EKONOMI, LINGKUNGAN DAN ISU SOSIAL DALAM ILMU DAN TEKNIK MATERIAL
- PERTIMBANGAN EKONOMI
Tak perlu dikatakan bahwa praktik rekayasa melibatkan penggunaan prinsip ilmiah untuk merancang komponen dan sistem yang kinerjanya andal dan memuaskan. Kekuatan pendorong penting lainnya dalam praktik rekayasa adalah ekonomi; Secara sederhana, perusahaan atau institusi harus menyadari keuntungan dari produk yang diproduksinya dan jual. Insinyur mungkin merancang komponen yang sempurna; Namun, seperti diproduksi, itu harus ditawarkan untuk dijual dengan harga yang menarik bagi konsumen, dan, sebagai tambahan, mengembalikan keuntungan yang sesuai kepada perusahaan. Hanya gambaran singkat mengenai pertimbangan ekonomi penting yang mereka terapkan pada insinyur bahan yang akan diberikan. Siswa mungkin ingin berkonsultasi dengan referensi yang diberikan di akhir bab ini yang membahas teknik ekonomi secara rinci. Ada tiga faktor di mana insinyur material memiliki kendali dan yang mempengaruhi biaya suatu produk; Mereka adalah (1) desain komponen, (2) bahan yang digunakan, dan (3) teknik manufaktur yang digunakan. Faktor-faktor ini saling terkait dalam perancangan komponen tersebut yang dapat mempengaruhi material mana yang digunakan, dan kedua desain komponen dan bahan yang digunakan akan memengaruhi pemilihan teknik manufaktur. Pertimbangan ekonomi untuk masing-masing faktor ini sekarang sudah dibahas.
- 21.2 DESAIN KOMPONEN
Beberapa fraksi dari biaya komponen dikaitkan dengan disainnya. Dalam konteks ini, desain komponen adalah spesifikasi ukuran, bentuk, dan konfigurasi, yang akan mempengaruhi kinerja komponen dalam layanan. Misalnya, jika ada kekuatan mekanik, analisis stres mungkin diperlukan. Gambar terperinci komponen harus dipersiapkan; komputer biasanya digunakan, menggunakan perangkat lunak yang telah dihasilkan untuk fungsi spesifik ini. Seringkali kasus bahwa komponen tunggal adalah bagian dari perangkat atau sistem kompleks yang terdiri dari sejumlah besar komponen (mis., Televisi, mobil, VCR, dll.). Dengan demikian, desain harus mempertimbangkan kontribusi masing-masing komponen terhadap pengoperasian sistem yang lengkap secara efisien. Desain komponen adalah proses yang sangat berulang yang melibatkan banyak kompromi dan trade-off. Insinyur harus mengingat bahwa perancangan komponen yang optimal mungkin tidak dimungkinkan karena kendala sistem.
- 21.3 MATERI
Dari sisi ekonomi, kita ingin memilih bahan atau bahan yang memiliki kombinasi sifat yang paling murah. Begitu sebuah keluarga bahan telah dipilih yang memenuhi batasan desain, perbandingan biaya dari berbagai bahan kandidat dapat dibuat berdasarkan biaya per bagian. Harga bahan biasanya dikutip per satuan massa. Volume bagian dapat ditentukan dari dimensi dan geometri, yang kemudian diubah menjadi massa dengan menggunakan kerapatan material. Selain itu, selama pembuatan di sana biasanya ada beberapa limbah material yang tidak dapat dihindari, yang juga harus diperhitungkan dalam perhitungan ini. Harga saat ini untuk berbagai macam bahan rekayasa terdapat dalam Lampiran C.
- 21.4 TEKNIK MANUFAKTUR
Seperti telah dinyatakan, pilihan proses manufaktur akan dipengaruhi oleh material yang dipilih dan desain bagian. Seluruh proses manufaktur biasanya terdiri dari operasi primer dan sekunder. Operasi primer adalah bahan yang mengubah bahan mentah menjadi bagian yang dapat dikenali (misalnya pengecoran, pembentukan plastik, pemadatan bubuk, pencetakan, dll.), Sedangkan yang sekunder kemudian dipekerjakan untuk menghasilkan bagian yang selesai (misalnya perawatan panas, pengelasan, penggilingan, pengeboran, pengecatan, dekorasi). Pertimbangan biaya utama untuk proses ini meliputi peralatan modal, perkakas, tenaga kerja, perbaikan, downtime mesin, dan limbah. Tentu saja, dalam analisis biaya ini, tingkat produksi merupakan pertimbangan penting. Jika bagian ini adalah salah satu komponen dari suatu sistem, maka biaya perakitan juga harus ditangani. Dan, akhirnya, pasti akan ada biaya yang terkait dengan inspeksi dan pengemasan produk akhir.
