND: [Young_modulus_max] >2.9

THEN:

ABS: Confidence = ((2.9-[Young_modulus_max])/2)*100


Young's modulus requirement, ABS is NOT appropriate




c) Vnos uporabnika za modul elastičnosti je tak, da je ABS po pravilu spoznan kot

ustrezen. Vrednost spremenljivke primernosti je enostavna in odraža visoko

verjetnost ustreznosti materiala. Vrednost spremenljivke je podprta tudi s

komentarji.

AND: ([Young_modulus_max]<=2.9)&([Young_modulus_max]>=1.1)

THEN:



Young's modulus requirement, ABS is appropriate





70

7.4 Delovanje modela sistema za izbiro polimernih materialov

Delovanje inteligentnega sistema za podporo odločanju se v programu Exsys Corvid

opredeli v kontrolnem bloku (CB), v katerem definiramo, kako naj sistem deluje. To v

praksi pomeni, da je potrebno definirati, kako naj deluje sistem v logičnem bloku, ter kdaj

in kako naj se izpišejo rezultati. CB v manjšem obsegu omogoča tudi oblikovanje

uporabniškega vmesnika.

Definiranje delovanja modela sistema v CB je bila razmeroma enostavna naloga, saj

imajo tudi zelo kompleksni sistemi zelo enostavne CB. Model sistema je dokaj

kompleksen sistem (cca. 700 vrstic, nod, angl.), ki mu je bilo za delovanje potrebno

definirati le smer veriženja. Za optimalno delovanje modela sistema smo mehanizmu

sklepanja v LB predpisali veriženje nazaj in izračun vseh spremenljivk primernosti. V

rezultatih smo definirali izpis vseh končnih vrednosti spremenljivk primernosti, ki

predstavljajo polimerne materiale. Sledi izpis priporočil, ki so razdeljena v pet skupin:

1) Environmental impact guidelines considered in current material selection process

(informacije o tem, katera priporočila za konstruiranje okolju prijaznih izdelkov so

bila uporabljena pri izbiri najustreznejšega polimernega materiala za izbrani

konstrukterski cilj);

2) Recommendations for polymer material candidates (informacije o ustreznosti

posameznega materiala glede na zahtevane kriterije);

3) Design for environment guidelines (priporočila za konstruiranje izdelka po

metodologiji konstruiranje za okolje);

4) General eco-design guidelines (splošna priporočila za okolju prijazno

konstruiranje);

5) Design approaches delivered by international standard ISO/TR 14062 to meet the

strategic environmental objectives (smernice za konstruiranje izdelkov po ISO/TR

14062).


71

7.5 Predlagana metoda izbire materiala

Proces izbire najprimernejšega materiala za določen izdelek po Ashbyju poteka v štirih

fazah oz. korakih: translacija zahtev, eliminacija neustreznih kandidatov, razvrščanje

potencialno primernih kandidatov ter preučitev dokumentacije (Ashby 1992). Kot smo

podrobneje zapisali v poglavju 5.2, sta faza eliminacije in rangiranja najbolj preučevani

fazi, z največ različnimi predlaganimi metodami za iskanje najustreznejšega materiala. Ob

preučevanju že predlaganih načinov in iskanju najprimernejšega, ki bi lahko bil osnova za

izgradnjo modela sistema, smo se odločili, da uporabimo nekatere že znane pristope. Ob

tem smo razvili svojo metodo, ki smo jo uporabili pri izdelavi modela za izbiro

polimernega materiala z upoštevanjem okoljskega vidika.

Prva omejitev je bila določitev obravnavane faze izbire materiala. Kot že mnogi

raziskovalci smo se omejili na fazo eliminacije neustreznih kandidatov in fazo rangiranja

tistih kandidatov, ki so ostali, saj sta ti dve fazi ključnega pomena za proces izbire

materiala. Ker smo z izgradnjo predlaganega modela sistema želeli ustvariti podporo

predvsem za neizkušene inženirje na začetku kariere, smo ocenili, da je ta potrebna v

omenjenih fazah procesa. Neizkušeni inženirji imajo dovolj znanja, da so zmožni uspešno

izpeljati translacijo zahtev o delovanju izdelka v materialne lastnosti. Zaradi pomanjkanja

izkušenj pa se pojavijo težave že pri eliminaciji neustreznih kandidatov, predvsem pa pri

evalvaciji ustreznosti nekega materiala v primerjavi z drugimi. Zadnja faza v procesu

izbire materiala je raziskovalno delo, ki ga inženirji laže opravijo, ko je nabor potencialnih

kandidatov zožen.

