- materiaalkeuze
advertisement
Opleiding Werktuigbouwkunde Ontwerp Gericht Onderwijs Blok 2A 2007-2008 Casus 2A Ontwerpen in polymere materialen OGO-Groep 1: Bruijn R.J.G. de (Remco) Hollink R.P.J. (René) Laarhoven M. van (Mirjam) Linssen B.P.J. (Bram) Meijl E.W.P. van (Erik) Starke M.J. (Marijke) Tijdink B.T.M. (Bernadette) Versteeg P.G.A.A. (Pieter) ID nrs. 0599379 0620111 0612880 0612318 0619548 0613223 0612269 0618808 Tutor: ing J.G.H. van Griensven Eindhoven, 23 september 2007 Inhoudsopgave Inleiding ..................................................................................................... 3 1 Het ontwerpen van de bouwsteen ......................................................... 4 1.1 Bouwsteenontwerp ............................................................................................... 4 1.2 De bouwsteen ....................................................................................................... 7 2 Keuze van materiaal en spuitgietmethode........................................... 9 2.1 Materiaalkeuze ..................................................................................................... 9 2.1.1 Materiaaleigenschappen van polymeren ...................................................................9 2.1.2 Simulatie van spuitgieten.........................................................................................14 2.1.3 Sterkte analyse .........................................................................................................17 2.2 Keuze van spuitgietmethode ............................................................................. 21 3 Matrijzen ..............................................................................................22 Conclusie ..................................................................................................26 Literatuurlijst.............................................................................................28 Gebruikte software ....................................................................................28 Bijlagen .....................................................................................................29 Bijlage 1 Toelichting op tabel 2.1 ........................................................................................29 Bijlage 2 Vultijd bij verschillende injectieplaatsen..............................................................30 Bijlage 3 Kromtrekking bij ABS en polypropeen. ...............................................................32 Bijlage 4 ABS Tulp met kracht naar binnen gericht ............................................................33 Bijlage 5 ABS Tulp met kracht naar buiten gericht .............................................................36 2 Inleiding Iedereen kent Lego speelgoed. Deze kunststof Lego-stenen zijn dunwandig en gespuitgiet. Maar ook dikwandige bouwstenen (met een doorsnede groter dan tien millimeter) kunnen gespuitgiet worden. In deze casus wordt het hele proces van spuitgieten van een dergelijke bouwsteen onderzocht, van bouwsteendesign tot matrijsontwerp. In het eerste hoofdstuk zal aandacht besteed worden aan het ontwerp van de bouwsteen. Om tot een goed ontwerp te komen moet aan verschillende eisen voldaan worden. Het product moet: - dikwandig zijn en daardoor gespuitgiet worden met behulp van gasinjectie - een maximaal volume hebben van 130cc - een interessant design hebben Aan de hand van deze eisen zal een bouwsteen ontworpen worden. Dit ontwerp zal verder uitgewerkt worden en vervolgens in het CAD computerprogramma Unigraphics gemodelleerd worden. In hoofdstuk twee worden de eigenschappen van verschillende materialen vergeleken. Na een literatuuronderzoek over materiaaleigenschappen wordt gekeken naar simulaties van het inspuiten van verschillende materialen, gemaakt met behulp van Moldflow Plastics Insight. Vervolgens wordt met