Sebagai sidelight, ada juga faktor lain yang tidak terkait langsung dengan desain, material, atau manufaktur yang sesuai dengan harga jual produk. Faktor-faktor ini meliputi tunjangan tenaga kerja, tenaga kerja pengawas dan manajemen, penelitian dan pengembangan, properti dan sewa, asuransi, keuntungan, pajak, dan sebagainya.
- PERTIMBANGAN LINGKUNGAN DAN SOSIAL
Teknologi modern dan pembuatan produk terkait mempengaruhi masyarakat kita dengan berbagai cara - ada yang positif, yang lainnya merugikan. Selain itu, dampak ini bersifat ekonomi dan lingkungan, dan cakupan internasional karena (1) sumber daya yang dibutuhkan untuk teknologi baru sering kali berasal dari berbagai negara, (2) kemakmuran ekonomi yang dihasilkan dari perkembangan teknologi secara global, dan (3) dampak lingkungan dapat melampaui batas satu negara. Bahan memainkan peran penting dalam skema teknologi ekonomi-lingkungan ini. Bahan yang digunakan di beberapa produk akhir dan kemudian dibuang melewati beberapa tahap atau fase; tahap ini ditunjukkan pada Gambar 21.1, yang kadang-kadang disebut '' siklus bahan total '' atau hanya '' siklus bahan ', dan mewakili sirkuit kehidupan' 'buaian-ke-kuburan' dari sebuah material. Dimulai dari sisi kiri Gambar 21.1, bahan baku diambil dari habitat alamiah alami mereka melalui pertambangan, pengeboran, pemanenan, dan lain-lain. Bahan baku ini kemudian diparut, diolah kembali, dan diubah menjadi bentuk bulk seperti logam, semen, minyak bumi, karet, serat, dan lain-lain. Sintesis dan hasil pengolahan lebih lanjut menghasilkan produk yang disebut 'bahan rekayasa'; Contohnya meliputi paduan logam, serbuk keramik, kaca, plastik, komposit, semikonduktor, elastomer. Selanjutnya, bahan yang direkayasa ini selanjutnya dibentuk, dirawat, dan dirakit menjadi produk, perangkat, dan peralatan yang siap digunakan untuk konsumen - ini merupakan tahap 'desain produk, manufaktur, perakitan' pada Gambar 21.1. Konsumen membeli produk ini dan menggunakannya (tahap 'aplikasi') sampai habis atau usang dibuang. Pada saat ini konstituen produk dapat didaur ulang / digunakan kembali (dimana mereka memasukkan kembali siklus bahan) atau dibuang sebagai limbah, biasanya dibakar atau dibuang sebagai limbah padat di lahan kota - seperti itu, mereka kembali ke bumi dan lengkapi siklus bahan. Telah diperkirakan bahwa di seluruh dunia, berdasarkan pesanan 15 miliar ton bahan baku diambil dari bumi setiap tahun; beberapa di antaranya dapat diperbaharui dan beberapa tidak. Seiring waktu, semakin jelas bahwa bumi hampir merupakan sistem tertutup yang relatif terhadap bahan penyusunnya, dan bahwa sumber dayanya tidak terbatas. Selain itu, seiring bertambahnya masyarakat dan populasi kita, sumber daya yang tersedia menjadi lebih langka, dan perhatian yang lebih besar harus diberikan pada pemanfaatan sumber daya yang lebih efektif ini dibandingkan dengan siklus bahan ini. Selanjutnya, energi harus dipasok pada setiap tahap siklus; di Amerika Serikat diperkirakan bahwa sekitar setengah dari energi yang dikonsumsi oleh industri manufaktur digunakan untuk memproduksi dan membuat bahan. Energi adalah sumber yang pada tingkat tertentu terbatas pada pasokan dan tindakan harus dilakukan untuk menghemat dan memanfaatkannya secara lebih efektif dalam produksi, penerapan, dan pembuangan bahan. Dan, akhirnya, ada interaksi dan dampak pada lingkungan alam pada semua tahap siklus bahan. Kondisi atmosfer, air, dan daratan bumi sangat bergantung pada seberapa hati-hati kita melintasi siklus bahan ini. Beberapa kerusakan ekologis dan pembusukan bebatuan pasti terjadi selama ekstraksi fase bahan baku. Polutan dapat dihasilkan yang dikeluarkan ke udara dan air selama tahap sintesis dan pengolahan; Selain itu, bahan kimia beracun yang diproduksi harus dibuang atau dibuang. Produk akhir, perangkat, atau alat harus dirancang sedemikian rupa sehingga selama masa hidupnya, dampak