Vse metode obravnavajo problem izbire v enakem vrstnem redu: najprej eliminacija

neustreznih kandidatov, nato rangiranje potencialnih rešitev. V večini primerov, sploh

kadar gre za analitične, »neračunalniške« pristope, je to smiselno, saj je bistveno

enostavneje razvrščati manj kandidatov. V primeru predlaganega modela sistema sta z

vidika vgrajene logike obe fazi obravnavani kot enakovredni, sta v drevesu LB na istem

nivoju, zaporedje faz v obliki vprašanj za uporabnika pa daje prednost drugi fazi,

razvrščanju kandidatov. Uporabnik že v začetku uporabe modela sistema izbere

konstrukterski cilj (design objective, angl.), ki že upošteva določene tehnične parametre,

za katere je verjetno, da bi jih uporabnik za dani primer želel omejiti. V takem primeru se

obe fazi izvedeta tako rekoč simultano. Kadar pa uporabnik želi dodatne omejitve, lahko

to stori z omejevanjem različnih tehničnih parametrov, katerih vrednosti za spremenljivke

primernosti materialov (npr. [ABS]) so lahko zelo velike, navadno v negativno smer, kar


72

se pri končnem rezultatu »confidence« spremenljivk takoj prepozna kot neustreznost

posameznega kandidata.

Posebnost predlagane metode je predvsem v razvrščanju kandidatov, kar prikažemo z

vrednostmi spremenljivk primernosti. Kadar gre pri določanju vrednosti spremenljivki

primernosti le za grobo oceno, ali je kandidat ustrezen ali ne, je določanje enostavno, s

+/-10. Glavna prednost predlagane metode je posebna obravnava kandidatov/materialov,

katerih primernost za določen izdelek je na meji ustreznega. Z uvedbo formule smo

dosegli, da kandidat, ki le malo odstopa od zahtev, ni takoj obravnavan kot neustrezen,

saj formula poskrbi za minimalni odbitek pri vrednosti spremenljivke primernosti. Na tak

način poskrbimo, da kandidat ni preliminarno izločen iz nabora ustreznih materialov, saj

se v določenih primerih lahko izkaže za dobro rešitev, morda z manjšimi popravki na

konstrukciji izdelka. Ob tem je potrebno poudariti, da je v izpisu rezultatov opomba, ki

uporabnika obvesti, da kandidat ni izpolnil zahtev, ki jih je vnesel uporabnik, in tako ne

more priti do dezinformacije uporabnika. Enako se zgodi v primeru, kadar

kandidat/material odstopa v drugo, pozitivno smer.


73

8 STUDIJA PRIMERA

Ustreznost oz. uspešnost programskega orodja je odvisna od relevantnosti ter predvsem

pravilnosti rezultatov, ki jih generira tako orodje. Zato smo se odločili, da ustreznost

rezultatov, ki jih dobimo z modelom sistema za podporo odločanju pri izbiri polimernih

materialov z upoštevanjem okoljskih vidikov, preverimo na že rešenem primeru. Ker je

bila v mnogih pogledih, tudi predstavljenih v tem doktorskem delu, osnova za izdelavo

modela sistema Ashbyjev način pristopa in njegove metode izbire materiala, smo se

odločili, da model sistema testiramo na problemu, ki ga je Ashby predstavil v svoji

publikaciji (Ashby 2009), in ki se nanaša na izbiro polimernega materiala.

8.1 Predstavitev problema

Referenčni primer za evalvacijo modela sistema za podporo odločanju pri izbiri polimernih

materialov z upoštevanjem okoljskih vidikov smo izbrali primer avtomobilskega odbijača

(Ashby 2009). Izbira materiala v referenčnem primeru ni osredotočena zgolj na polimerne

materiale, saj zajema tudi kovine in hibridne materiale. Ker je model sistema razvit zgolj

za polimerne materiale, bomo primerjali rezultate le za to ciljno skupino.


74

Avtomobilski odbijač je komponenta vozila, katere naloga je zaščititi potnike v vozilu. Ob

trku vozila z obcestno pregrado ali drugim vozilom se prenese obremenitev na odbijač

vozila, ki se deformira in absorbira obremenitev. Gre za avtomobilski del, ki prispeva k

masi celotnega avtomobila, zato je največji vpliv, ki ga ta komponenta naredi na okolje, v

fazi uporabe v dobi trajanja, kar se lahko potrdi z izvedbo LCA-analize. Iz tega sledi, da je

glavni konstrukterski cilj znižati maso izdelka na minimalno možno ter ugotoviti, s katerim

polimernim materialom je to izvedljivo.

Tabela 8.1: Konstrukterske zahteve za primer avtomobilskega odbijača

Konstrukterske zahteve za komponento vozila

Funkcija:

avtomobilski odbijač – prenos obremenitve na absorpcijske elemente

Omejitev: velika trdnost

primerna lomna žilavost

možnost recikliranja

Konstrukterski cilj: minimiziranje mase za dano upogibno trdnost

Proste spremenljivke: izbor materiala

oblika prereza izdelka

Zaradi prenosa obremenitve pri trku iz drugega telesa na odbijač so zahteve po veliki

trdnosti in primerni lomni žilavosti smiselne. Dodatni kriterij omejitve pa se nanaša na

možnost recikliranja izdelka.