behulp van Unigraphics een sterkte analyse gedaan. Dit om te controleren of het materiaal daadwerkelijk voldoet aan de eisen die gesteld worden wat betreft maximaal toelaatbare spanning. Met behulp van deze informatie zal een materiaal gekozen worden waarvan de bouwsteen kan worden gemaakt. Tot slot wordt er in dit hoofdstuk uitgelegd waarom er gespuitgiet moet worden met behulp van gasinjectie. In het laatste hoofdstuk worden de matrijzen getoond die ontworpen zijn om de bouwsteen te spuitgieten. Door deze casus wordt dus getracht inzicht te verkrijgen in de processen die een rol spelen bij het spuitgieten, voornamelijk het simuleren van het spuitgieten met behulp van Moldflow Plastics Insight en het ontwerpen van matrijzen in Unigraphics. 3 1 Het ontwerpen van de bouwsteen Er moet voor deze casus een bouwsteen gemaakt worden. Deze bouwsteen moet dikwandig zijn en gespuitgiet kunnen worden. Het volume mag (inclusief aanspuitingen) maximaal 130cc bedragen. Bovendien is ook het design van belang. In dit hoofdstuk zal uit meerdere ontwerpen een één ontwerp gekozen en uitgewerkt worden. Dit ontwerp zal uiteindelijk gemodelleerd worden met behulp van Unigraphics. 1.1 Bouwsteenontwerp Door de OGO-groep is de extra eis gesteld dat er een bouwsteen ontworpen moet worden waarmee men oneindig kan bouwen. Er zijn een aantal ideeën naar voren gekomen waaronder een ontwerp in de vorm van een stoel (figuur 1.1), een libel (figuur 1.2) en een sneeuwvlok (figuur 1.3). Uiteindelijk is gekozen voor het laatste model omdat hiermee in de meeste richtingen gebouwd kan worden. Figuur 1.1 Ontwerp in de vorm van een stoel. Figuur 1.2 Ontwerp in de vorm van een libel. Figuur 1.3 Ontwerp in de vorm van sneeuwvlok. Vervolgens is er uit de volgende kliksystemen (zie figuur 1.4 t/m 1.6) een systeem gekozen waar geen aparte “mannetjes” en “vrouwtjes” gemaakt hoeven worden op verschillende uiteindes van de sneeuwvlok maar voor een systeem waarbij op élke uiteinde eenzelfde kliksysteem gespuitgiet kan worden. Figuur 1.4 Ontwerp sneeuwvlok kliksysteem met mannetjes en vrouwtjes. . Figuur 1.5 Ontwerp kliksysteem universeel vooraanzicht. Figuur 1.6 Ontwerp kliksysteem universeel zijAanzicht. 4 Uiteindelijk is ervoor gekozen de sneeuwvlok uit twee losse delen te laten bestaan die geheel symmetrisch zijn. Dit vergemakkelijkt de nog te ontwerpen matrijs enorm, maar het heeft geen invloed op de bouwsteen als geheel (bestaande uit twee losse delen die in elkaar geklikt worden). De bouwsteen bestaat uit een T-stuk met op de drie uiteindes een “tulp” (zie figuur 1.7 t/m 1.9). Twee T-stukken kunnen in elkaar geklikt worden op de plek van de groene pijl. Voor de verbinding van de staven aan de uiteindes, op de plaatsen van de rode pijlen, is gekozen voor de “tulp”. Twee tulpen kunnen in elkaar klikken. Elke tulp kan zowel in als om een andere tulp zitten. Voordeel van deze verbinding is dat alle uiteindes van de T-stukken in elkaar passen en er rotatie mogelijk is. Figuur 1.7 Doorsnede van de “tulp” De tulp is hier los getekend maar zit in werkelijkheid vast aan het T-stuk en is hiermee verbonden op de plaats van de rode pijlen. Figuur 1.8 Het T-stuk Figuur 1.9 Uitvergroting van het midden bovenaan het T-stuk. Dit is de “uitsparing” met aan weerszijden de “klemmen”. In de uitsparing past een ander T-stuk en door middel van de klemmen, die flexibel zijn, zit dit T-stuk stevig vast. 5 Het totale volume van de bouwsteen inclusief aanspuitingen, mag niet groter zijn dan 130cc. Daarom is het volume van de bouwsteen met de geschatte maten (zie figuur 1.10) alvast grof berekend om te kijken of de maten ongeveer goed zijn. Het exacte volume zal in paragraaf 1.2 berekend worden met behulp van Unigraphics. 20 15 50 50 20 20 15 50 20 20 Figuur 1.10 Geschatte maten (in millimeters) van de bouwsteen. Deze maten zijn gebruikt voor de eerste versie van het model in Unigraphics en zijn tijdens het modelleren aangepast tot het uiteindelijke ontwerp ontstaan is (zie figuur 1.11). 