terhadap lingkungan minimal; Selanjutnya, pada akhir hidupnya, paling banter, ketentuan dibuat untuk mendaur ulang bahan komponennya, atau setidak-tidaknya untuk pembuangan dengan sedikit degradasi ekologi (yaitu, hal itu harus dapat terurai secara hayati). Daur ulang produk bekas daripada membuangnya sebagai limbah adalah pendekatan yang diinginkan karena beberapa alasan. Pertama-tama, menggunakan bahan daur ulang menguraikan kebutuhan untuk mengekstrak bahan baku dari bumi, dan dengan demikian melestarikan sumber daya alam dan menghilangkan dampak ekologi terkait dari fase ekstraksi. Kedua, kebutuhan energi untuk pengerjaan dan pengolahan bahan daur ulang biasanya kurang dari pada mitra alami mereka; Sebagai contoh, kira-kira 28 kali lebih banyak energi dibutuhkan untuk memperbaiki bijih aluminium alami daripada mendaur ulang minuman aluminium. Dan, akhirnya, tidak perlu membuang bahan daur ulang. Dengan demikian, siklus bahan ini (Gambar 21.1) benar-benar merupakan sistem yang melibatkan interaksi dan pertukaran antara bahan, energi, dan lingkungan. Di banyak negara, masalah dan masalah lingkungan ditangani oleh penetapan standar yang dimandatkan oleh badan pengatur pemerintah. Selanjutnya, dari perspektif industri, menjadi incumbent bagi para insinyur untuk mengajukan solusi yang layak terhadap masalah lingkungan yang ada dan yang potensial. Memperbaiki masalah lingkungan yang terkait dengan manufaktur akan memengaruhi harga produk. Artinya, biaya produksi biasanya lebih besar untuk produk '' hijau '' (atau '' ramah lingkungan '') daripada produk sejenis yang diproduksi dengan kondisi dimana masalah lingkungan diminimalkan. Dengan demikian, perusahaan harus menghadapi dilema dari pertukaran ekonomi-lingkungan potensial ini dan kemudian memutuskan kepentingan relatif ekonomi dan dampak lingkungan.
Salah satu pendekatan yang sedang dilakukan oleh industri untuk memperbaiki kinerja lingkungan produk disebut analisis / penilaian siklus hidup. Dengan pendekatan terhadap desain produk ini, pertimbangan diberikan pada penilaian lingkungan buaian-ke-gravitasi produk, dari ekstraksi bahan hingga pembuatan produk hingga penggunaan produk, dan akhirnya, untuk daur ulang dan pembuangan; kadang-kadang pendekatan ini juga diberi label sebagai '' desain hijau. '' Salah satu fase penting dari pendekatan ini adalah mengkuantifikasi berbagai masukan (mis., materi dan energi) dan keluaran (mis., limbah) untuk setiap fase siklus hidup; Ini ditunjukkan secara skematis pada Gambar 21.2. Selain itu, penilaian dilakukan relatif terhadap dampak pada lingkungan global dan lokal dalam hal dampak terhadap ekologi, kesehatan manusia, dan cadangan sumber daya.
- 21.5 DAUR ULANG UTAMA DALAM ILMU MATERIAL DAN TEKNIK
Tahap penting dalam siklus bahan di mana bahan sains dan teknik memainkan peran penting adalah daur ulang dan pembuangan. Isu daur ulang dan disposability penting saat bahan baru dirancang dan disintesis. Selanjutnya, selama proses pemilihan bahan, disposisi akhir dari bahan yang digunakan harus menjadi kriteria penting. Mari kita selesaikan bagian ini dengan membahas beberapa masalah daur ulang / disposability ini. Dari perspektif lingkungan, bahan ideal harus benar-benar dapat didaur ulang atau benar-benar dapat terurai secara hayati. Dapat didaur ulang berarti bahwa suatu bahan, setelah menyelesaikan siklus hidupnya dalam satu komponen, dapat diproses ulang, dapat memasuki kembali siklus bahan, dan dapat digunakan kembali di komponen lain - sebuah proses yang dapat diulang beberapa kali. Dengan benar-benar biodegradable, kita maksudkan bahwa, oleh interaksi dengan lingkungan (bahan kimia alami, mikroorganisme, oksigen, panas, sinar matahari, dll.), Bahan tersebut memburuk dan kembali ke keadaan yang hampir sama dengan keberadaannya sebelum pemrosesan awal. Bahan teknik menunjukkan berbagai tingkat daur ulang dan biodegradabilitas.