Pri izpeljavi materialnega indeksa za minimiziranje mase izdelka bomo upoštevali tudi

obliko izdelka. Pri razvoju modela sistema za podporo odločanju smo po Ashbyju povzeli

upoštevanje oblike pri izračunu vrednosti spremenljivkam primernosti, saj se vpliv

dodatnega parametra oblike, ki se kaže kot prirejen materialni indeks in vpliva na rezultat

izbire, zdi smiseln. Model sistema tako dovoljuje izbiro oblike med tremi osnovnimi

oblikami: palica, nosilec, plošča. Materialni indeks, ki je bil upoštevan v referenčnem

primeru avtomobilskega odbijača s konstrukterskimi zahtevami v tabeli 8.1, je tako:

/


75

8.2 Izbira materiala s predlaganim modelom sistema

V prejšnjem poglavju 8.1 smo zapisali, da je v primeru avtomobilskega odbijača potrebno

minimizirati maso izdelka, saj prav s to lastnostjo vplivamo na fazo uporabe v dobi

trajanja izdelka. Posredno z optimiranjem tega konstrukterskega cilja vplivamo tudi na

prvo fazo dobre trajanja, torej ekstrakcijo materiala. Zato v modelu sistema za

obravnavano fazo dobe trajanja izberemo material. Konstrukterski cilj ni neposredno

okoljski kriterij, kot so energija, potrebna za izdelavo materiala, okolju škodljive emisije v

zraku, poraba vode itd., zato izberemo ne-okoljsko orientiran konstrukterski cilj. V

nadaljevanju se usmerimo na minimiziranje mase izdelka, ki jo omejimo na upogibno

trdnost. Za obliko ocenimo, da je najboljši približek oblika nosilca. Model sistema bi v tem

primeru ponudil vrednosti spremenljivk primernosti za PA in PC, kot vidimo v spodnjem

pravilu.

IF:


Material

AND: What is the nature of your design objective? Non Eco-

oriented

AND: What is your design objective? Minimize mass

AND: Define mass selection: Selection for given bending

strength

AND: Is it possible to make shape approximation? Beam

THEN:

ABS: Confidence = 100-88

LDPE: Confidence = 100-102

HDPE: Confidence = 100-102

PET: Confidence = 100-89

PA: Confidence = 100-55

PC: Confidence = 100-70

Vrednost spremenljivk primernosti smo določili po predpisu, da vsak material oz.

spremenljivka primernosti le-tega pridobi vrednost 100, od katere smo nato odšteli

vrednost materialnega indeksa za posamezen material. Ker iščemo material z najmanjšim

materialnim indeksom (min. masa), materialni indeks odštevamo, saj tako zagotovimo,

da bo material z najmanjšim materialnim indeksom dal največjo vrednost primernosti.


76

Večja vrednost spremenljivke primernosti pa pomeni večjo ustreznost materiala, da

zadosti konstrukterskemu cilju.

Dodatna omejitev v sklopu zahtev o delovanju izdelka je bila, da mora obstajati možnost

recikliranja izdelka po pretečenem času uporabe v dobi trajanja izdelka.

IF:


Material


Ecological

AND: Define prerequisite requirements for mechanical

attributes (multiple selection possible): Recycling

THEN:

ABS: Confidence = 10+1

LDPE: Confidence = 10+10

HDPE: Confidence = 10+10

PET: Confidence = 10+20

PA: Confidence = 10+1

PC: Confidence = 10+1

Vrednost spremenljivk primernosti smo določili po predpisu, da vsak material oz.

spremenljivka primernosti le-tega pridobi vrednost 10, v kolikor je material možno

reciklirati. Vrednosti 10 smo nato prišteli še delež recikliranja v odstotkih, ki ga izraža

frakcija recikliranja znotraj količine proizvedenega materiala v svetovnem merilu. To

omogoča povečanje vrednosti spremenljivke primernosti oz. faktorja ustreznosti

posameznega materiala v primeru, da se material v praksi reciklira v večji meri.


77

8.3 Vrednotenje in primerjava rezultatov

Pravili v podpoglavju 8.2 prestavljata zapis produkcijskih pravil, ki upoštevajo

konstrukterski cilj (minimiziranje mase), in okoljski tehnični parameter recikliranja za

primer avtomobilskega odbijača. Model sistema za podporo odločanju pri izbiri

najprimernejšega polimernega materiala z upoštevanjem okoljskega vidika je dal

rezultate prikazane na sliki 8.1.

Slika 8.1: Rezultati izbire in priporočila ter informacije o materialnih karakteristikah

Iz diagrama prikazanih rezultatov po Ashbyju (Slika 8.2) vidimo, da sta najustreznejša

polimerna materiala za primer avtomobilskega odbijača, z upoštevanjem

konstrukterskega cilja in dodatnih omejitev, PA in PC. Model sistema da podobne

rezultate (Slika 8.1). Ustreznost PA je prav tako največja z vrednostjo spremenljivke

primernosti 56, sledi pa PC z 41. Naslednji po vrsti je PET z 31, vendar je iz priporočil

razvidno, da ima material PET zelo visoko frakcijo recikliranja, ki znaša do 22 %, kar je

doprineslo k višji vrednosti spremenljivke primernosti. Vrednosti spremenljivk primernosti


78

ostalih kandidatov so že za polovico manjše in jih zato ne štejemo med resne kandidate

za potencialno izbiro materiala.