1 1 2 2 rstaaf bsleuf ntulpen rtulp htulp 2 2 1 1 Volume 3 7,52 50 7,52 15 3 7,52 20 33134mm3 33,13cc 2 2 2 Volume ntulpen rstaaf hstaaf 6 1.2 De bouwsteen De uiteindelijke bouwsteen is te zien in de figuur 1.11. Figuur 1.11 De bouwsteen, gemodelleerd met Unigraphics. Zoals te zien is, is het uiteindelijke model op enkele plaatsen veranderd van het eerste idee, zoals deze beschreven werd in paragraaf 1.1. Allereerst zijn er sleuven toegevoegd bovenaan in het midden van het T-stuk, waar twee T-stukken in elkaar kunnen klikken (zie figuur 1.12). De sleuven hebben precies de vorm van de rondingen van de klemmen, waardoor deze er perfect invallen en vastklikken. Zonder deze sleuven zou er geen mogelijkheid tot klikken zijn en zou het geheel te eenvoudig uit elkaar te trekken zijn. Figuur 1.12 De sleuf in het T-stuk. 7 Verder zijn de rondingen van de klemmen niet meer helemaal rond van vorm maar maken ze een hoek van negentig graden met de plaat. Deze vorm is door de rechte hoek moeilijker uit elkaar te trekken dan een vloeiende vorm, wat zorgt voor een sterkere verbinding (zie figuur 1.13). De uiteindelijke klikverbinding van twee T-stukken is dus vast door de sleuven en de rechte hoeken die de rondingen van de klemmen maken met de plaat van de klem (zie figuur 1.14). Figuur 1.13 De uitsparing met de klemmen Figuur 1.14 Verbinding van twee T-stukken De laatste aanpassing in het ontwerp is dat nu ook het logo van onze groep wordt gespoten op het blokje, namelijk het nummer één (zie figuur 115). De manier waarop dit gedaan wordt zal duidelijk worden in hoofdstuk drie over matrijzen. Figuur 1.15 Logo van OGO groep 1 op de verticale poot van het T-stuk. Zoals bekend moet het model voldoen aan twee harde ontwerpeisen: dikwandigheid en een maximaal volume, namelijk 130cc. Omdat de staven van het T-stuk een doorsnede hebben van 15 mm, terwijl de eis van dikwandig >10mm is, voldoet het aan de eis voor dikwandigheid. Ook het volume van het blokje zit ruimschoots onder de gestelde eis. Het totale volume bedraagt namelijk 33,6 cm3, berekend met Unigraphics NX 3.0. 8 2 Keuze van materiaal en spuitgietmethode In dit hoofdstuk zal duidelijk worden van welk polymeer de bouwsteen wordt gemaakt. De materiaalkeuze wordt gedaan met behulp van de resultaten van een literatuuronderzoek en de spuitgietanalyse met behulp van het programma “Moldflow Plastics Insight”. Ter controle worden er sterkteberekeningen gedaan met Unigraphics. Tot slot zal een toelichting worden gegeven op de methode van spuitgieten die gebruikt zal worden. 2.1 Materiaalkeuze 2.1.1 Materiaaleigenschappen van polymeren Polymeer of staal? Als men de eigenschappen van metalen vergelijkt met die van polymeren ziet men dat deze sterk van elkaar afwijken. Deze verschillen zorgen ervoor dat ook de productieprocessen anders zijn. Hieronder een aantal eigenschappen waardoor een productieproces met metaal verschilt van een productieproces waarbij polymeer wordt gebruikt. - Verschil in smelttemperatuur: Een veelgebruikte polymeerbewerking, het spuitgieten, waarbij het gesmolten polymeer in een matrijs wordt gespoten om daar vervolgens, in zijn nieuwe vorm weer af te koelen, berust op zijn lage smelttemperatuur. Het materiaal van de matrijzen, dat een veel hoger smeltpunt heeft, kunnen de temperaturen van het spuitgieten gemakkelijk verdragen. Metaal daarentegen kan niet worden gespuitgiet, dit omdat de smelttemperaturen zo hoog liggen dat er maar weinig andere materialen bestaan die deze temperaturen kunnen doorstaan. Met andere woorden: de mal zelf zou smelten als men met metaal zou spuitgieten. - Verschil in hardheid Polymeren zijn over het algemeen brosser dan metalen, dit betekent dat een polymeer eerder breekt dan een metaal. Hierdoor zijn polymeren lastiger na te bewerken dan metalen. Een polymeer moet