METAL
Sebagian besar paduan logam (mis., Fe, Cu), sampai satu derajat atau mengalami korosi lain dan juga dapat terurai secara hayati. Namun, beberapa logam (misalnya, Hg, Pb) bersifat toksik dan, Saat mendarat, mungkin menimbulkan bahaya kesehatan. Selanjutnya, paduan logam yang paling banyak dapat didaur ulang; Di sisi lain tidak layak untuk mendaur ulang semua paduan dari setiap logam. Selain itu, kualitas paduan yang didaur ulang cenderung berkurang setiap siklusnya. Desain produk harus memungkinkan pembongkaran komponen yang terdiri dari paduan yang berbeda. Masalah lain dari daur ulang melibatkan pemisahan berbagai jenis paduan (mis., Aluminium dari paduan besi) setelah pembongkaran dan pencabutan; Dalam hal ini, beberapa teknik pemisahan yang agak cerdik telah dirancang (mis., magnet dan gravitasi). Bergabung dengan paduan yang berbeda menghadirkan masalah kontaminasi; Sebagai contoh, jika dua paduan serupa digabungkan, pengelasan lebih disukai daripada mengunci atau memukau. Pelapis (cat, lapisan anodized, claddings, dll.) Mungkin juga bertindak sebagai kontaminan, dan membuat bahan tidak dapat didaur ulang. Paduan alumunium sangat tahan korosi, dan karenanya tidak dapat terbiodegradasi. Untungnya, bagaimanapun, mereka mungkin didaur ulang; Sebenarnya, aluminium adalah logam nonferrous yang dapat didaur ulang. Karena aluminium tidak mudah terkorosi, itu mungkin benar-benar reklamasi. Rasio energi yang rendah diperlukan untuk memperbaiki aluminium daur ulang relatif terhadap produksi utamanya. Selain itu, ada sejumlah besar paduan yang tersedia secara komersial yang telah dirancang untuk mengakomodasi kontaminasi pengotor. Sumber utama aluminium daur ulang digunakan kaleng minuman dan mobil bekas bekas.
KACA
Salah satu bahan keramik yang dikonsumsi oleh masyarakat umum dalam jumlah besar adalah kaca, dalam bentuk wadah. Kaca adalah bahan yang relatif lembam, dan karena itu, tidak membusuk; Dengan demikian, hal itu tidak dapat terurai secara hayati. Proporsi yang signifikan dari pengadaan lahan kota terdiri dari limbah kaca; Begitu pula residu insinerator. Selain itu, tidak ada kekuatan pendorong ekonomi yang signifikan untuk mendaur ulang kaca. Bahan baku dasarnya (pasir, soda ash, dan batu kapur) murah dan mudah didapat. Selanjutnya, kaca yang disuplai (juga disebut '' cullet '') harus diurutkan menurut warna (jelas, kuning, dan hijau), menurut jenis (piring versus wadah), dan dengan komposisi (kapur, timbal, dan borosilikat [atau Pyrex]) ; Prosedur pemilahan ini adalah memakan waktu dan mahal. Oleh karena itu, kaca memo memiliki nilai pasar rendah, yang mengurangi daur ulangnya. Keuntungan memanfaatkan kaca daur ulang mencakup laju produksi yang lebih cepat dan meningkat serta pengurangan emisi polutan.