Slika 8.2: Rezultati za primer avtomobilskega odbijača po Ashbyju (Ashby 2009)

Dodana vrednost predlaganega modela sistema za podporo odločanju je v priporočilih, ki

jih kot del rezultatov dobi inženir/uporabnik, saj model sistema ne predlaga le po

ustreznosti razvrščenih rezultatov, ampak jih tudi podpre s priporočili oz. z informacijami,

razdeljenimi v štiri sklope:

a) priporočila o ustreznosti posameznega materiala glede na podane zahteve ter

informacije o materialnih karakteristikah izbranih tehničnih parametrov (Slika

8.1);

b) priporočila za konstruiranje izdelkov po metodologiji konstruiranje za okolje (Slika

8.3);

c) splošna priporočila za »eco-design« (Slika 8.4);

d) smernice za konstruiranje po mednarodnem standardu ISO/TR 14062 (Slika 8.5).


79

Slika 8.3: Priporočila za konstruiranje izdelkov po metodologiji konstruiranje za okolje

Slika 8.4: Splošna priporočila za »eco-design«


80

Slika 8.5: Smernice za konstruiranje po mednarodnem standardu ISO/TR 14062


81

9 ANALIZA IN VREDNOTENJE NOVEGA MODELA

SISTEMA TER SMERNICE ZA NADALJNJE DELO

Končni rezultati v obliki najustreznejšega polimernega materiala, ki smo jih dobili z

uporabo modela sistema, so za referenčni primer avtomobilskega odbijača primerljivi, saj

pridemo do iste rešitve, za katero menimo, da je dovolj dobra. Posledično lahko

sklepamo, da je hevristika modela sistema dobra, ter da je predlagana metoda ustrezna

za primer izbire polimernih materialov z upoštevanjem okoljskega vidika. Ocenjujemo, da

je vgrajena logika modela sistema, v obliki logičnega bloka (LB), dobro zastavljena, ter da

se je odločitev o izgradnji odločitvenega drevesa z enakovrednim sklopom pravil za

konstrukterske cilje in tehnične parametre izkazala za pravilno.

Prednost diagramov je vizualna predstavitev rezultatov, saj uporabniku omogoča hitro

zaznavo situacije in neposreden vpogled v ustreznost kandidatov, saj je slika nedvoumna

in lahko z nje zlahka razberemo, kateri kandidati so najustreznejši, in v kolikšni meri so

ustrezni drugi glede na najustreznejšega. Ne glede na to, da model sistema rezultatov ne

poda v grafični obliki, pa inženir že na prvi pogled lahko oceni rezultate, saj so materiali

razvrščeni od najustreznejšega do najneustreznejšega. Ob nazivih materialov so izpisane

tudi vrednosti spremenljivke primernosti, ki uporabniku podajo informacijo o uspešnosti


82

kandidata in njihovo relativno uspešnost glede na ostale kandidate. Komentar rezultatov,

ki jih prejme uporabnik z uporabo modela, je ključna prednost modela sistema, saj

uporabnika opozori na morebitno (ne)ustreznost določenega kandidata. Kot je bilo

razvidno iz obravnavanega primera (poglavje 8.3), lahko dobi določen kandidat zaradi

izjemnega tehničnega parametra tudi zelo visoko vrednost spremenljivke primernosti, kar

ga posledično lahko uvrsti razmeroma visoko na lestvici najuspešnejših rešitev.

Priporočilo, ki ga najdemo v Recommendations for polymer material candidates,

uporabnika opozori na to posebnost. Dodatno vrednost modela sistema vidimo v

priporočilih za okolju prijazno konstruiranje izdelkov, ki so izpisani pod rezultati izbire

modela sistema, in sicer v treh sklopih: priporočila o ustreznosti posameznega materiala

glede na podane zahteve ter informacije o materialnih karakteristikah izbranih tehničnih

parametrov, priporočila za konstruiranje izdelkov po metodologiji konstruiranje za okolje,

splošna priporočila za »eco-design« ter smernice za konstruiranje po mednarodnem

standardu ISO/TR 14062. Nekatera priporočila oz. smernice za konstruiranje se ponovijo

v več sklopih, pri čemer tega ne štejemo kot slabost sistema, saj se lahko konstrukter

osredotoči na modifikacijo izdelka le z upoštevanjem enega sklopa, npr. ISO standarda.