je dus in een keer zo dicht mogelijk bij het eindresultaat zien te maken. - Verschil in krimp Als men de temperatuur van een materiaal sterk laat variëren kan het materiaal vervormen. Wanneer men bijvoorbeeld een polymeer afkoelt deze krimpen, hiermee moet rekening worden gehouden zodat voorkomen kan worden dat een polymeer nog vervormt door de krimp als men het materiaal laat afkoelen nadat het is gespuitgiet. Metalen vervormen minder dan polymeren bij temperatuurschommelingen en dit heeft invloed op het productieproces. Al deze verschillen in eigenschappen komen voort uit het verschil in molecuulstructuur. Zo bestaat het metaal uit een metaalrooster met vrij elektronen en het polymeer uit verscheidene “ketens” die door elkaar heen liggen. 9 Krimp en kruip Krimp en kruip zijn twee verschijnselen die vrijwel in alle materialen voorkomen. De mate waarin deze effect hebben is echter per materiaal verschillend. Als men gaat spuitgieten is het belangrijk met deze verschijnselen rekening te houden. Een overzicht van de uitzettingscoëfficiënten staat weergegeven in figuur 2.1. Figuur 2.1 Overzicht van uitzettingscoëfficiënten. ] Polymeren kunnen in drie verschillende subcategorieën worden ingedeeld, waarbij elke categorie een verschillende mate van gevoeligheid voor krimp en kruip heeft. Hier zullen de verschillende categorieën worden besproken, de relatie met krimp zal worden gelegd en tot slot zal de mate van krimp tijdens het spuitgieten worden behandeld. 1 Amorf polymeer: Een amorf polymeer is een polymeer waarbij de ketens niet ordelijk gerangschikt zijn. De ketens onderling hebben slechts relatieve zwakke interactiekrachten. Amorfe polymeren hebben een hoge netwerkdichtheid (zie figuur 2.2). 2 Semikristallijn polymeer: In een semikristallijn polymeer zijn bepaalde gedeeltes van het polymeer gekristalliseerd. Dit wil zeggen dat de ketens daar onderling interactie hebben en dat de ketens daar ordelijk gerangschikt zijn. Door de vorming van deze kristallen komen er in het polymeer meer open ruimtes te liggen. Hierdoor ontstaat er een lagere netwerkdichtheid als in het amorfe polymeer (zie figuur 2.3). 3 Kristallijn polymeer: Een kristallijn polymeer is een polymeer dat volledig gekristalliseerd is. De ketens zijn onderling netjes gerangschikt en tussen de ketens in bevind zich “vrije” ruimte. Kristallijne polymeren hebben de kleinste netwerkdichtheid. 10 Amorphous Figuur 2.2 Amorf polymeer. Partly crystalline Figuur 2.3 Semikristallijn polymeer. De drie verschillende polymeren verschillen dus vooral van netwerkdichtheid. En dit is precies de eigenschap die het verschil in de mate van krimp en kruip teweeg brengt. Door het ontstaan van de holle ruimtes in het materiaal is er veel meer ruimte om “te krimpen”, immers het materiaal moet ergens naartoe. In het amorfe polymeer daarentegen is er minder gelegenheid tot krimp wegens “ruimtegebrek” (zie figuren 2.2 en 2.3). Andersom, wanneer het materiaal later zal worden belast, zal er ook bij kristallijne materialen meer kruip optreden (zie figuur 2.4). Figuur 2.4 Kruip van een amorf en een semikristallijn polymeer. 11 Mate van krimp tijdens het spuitgieten Hoe groot de krimp zou zijn bij een drukloos stollingproces is te zien aan de volume-temperatuur relatie van de desbetreffende kunststof (zie figuur 2.5 en figuur 2.6). Het blijkt dat voor amorfe polymeren een volumeverschil van gemiddeld tien procent opreedt tussen de verwerkings- en de omgevingstemperatuur; voor kristallijne polymeren kan dit verschil zelfs twintig tot vijfentwintig procent bedragen. Gelukkig is de krimp die optreedt tijdens het spuitgieten veel minder groot, dit omdat de stolling plaatsvindt onder druk: de stollende smelt is gecomprimeerd en heeft daardoor een volumeverkleining ondergaan die tengevolge van de hoge compressibiliteit van het gesmolten polymeer in staat is om, na terugvering, een aanzienlijk deel van de