PLASTIK DAN KARET
Salah satu alasan mengapa polimer sintetis (termasuk karet) sangat populer karena bahan tekniknya terletak pada inertness kimia dan biologisnya. Di sisi bawah, karakteristik ini benar-benar merupakan tanggung jawab dalam hal pembuangan limbah. Polimer tidak dapat terurai secara hayati, dan karena itu, komponen tersebut merupakan komponen lahan yang penting; Sumber utama limbah berasal dari kemasan, mobil sampah, ban mobil, dan barang tahan lama domestik. Polimer biodegradable telah disintesis, namun harganya relatif mahal untuk diproduksi. Di sisi lain, karena beberapa polimer mudah terbakar dan tidak menghasilkan emisi beracun atau berpolusi yang cukup besar, mereka mungkin dibuang dengan insinerasi. Polimer termoplastik, khususnya polietilen tereftalat, polietilena, dan polipropilena, adalah yang paling bisa menerima reklamasi dan daur ulang, karena dapat direformasi pada pemanasan. Penyortiran menurut jenis dan warna sangat diperlukan. Di Amerika Serikat, sortir jenis bahan kemasan difasilitasi dengan menggunakan angka kode identifikasi; misalnya, '' 1 '' menunjukkan high density polyethylene (HDPE). Tabel 21.1 menyajikan nomor kode daur ulang ini beserta bahan-bahannya yang terkait. Juga termasuk dalam tabel penggunaan bahan perawan dan daur ulang. Daur ulang plastik dipersulit dengan adanya fi llers (Bagian 14.12) yang ditambahkan untuk memodifikasi sifat asli. Plastik daur ulang lebih murah dari bahan aslinya, dan kualitas dan penampilan umumnya terdegradasi dengan setiap daur ulang. Aplikasi khas untuk plastik daur ulang meliputi sol sepatu, pegangan alat, dan produk industri seperti palet. Daur ulang resin termoset jauh lebih sulit karena bahan ini tidak mudah dilepas atau dibentuk kembali karena strukturnya yang berikatan silang atau jaringan. Beberapa termoset digiling dan ditambahkan ke bahan cetakan perawan sebelum diproses; Dengan demikian, mereka didaur ulang sebagai bahan pengisi. Bahan karet menghadirkan beberapa tantangan pembuangan dan daur ulang. Bila divulkanisir, bahan termoset, yang membuat daur ulang kimia menjadi sulit. Selain itu, mereka mungkin juga berisi berbagai fi llers. Sumber utama skrap karet di Amerika Serikat dibuang ban mobil, yang sangat nonbiodegradable. Ban skrap telah digunakan sebagai bahan bakar untuk beberapa aplikasi industri (mis., Pabrik semen), namun menghasilkan emisi yang kotor. Ban karet daur ulang yang telah dipecah dan dibentuk ulang digunakan dalam berbagai aplikasi seperti penjaga bumper otomotif, lumpur apung, tikar pintu, dan rol conveyor; dan, tentu saja, digunakan ban juga bisa diulang. Selain itu, ban karet bisa digiling menjadi potongan kecil yang kemudian digabungkan kembali ke bentuk yang diinginkan dengan menggunakan beberapa jenis perekat; bahan yang dihasilkan dapat digunakan dalam sejumlah aplikasi yang tidak mencolok seperti alas tempat dan mainan karet. Alternatif daur ulang yang paling mudah untuk bahan karet tradisional adalah elastomer termoplastik (Bagian 13.16). Menjadi termoplastik di alam mereka tidak terikat silang secara kimia dan, dengan demikian, mudah dibentuk ulang. Selanjutnya, kebutuhan energi produksi lebih rendah daripada karet termoset karena langkah vulkanisasi tidak diperlukan dalam pembuatannya.
BAHAN KOMPOSIT
Komposit secara inheren sulit untuk didaur ulang karena bersifat multiphase. Dua atau lebih fase / bahan yang merupakan komposit biasanya saling bercampur pada skala yang sangat bagus; Oleh karena itu, pemisahan fase / material secara lengkap hampir tidak mungkin dilakukan, dan prosedur daur ulang yang memerlukan pemisahan material tidak praktis.
- RINGKASAN
Ekonomi teknik sangat penting dalam perancangan dan pembuatan produk. Untuk meminimalkan biaya produk, insinyur bahan harus memperhatikan desain komponen, bahan apa yang digunakan, dan proses pembuatannya. Faktor ekonomi penting lainnya termasuk keuntungan, tenaga kerja, asuransi, keuntungan, dll. Dampak lingkungan dan sosial dari produksi menjadi isu rekayasa yang signifikan. Dalam hal ini, siklus hidup cradle-to-grave material menjadi pertimbangan penting; Siklus ini terdiri dari ekstraksi, sintesis / pengolahan, pembuatan produk / pembuatan, aplikasi, dan tahap pembuangan. Bahan, energi, dan interaksi lingkungan / pertukaran merupakan faktor penting dalam pengoperasian siklus bahan yang efisien. Bumi adalah sistem tertutup karena sumber materialnya sangat terbatas; Sampai tingkat tertentu, hal yang sama dapat dikatakan sumber energi. Isu lingkungan melibatkan kerusakan ekologis, polusi, dan pembuangan limbah. Daur ulang produk bekas dan pemanfaatan desain hijau meniadakan beberapa masalah lingkungan ini. Permukaan daur ulang dan disposability dibahas dalam konteks sains dan teknik material. Idealnya, bahan harus didaur ulang terbaik, dan setidaknya biodegradable atau sekali pakai. Kemampuan daur ulang dan disposability paduan logam, gelas, polimer, dan komposit juga dibahas.
EmoticonEmoticon