Slabost modela sistema vidimo predvsem v obsežnosti njegovega zapisa, za katerega

menimo, da bi lahko bil enostavnejši, kar bi tudi olajšalo dodajanje novih materialov v

bazo znanja. V izogib temu smo pri izgradnji modela sistema želeli vzpostaviti povezavo z

eksterno datoteko, ki bi vsebovala vse materialne podatke, kar bi pri izgradnji baze

znanja zagotovilo enostavnejši zapis pravil, to pa bi v praksi pomenilo, da definiranje

spremenljivk primernosti za vsak posamezen material ne bi bilo potrebno. Način izgradnje

LB s povezavo z eksterno datoteko (npr. Excelovo datoteko) v programu Exsys Corvid je

možen, in sicer z izgradnjo metabloka (Meta Block, v nadaljevanju MB), ki je možna

oblika LB. Pri izgradnji MB smo naleteli na ovire, ki so povzročile, da izdelava modela z

uporabo MB ni bila primerna rešitev. MB deluje tako, da pravilo zažene tolikokrat, kolikor

je vrstic v Excelovi tabeli, torej materialov. Na tak način z Boolovim testom preverja,

kateri materiali so ustrezni glede na vnos (numerična vrednost) uporabnika. Glavno

problematiko pri izgradnji baze znanja je predstavljal del odločitvenega drevesa LB, s

katerim smo zapisali pravila za konstrukterske cilje, ki so jedro ideje modela sistema.

Nemogoče je bilo zapisati Boolov test tako, da bi dobili najprimernejšo rešitev brez vnosa

uporabnika. Ker je bil cilj izdelati model sistema, kjer bi uporabnik izbral konstrukterski

cilj, pri čemer se ne bi omejil (z numerično vrednostjo), ampak bi iskal najboljšo možnost

z minimiziranjem ali maksimiranjem konstrukterskega cilja, izgradnja MB ni bila več


83

primerna alternativa. Druga pomembna pomanjkljivost MB je iskanje poti v odločitvenem

drevesu le z veriženjem naprej, kar povzroči, da logika sistema ni ciljno naravnana. Ciljna

naravnanost je pri izdelavi inteligentnega sistema za podporo odločanju ključna, saj v

nasprotnem primeru sistem deluje podobno kot dobra baza podatkov, v kateri iščemo

najprimernejšo rešitev z vklapljanjem iskalnih filtrov.

Pri izgradnji modela sistema za izbiro najprimernejšega materiala za določen izdelek smo

se, zaradi ciljne skupine inženirjev, ki jim je model namenjen, omejili na družine

polimernih materialov, kot so ABS, PC, PA itd. Inženirji, ki še nimajo izkušenj s

konstruiranjem polimernih izdelkov, bi imeli lažje delo pri izbiri materiala, saj bi z uporabo

sistema lahko omejili iskanje najprimernejšega materiala na le nekaj družin materialov,

kar bi olajšalo proces izbire materiala v prvih fazah procesa konstruiranja.

9.1 Smernice za nadaljnje delo

Predlagani model sistema za podporo odločanju pri konstruiranju izdelkov iz polimernih

materialov z upoštevanjem okoljskega vidika v splošnem ustreza preliminarnim

zahtevam:

model sistema je zasnovan kot podpora neizkušenim inženirjem v zgodnji fazi

procesa konstruiranja;

produkcijska pravila so razdeljena v dva večja sklopa, ki ustrezno obravnavata

tehnične parametre in konstrukterske cilje, bodisi neposredno bodisi posredno

ekološko orientirane;

predstavljena metoda izbire materiala ima jasne zakonitosti, ki ustrezno določijo

vrednost spremenljivke primernosti ter posledično ustreznost materiala;

predlagana metoda specifično obravnava primere, kadar je ustreznost materiala

za posamezen tehnični parameter na meji glede na uporabnikov vnos, pri čemer

z uvedbo formule dosežemo minimalni pribitek ali odbitek k vrednosti;

rezultati so nedvoumno prikazani in podprti s komentarji;

rezultati predstavljajo tudi smernice za konstruiranje okolju prijaznih izdelkov.


84

Na podlagi pridobljenih izkušenj pri izgradnji modela sistema, rezultatih testiranj in

evalvacije modela je bilo ugotovljeno, da bi bilo model potrebno nadgraditi in modificirati

na naslednjih področjih:

razširitev baze znanja na več družin polimernih materialov;

razširitev baze znanja na več različic materialov znotraj družine polimernih

materialov, s posebnim poudarkom na biorazgradljivih materialih;

razširiti bazo znanja na polimerne materiale z ojačitvenimi vlakni, ki imajo velik

tržni delež;

izdelati več modulov znotraj modela, s katerimi bi lahko optimirali konstrukterske

cilje tudi v drugih fazah dobe trajanja izdelka ter ustvarili sinergijo med njimi;

poskušati modificirati model tako, da bo možna povezava z zunanjimi datotekami,

kar bi omogočilo poenostavitev zapisa logičnega bloka in enostavnejši vnos

dodatnih/novih materialov v bazo znanja.