krimp te compenseren. Om de competitie tussen thermische krimp en compressibiliteit aanschouwelijk voor te stellen, worden vaak gecombineerde diagrammen gebruikt, de p,V,Tdiagrammen, die de volume-temperatuur relatie weergeven voor een aantal niveaus van de druk. De uiteindelijke krimp ligt voor amorfe thermoplasten meestal tussen de 0,3 en 0,7 procent en voor kristallijne polymeren tussen één en vier procent” (zie figuur 2.7 en figuur 2.8). Figuur 2.5 Relatie tussen volume en temperatuur Figuur 2.7 P, V, T -diagrammen een amorf polymeer Figuur 2.6 Compressibiliteit van gesmolten polymeer Figuur 2.8 P, V, T -diagrammen een kristallijn polymeer 12 Materiaaleigenschappen van verschillende polymeren Op basis van de materiaaleigenschappen in tabel 2.1 kunnen we het materiaal PS al direct wegstrepen als mogelijk materiaal voor de bouwsteen. De bouwstenen worden namelijk aan elkaar bevestigd met behulp van een kliksysteem en in de tabel is te zien dat PS daar niet geschikt voor is. Het materiaal is bovendien erg bros (zie breukrek in tabel 2.1). Hierdoor zouden de tulpen erg snel afbreken wanneer ze moeten buigen om in elkaar geschoven te worden. Een ander beschikbaar materiaal voor de bouwsteen is het relatief dure PC. Dit polymeer is maar liefst vijf á tien maal zo duur als de andere materialen. Zo op het eerste gezicht voldoet het aan de eisen die aan de bouwsteen gesteld worden (elastisch, sterk, goede waardering klikverbinding) maar wanneer één van de andere materialen ook voldoet zal er uit financiële grond voor dit laatste materiaal gekozen worden. Tabel 2.1 Eigenschappen van polymeren Polymeer Prijsklasse Emodulus Treksterkt e Breukrek Kerfsla gsterkte Tg Tm €/kg MPa MPa % Kj/ m2 ºC ºC 3-4 2 95 - 60-65 80-150 20-35 150 - ABS 1,25-3 20-50 15-50 8-30 105 - PP 0,51,25 30003600 20002200 16003000 11001600 45-60 PC 0,51,25 5-9 30-70 150700 3-15 -15 170 PS Polymeer Krimp bij spuitgieten Waardering klikverbinding % PS PC ABS PP 0,4-0,7 0,7-0,8 0,4-0,8 1,0-2,5 + + + = glas-rubber Tg overgangstemperatuur = smeltpunt Tm Voor verdere uitleg over de gegevens in deze tabel wordt doorverwezen naar bijlage 1. 13 2.1.2 Simulatie van spuitgieten Met behulp van het programma “Moldflow” is het mogelijk te analyseren welk materiaal het beste gebruikt kan worden om de bouwsteen te maken, ofwel bij welk materiaal de minste vervorming optreedt. Ook kan men er achter komen op welke plek van de matrijs het polymeer het beste geïnjecteerd kan worden. Verder is het van belang te weten waar gas het best geïnjecteerd kan worden. Eerst zijn simulaties gemaakt (zie bijlage 2) waarmee de beste plek voor het injecteren van polymeer wordt bepaald. Er is op drie verschillende plekken polymeer geïnjecteerd (zonder gasdruk). Uit de simulatie kan geconcludeerd worden dat de beste plek om polymeer te injecteren in de onderste tulp (onder aan het verticale deel van het T-stuk) is. Hier wordt het polymeer namelijk het meest gelijkmatig verdeeld over de verschillende staven van het product. Vervolgens is onderzocht welk materiaal het best gebruikt kan worden om de bouwsteen te maken. Er is gekeken naar de polymeren ABS en PP. Met behulp van de simulatie “warpage” binnen “Moldflow Plastics Insight” is het kromtrekken van de twee polymeren geanalyseerd. Uit de resultaten (zie bijlage 3) kan men concluderen dat het polymeer ABS beter gebruikt kan worden vanwege de beperkte kromtrekking van het product. Na het bepalen van het materiaal en de plaats van polymeerinjectie wordt gekeken naar de gasdruk. Het gas wordt toegevoegd aan het product wanneer deze voor zeventig procent met polymeer gevuld is. Een gaskern bij de uitsparing en klemmen is echter niet wenselijk. Dit omdat hierdoor de klemkracht zeer onvoorspelbaar wordt, gezien de onvoorspelbaarheid van de verdeling van het polymeer. In figuur 2.9 is te zien dat door in het hart gas te injecteren er een gasbel bij het klemsysteem ontstaat. Figuur 2.9 Het product is voor 70% gevuld met polymeer voordat er op één plaats gas geïnjecteerd wordt. De locatie van gasinjectie is afgebeeld met een gele pijl. De gele kegel representeert de locatie van polymeerinjectie. De groene gebieden geven aan waar het gas zich bevindt. 14 Vervolgens is gekeken naar het resultaat wanneer zeventig procent van het product met polymeer gevuld is en er dan op drie verschillende plekken gas geïnjecteerd wordt. Nadeel hiervan blijkt te zijn dat de tulpen niet gevuld worden met polymeer maar met gas. In figuur 2.10 is dit af te lezen. Het resultaat is stukken beter wanneer er honderd procent polymeer is ingespoten alvorens het toevoegen van gasdruk (zie figuur 2.11). Bij deze methode worden de tulpen namelijk geheel gevuld met polymeer in plaats van gas. Figuur 2.10: Het product is voor zeventig procent gevuld met het polymeer ABS vóór er op drie plaatsen gas geïnjecteerd wordt. Figuur 2.11 Het product is voor 100% gevuld met polymeer vóór er op drie plaatsen gas geïnjecteerd wordt. 15 Om het resultaat van de gasinjectie te optimaliseren is ervoor gekozen vijf seconden langer (ten opzichte van de standaardtijd) gas te injecteren. Het resultaat van deze simulatie is te zien in figuur 2.12. Wat opvalt is dat de gasbellen wat groter worden. Dit betekent dat de krimp in grotere mate tegengegaan wordt. . Figuur 2.12 Het product is voor 100% gevuld met polymeer voordat er op drie plaatsen gas geïnjecteerd wordt. Gas wordt 5 seconden langer geïnjecteerd dan voorgaande keren. Er kan na een aantal simulaties dus geconcludeerd worden gekozen voor de polymeer ABS welke geïnjecteerd moet worden bij de onderste tulp. Verder is het van belang om het product eerst voor honderd procent met polymeer te vullen alvorens op drie plaatsen gasdruk toe te voegen. Nu er gekozen is voor de polymeer ABS moet gecontroleerd worden of dit polymeer aan de wensen voldoet wat betreft de sterkte van het polymeer. Dit kan gedaan worden met behulp van het programma Unigraphics in paragraaf 2.1.3. 16 2.1.3 Sterkte analyse Om te controleren of het gekozen materiaal ook daadwerkelijk gebruikt kan worden voor ons ontwerp, wordt er een sterkte analyse toegepast. Hierbij wordt gekeken of het materiaal de krachten die op het model komen te staan aankan. Het is de bedoeling dat het materiaal bij het uittrekken van de matrijspinnen naar buiten buigt, maar niet plastisch deformeert. In de sterkte analyse functie van Unigraphics NX 3.0 wordt een kracht uitgeoefend op de twee binnenzijden van de tulp. Deze kracht moet groot genoeg zijn om de zijdes helemaal naar buiten te duwen, zodat de matrijspin erdoor kan. Hierna is de spanning in het materiaal te berekenen. In figuur 2.13 zijn de spanningen te zien. Figuur 2.13 Krachtenverdeling bij uittrekken van matrijspinnen op het tulp. De grootste spanning die hier ontstaat, is 134.8 MPa, terwijl de vloeigrens van ABS bij 40 MPa ligt. Dit zou dus betekenen dat het materiaal gaat plastisch deformeren, wat juist geprobeerd wordt te voorkomen. 17 Figuur 2.14 Krachtenverdeling bij uittrekken van matrijspinnen op het getransformeerde tulp. Om te zorgen dat de spanningen in het materiaal onder de vloeigrens blijven, zijn er in de tulp vier inkepingen gemaakt in plaats van twee. Dit vergroot de flexibiliteit van het kliksysteem, waardoor de kans op plastisch deformeren kleiner wordt. Ook zijn de randen van de ‘tulp-bladeren’ afgerond, waardoor de kracht beter verdeeld wordt en de plaatselijke spanningen minder groot zijn. Een bijkomend nadeel is wel dat de tulpen in mindere mate vrij kunnen bewegen nadat deze in elkaar geklikt zijn. In deze situatie is de maximale spanning 38.95 MPa, dus lager dan de vloeispanning en vindt er alleen elastische deformatie plaats. 