85

10 SKLEP

Trend hitrega razvoja izdelkov je posledica potrošniške družbe, katere želja po vedno

novem še vedno narašča, pri čemer ni pričakovati sprememb v bližnji prihodnosti. Na

globalnem trgu se je tako pojavila konstantna potreba po novih, nizkocenovnih,

visokokakovostnih izdelkih. Uspešno podjetje je tisto, ki je sposobno konkurirati na trgu,

skuša slediti sloganu »maksimalna kvaliteta, minimalni stroški«, ter zato vlaga v razvoj

podjetja, izdelka. Finančno zdrava podjetja za zagotavljanje tega cilja najemajo

strokovnjake različnih problemskih področij in tako zagotavljajo večplastno optimizacijo

izdelka. Mala in srednje velika podjetja (SME's) se soočajo z ekonomsko bariero ter so na

področju znanja podhranjena. Posledično so konstrukterji pod velikim pritiskom, saj

morajo upravičiti zaupanje vodstva v nov izdelek ter premagati ovire, kot je neizkušenost,

predvsem mladega inženirskega kadra, t. i. »greenhorn«.

Uporaba orodij konstruiranja v procesu razvoja izdelka je stalnica, saj so podjetja v njih

našla koristno pomoč. Metodologija konstruiranje za X je vedno bolj razširjeno orodje,

katerega uporaba narašča v številnih znanih evropskih podjetjih. Značilna optimizacija

izdelka z doseganjem konstrukterskih ciljev je temelj različnih vej metodologije

konstruiranje za X.


86

Porast naravnih katastrof v zadnjem času je vplival na zavest ljudi, ki so pričeli

vzpodbujati težnje k okolju prijaznim izdelkom in k trajnostnemu razvoju. Ekološko

nesporen izdelek je tako dobil dodano vrednost, ki se je zavedajo tudi proizvajalci.

Medtem upoštevanje ekoloških standardov ni več vedno le nujno zlo, ampak postane

konstrukterski cilj, ki ga je možno tržiti. Pridobitev eko, bio certifikatov je postalo

zaželeno, zato se podjetja odločajo izboljšati svoje izdelke, jih narediti okolju prijaznejše.

Za zagotavljanje trajnostnega razvoja je nujna evalvacija s pristopom LCA, ki pokaže na

okoljsko najbolj kritično fazo v dobi trajanja izdelka. Velikokrat se izkaže, da je srž

problema že v ekstrakciji materiala, katerega izbira posledično vpliva na sledeče faze

proizvodnje, transporta, uporabe ter odstranitve.

Zaradi želje po prispevku k pereči okoljski problematiki pri konstruiranju izdelkov smo se

v sklopu doktorskega dela osredotočili na izgradnjo modela sistema za podporo odločanju

pri izbiri polimernih materialov z upoštevanjem okoljskih vidikov. Omejitev na izbiro

polimernih materialov je nastala zaradi izsledkov znanstvenega diskurza, ki kaže na velik

slabšalni vpliv polimernih izdelkov na okolje v fazi odstranitve v dobi trajanja izdelka.

Težave, ki nastajajo v zadnji fazi dobe trajanja izdelka, so neposredno povezane z izbiro

materiala za določen izdelek, kjer lahko v procesu izbire vplivamo na končni učinek

izdelka na okolje.

Pri izgradnji modela sistema smo zasledovali preliminarne cilje, ki se nanašajo na

računalniško podporo inženirskemu delu pri konstruiranju izdelkov iz polimernih

materialov, pri čemer so konstrukterski cilji neposredno ali posredno okoljsko orientirani.

V teh okvirjih smo preučili področji konstruiranja izdelkov iz polimernih materialov in

metodologijo konstruiranja za okolje. Zbrano znanje, izkušnje in priporočila smo primerno

sistematično uredili ter zapisali v bazo znanja. Z uporabo komercialnega programskega

orodja smo razvili model sistema, z uporabo katerega lahko uporabnik interaktivno določi

konstrukterski cilj in omejitvene tehnične parametre, kar se rezultira kot descendentno

razvrščeni materiali od najustreznejšega naprej. Dodana vrednost modela sistema so

informacije o tehničnih parametrih in priporočila za konstruiranje okolju prijaznih

izdelkov, ki so razdeljena na splošna priporočila za »eko-design«, priporočila na podlagi

konstruiranja za okolje ter na smernice po mednarodnem standardu ISO/TR 14062.

Pričakovane izvirne znanstvene prispevke smo s tem realizirali, metoda, ki smo jo razvili

za potrebe zapisa logike modela sistema, pa je izvirni prispevek k znanosti, ki v sklopu

doktorske disertacije ni bil načrtovan.


87

Prispevek k inženirskemu delu je za avtorico pomemben vidik tega doktorskega dela, saj

s predlaganim modelom sistema omogoča enostavnejšo izbiro polimernega materiala

manj izkušenim konstrukterjem v zgodnji fazi procesa konstruiranja, obenem pa lahko

služi izkušenemu inženirju kot ustrezna pomoč pri evalvaciji izbranega polimernega

materiala. Posledično je razvoj izdelka hitrejši, cenejši in učinkovitejši, saj lahko model

sistema do določene mere nadomesti znanje in izkušnje konstrukterja, ki so pri izbiri

materiala ključnega pomena. Ne nazadnje vidimo v predlaganemu modelu sistema

droben prispevek k trajnostnemu razvoju, ki je izrednega pomena ob netrajnostnem

življenjskem slogu človeka.