18 Ook de klemmen in het T-stuk hebben een kleine transformatie moeten ondergaan, dit om te voorkomen dat ze plastisch deformeren. Bij een maximale spanning van meer dan 100 MPa, is een klem nog lang niet genoeg gedeformeerd om over de cilinder heen te klikken (zie figuur 2.15). Figuur 2.15 Krachtenverdeling bij uittrekken van matrijspinnen op het kliksysteem. Door de dikte van de klem te reduceren, wordt de kracht die nodig is om deze te verplaatsen kleiner. Hierdoor nemen ook de spanningen in het materiaal af. In de uiteindelijke situatie is de maximale spanning slechts 37.50 MPa, wederom onder de vloeigrens. 19 Figuur 2.16 Krachtenverdeling bij uittrekken van matrijspinnen op het getransformeerde kliksysteem. Het is dus mogelijk om het model van ABS te maken, zonder dat deze plastisch zal deformeren bij het vastklikken van de bouwstenen en bij het uittrekken van de matrijs. 20 2.2 Keuze van spuitgietmethode Door gasinjectie bij spuitgieten, ook wel “Gas-Assisted Injection Molding” ofwel “GAIM” genoemd, wordt het mogelijk om dikwandige en holle kunststofproducten te fabriceren. Een matrijs wordt eerst geheel of gedeeltelijk met vloeibare kunststof gevuld, waarna er onder druk gas (meestal N2) wordt geïnjecteerd. Het gas zorgt ervoor dat de kunststof naar de wanden van de matrijs gedrukt wordt en er zodoende een hol lichaam ontstaat. Voordelen liggen in materiaalbesparing en kortere cyclustijden van het spuitgieten. Bij het spuitgieten van dikwandige producten (met doorsneden van tien millimeter of meer) zonder GAIM zal het polymeer waarvan het product gemaakt wordt krimpen nadat de matrijzen gevuld zijn en zal het product ‘inzakken’. Het behoudt dus niet de gewenste vorm. Door druk uit te oefenen vanuit de binnenkant van het product met behulp van gasinjectie wordt het polymeer tegen de matrijs gedrukt. Hierdoor kan het polymeer afkoelen zonder ‘in te zakken’. De vorm zal dan dus wél worden behouden. GAIM is dus een goede spuitgietmethode om dikwandige producten te fabriceren. 21 3 Matrijzen De vorm van de bouwsteen is bekend. Het is nu zaak om deze te kunnen produceren. De bouwsteen wordt gemaakt door middel van spuitgieten. Om de juiste vorm te krijgen moet er een matrijs worden ontworpen. Hierbij is het belangrijk dat het werkstuk zonder veel moeite weer uit de matrijs verwijderd kan worden. Het ligt voor de hand om het werkstuk op de naad tussen de voor en achter matrijs te leggen (zie figuur 3.1). Nu is het openlopen van de matrijs geen probleem, op de tulpen na. Om ervoor te zorgen dat de tulpen kunnen worden gemaakt, moeten er, op de plek van de holtes binnen in de tulpen, staven zitten. Deze staven moeten automatische worden weggetrokken als de matrijs open loopt. Dit is te realiseren door schuine pinnen vast te maken op de achtermatrijs. Als de matrijs open loopt, worden de schuiven naar buiten gedwongen. Om ervoor te zorgen dat de staven niet te snel uit de matrijs worden getrokken worden de gaten in de schuiven iets groter gemaakt, waardoor er en kleine vertraging ontstaat (zie figuur 3.2). Zoals is te lezen in hoofdstuk 2, zijn de bladeren van de tulpen flexibel genoeg om om de bollen op de staven heen te buigen. Figuur 3.1 het werkstuk op de deelnaad Figuur 3.2 het wegtrekken van de schuiven Nu ontstaat er echter een nieuw probleem. Om de staven naar buiten te trekken, moeten de bladeren naar buiten buigen. Zolang de matrijs gesloten is, is daar geen plek voor. Als tijdens het openlopen één kant van het tulp vrij komt te liggen, moet dit blaadje erg ver buigen. Om breuk te voorkomen dienen de tulpen dus aan twee kanten vrij te zijn. Hierbij moet er aan gedacht worden dat de rest van het werkstuk wel vast moet blijven zitten in de matrijs, omdat er anders geen kracht kan worden uitgeoefend op de tulpen. 