88

LITERATURA

Aggarwal, A., P. K. Sharma, et al. (1993). "An Expert System for Aid in Material Selection Process." INTERNATIONAL ENGINEERING MANAGEMENT CONFERENCE: 27−31.

Allwood, J. M., M. F. Ashby, et al. (2011). "Material efficiency: a white paper." Resources, Conservation and Recycling 55(3): 362−381.

Amen, R. and P. Vomacka (2001). "Case-based reasoning as a tool for materials selection." Materials & Design 22(5): 353−358.

Ashby, M. F. (1992). Materials selection in mechanical design : [function, material, shape, process]. App. C, Materials and process selection charts. Oxford [u. a.], Pergamon Pr.

Ashby, M. F. (2009). Materials and the environment eco-informed material choice. Amsterdam; Boston; Heidelberg [etc.], Butterworth-Heinemann : Elsevier.

Ashby, M. F. (2011). Materials selection in mechanical design. Amsterdam; Boston; Burlington, Mass., Elsevier ; Butterworth-Heinemann.

Ashby, M. F., Y. J. M. Bréchet, et al. (2004). "Selection strategies for materials and processes." Materials & Design 25(1): 51−67.

Ashby, M. F. and K. Johnson (2002). Materials and design : the art and science of material selection in product design. Oxford; Boston, Butterworth-Heinemann.

Askeland, D. R. and P. P. Fulay (2008). Essentials of Materials Science and Engineering, Cengage Learning.

ASM_International (2003). Characterization and failure analysis of plastics, ASM International.

Booker, J. (2011). "A survey-based methodology for prioritising the industrial implementation qualities of design tools." Journal of Engineering Design: 1-19.

Budinski, K. G. and M. K. Budinski (2010). Engineering materials : properties and selection. Upper Saddle River, N. J.; London, Pearson.


89

Cao, H. J., F. Liu, et al. (2006). "An Integrated Method for Product Material Selection Considering Environmental Factors and a Case Study." MSF Materials Science Forum 532-533: 1032−1035.

Chen, R. W., D. Navin-Chandra, et al. (1994). A systematic methodology of material selection with environmental considerations. IEEE International Symposium on Electronics and the Environment, Proceedings.

Chiner, M. (1988). "Planning of expert systems for materials selection." Materials & Design 9(4): 195−203.

Cicek, K. and M. Celik (2010). "Multiple attribute decision-making solution to material selection problem based on modified fuzzy axiomatic design-model selection interface algorithm." Materials & Design 31(4): 2129−2133.

Cooper, J. S. (2004). "Design analysis of PEMFC bipolar plates considering stack manufacturing and environment impact." Journal of Power Sources 129(2): 152−169.

Dargie, P. P., K. Parmeshwar, et al. (1982). "MAPS-1: Computer-Aided Design System for Preliminary Material and Manufacturing Process Selection." Journal of Mechanical Design 104(1): 126−136.

Edwards, K. L. (2005). "Selecting materials for optimum use in engineering components." Materials & Design 26(5): 469−473.

Edwards, K. L. and Y. M. Deng (2007). "Supporting design decision-making when applying materials in combination." Materials and Design 28(4): 1288−1297.

Farag, M. M. (1979). Materials and process selection in engineering. London, Applied Science.

Farag, M. M. (2007). Quantitative Methods of Materials Selection. Handbook of Materials Selection. M. Kutz, John Wiley & Sons, Inc.: 1−24.

Giudice, F., G. La Rosa, et al. (2005). "Materials selection in the Life-Cycle Design process: a method to integrate mechanical and environmental performances in optimal choice." Materials & Design 26(1): 9−20.

Giudice, F., G. La Rosa, et al. (2006). Product design for the environment : a life cycle approach. Boca Raton, CRC/Taylor & Francis.

Goel, V. and J. Chen (1996). "Application of expert network for material selection in engineering design." Computers in Industry 30(2): 87−101.

Gungor, A. and S. M. Gupta (1999). "Issues in environmentally conscious manufacturing and product recovery: a survey." Computers & Industrial Engineering 36(4): 811−853.

Holloway, L. (1998). "Materials selection for optimal environmental impact in mechanical design." Materials & Design 19(4): 133−143.

Howarth, G. and M. Hadfield (2006). "A sustainable product design model." Materials & Design 27(10): 1128−1133.

Huang, G. Q. (1996). Design for X : concurrent engineering imperatives. London, Chapman & Hall.

Huang, H., Z. Liu, et al. (2009). "Materials selection for environmentally conscious design via a proposed life cycle environmental performance index." The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 44(11): 1073-1082.

Ilgin, M. A. and S. M. Gupta (2010). "Environmentally conscious manufacturing and product recovery (ECMPRO): a review of the state of the art." Journal of Environmental Management 91(3): 563−591.

International Organization for Standardization (2002). ISO/TR 14062: Environmental Management - Integrating Environmental Aspects Into Product Design and Development, ISO.

Jahan, A., M. Y. Ismail, et al. (2010). "Material screening and choosing methods – a review." Materials & Design 31(2): 696−705.


90

Kim, I. S., Y. K. D. V. Prasad, et al. (2004). "A study on an intelligent system to predict the tensile stress in welding using solar energy concentration." Journal of Materials Processing Technology 153–154(0): 649−653.

Kraut, B., J. Puhar, et al. (2007). Krautov strojniški priročnik. Ljubljana, Littera picta. Kumar, S. and R. Singh (2007). "A short note on an intelligent system for selection of

materials for progressive die components." Journal of Materials Processing Technology 182(1–3): 456−461.

Kuo, T.-C., S. H. Huang, et al. (2001). "Design for manufacture and design for ‘X’: concepts, applications, and perspectives." Computers & Industrial Engineering 41(3): 241−260.

Lewandowska, A. and P. Kurczewski (2010). "ISO 14062 in theory and practice - ecodesign precedure. Part 1: structure and theory." International Journal of Life Cycle Assessment 15: 769−776.

Ljungberg, L. Y. (2007). "Materials selection and design for development of sustainable products." Materials & Design 28(2): 466−479.

Mejasson, P., M. Petridis, et al. (2001). "Intelligent design assistant (IDA): a case base reasoning system for material and design." Materials & Design 22(3): 163−170.

Palcic, I. and B. Lalic (2009). "Analytical hierarchy process as a tool for selecting and evaluating projects." International journal of simulation modelling 8(1): 16−26.

Sancin, U., M. Dobravc, et al. (2010). "Human cognition as an intelligent decision support system for plastic products’ design." Expert Systems with Applications 37(10): 7227−7233.

Sancin, U. and B. Dolsak (2011). "Decision support system for designing with polymer materials - current challenges and future expectations." Efficient decision support systems - practice and challenges from current to future: 493−508.

Shanian, A. and O. Savadogo (2006). "ELECTRE I Decision Support Model for Material Selection of Bipolar Plates for Polymer Electrolyte Fuel Cells Applications." JOURNAL OF NEW MATERIALS FOR ELECTROCHEMICAL SYSTEMS 9(3): 191−200.

Shanian, A. and O. Savadogo (2006). "A material selection model based on the concept of multiple attribute decision making." Materials & Design Materials & Design 27(4): 329−337.

Shanian, A. and O. Savadogo (2006). "A non-compensatory compromised solution for material selection of bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) using ELECTRE IV." Electrochimica Acta Electrochimica Acta 51(25): 5307−5315.

Thompson, B. S. (1999). "Environmentally-sensitive design: Leonardo WAS right!" Materials & Design 20(1): 23−30.

Tooley, M. H. (2010). "Design engineering manual." from http://site.ebrary.com/id/10409708.

Turban, E., J. E. Aronson, et al. (2005). Decision support systems and intelligent systems. Upper Saddle River, NJ, Pearson/Prentice Hall.

Ullah, A. M. M. S. and K. H. Harib (2008). "An intelligent method for selecting optimal materials and its application." Advanced Engineering Informatics 22(4): 473-483.

Ullman, D. G. (2003). The mechanical design process, McGraw-Hill. Ullman, E. and L. Rydén (1987). "Development of a National materials data base in

Sweden." Materials & Design 8(6): 346−349. Van Kesteren, I., P. Kandachar, et al. (2007). "Activities in selecting materials from the

perspective of product designers." International Journal of Design Engineering 1(1): 83−103.


91

Van Kesteren, I., P. J. Stappers, et al. (2007). "Materials in product selection: tools for including user-interaction aspects in material selection." International Journal of Design 1(3): 41−55.

Vidal, A., M. Alberti, et al. (2005). "A decision support system for optimising the selection of parameters when planning milling operations." International journal of machine tools & manufacture. 45(2): 201−210.

Weaver, P. M., M. F. Ashby, et al. (1996). "Selection of materials to reduce environmental impact: a case study on refrigerator insulation." Materials & Design 17(1): 11−17.

Wegst, U. G. K., Ashby M. F. (1998). The development and use of a methodology for the environmentally-conscious selection of materials. The third bienal world conference in ontegrated design and process technology (IDPT). Berlin, Germany. 5: 88−93.

Westkämper, E., L. Alting, et al. (2000). "Life Cycle Management and Assessment: Approaches and Visions Towards Sustainable Manufacturing (keynote paper)." CIRP Annals - Manufacturing Technology 49(2): 501−526.

Zhang, H. C., T. C. Kuo, et al. (1997). "Environmentally conscious design and manufacturing: a state-of-the-art survey." Journal of Manufacturing Systems 16(5): 352−371.

Documents

MODEL INTELIGENTNEGA SISTEMA ZA PODPORO ODLOČANJU … · Pri svojem delu konstrukterji mnogokrat naletijo na dileme v procesu odločanja, pri čemer so mladi, neizkušeni inženirji