22 Om ervoor te zorgen dat de staven kunnen worden teruggetrokken en de rest van het werkstuk wordt vastgehouden, moet in eerste instantie slechts één deel van de matrijs worden teruggetrokken. Dit is mogelijk door het midden van het werkstuk vast te klemmen met behulp van afzonderlijk bewegende blokken, die met veren tegen het werkstuk worden aangehouden (zie figuur 3.3) Merk op dat de staven in het midden van de tulpen moeten blijven zitten en daarom vast zitten op de het bewegende blok van de voormatrijs. Figuur 3.3 het vastklemmen van het werkstuk Door voorgaande constructies kan de matrijs zonder problemen openlopen, wel zijn er nog enkele maatregelen nodig om ervoor te zorgen dat het spuitproces goed verloopt. Het inspuiten van het polymeer gebeurt onder hoge druk. Daarom is het belangrijk dat de staven goed worden ingeklemd in de matrijs, zodat ze niet weg schuiven tijdens het vullen. Daarom zijn deze staven deels schuin gemaakt en klemmen ze vast in de achtermatrijs (zie figuur 3.4) Figuur 3.4 het vastklemmen van de schuiven De “1” die in het werkstuk wordt gemaakt, is van een ander materiaal als de rest van de bouwsteen. Hiervoor is een andere schroef in de machine beschikbaar. Nu is het zaak om er voor te zorgen dat de “1” op het juiste moment word opgevuld. De “1” is een apart “blok” in de matrijs. Dit blok zit tijdens het inspuiten van de bouwsteen deels in de open holte. Als de bouwsteen vol is gespoten schuift de “1” in de matrijs, waardoor een kanaal vrij komt te liggen, zodat ook de nu vrijgekomen “1” in de bouwsteen wordt opgevuld. Merk op dat de “1” een beetje moet uitsteken uit de bouwsteen, zodat het kanaal dat de “1” moet opvullen in de matrijs kan liggen en het kanaal pas vrij komt als de “1” in de matrijs schuift (zie figuur 3.5) Figuur 3.5 de schuivende “1” 23 Figuur 3.6 aanspuiting van de bloem Er worden in de bouwsteen twee verschillende componenten en gasinjectie gebruikt. Er zijn dus ook meerdere aanspuitingen. Één aanspuiting voor het vullen van de gehele bloem. Deze komt vanuit het midden van de voormatrijs (zie figuur 3.6). De andere aanspuiting komt van boven, dus precies op de deelnaad van de twee matrijsdelen. Deze vult de 1 (zie figuur 3.7). Er zijn ook plekken nodig voor de gasinjectie (zie figuur 3.8) Figuur 3.7 aanspuiting van de 1 Figuur 3.8 gasinjectie Het productie proces Het maken van het werkstuk kan in de volgende stappen worden beschreven. I. De matrijs is volledig gesloten en de eerste component wordt ingespoten, direct gevolgd door de gasinjectie. (figuur 3.9) II. De “1” trek terug in de matrijs, waardoor ook deze wordt gevuld met de tweede component. (figuur 3.10) Figuur 3.10 stap II Figuur 3.9 stap I 24 III. De matrijs loopt open. De schuiven zullen door de pinnen naar buiten worden gedwongen, terwijl de rest van het werkstuk wordt vastgehouden.(figuur 3.11) IV. De matrijs loopt verder open, waardoor het werkstuk alleen aan de achtermatrijs blijft zitten en tegelijkertijd de aanspuiting van de “1” door middel van een duikboot word afgesneden. (figuur 3.12) V. Het uitstootmechanisme wordt geactiveerd en drukt het werkstuk uit de matrijs waardoor ook de aanspuiting wordt afgesneden (figuur 3.13) Figuur 3.11 stap III Figuur 3.12 stap IV Figuur 3.13 stap V 25 Conclusie Voor deze casus is een bouwsteen ontworpen voldoet aan de gestelde eisen, dus die: - dikwandig is; - een maximaal volume heeft van 130cc, namelijk 33,6cc; - een interessant design heeft; - gespuitgiet kan worden met behulp van gasinjectie. De bouwsteen is gemodelleerd met Unigraphics en is te zien in figuur C1. De tulpen kunnen om en in elkaar schuiven en dus op die manier verbonden worden, het ene T-stuk kan aan het andere T-stuk gekoppeld worden door de uitsparingen aan elkaar te klikken (zie figuur C2) Figuur C1 De bouwsteen met het logo Ii de vorm van nummer “1”. Figuur C2 Meerdere bouwstenen verbonden met elkaar. Na literatuuronderzoek bleken ABS en PP mogelijke materialen voor de bouwsteen te zijn. Na simulaties met Moldflow Plastics Insight bleek ABS de beste keuze te zijn. Na een controle door middel van een sterkte analyse met Unigraphics is bepaald dat ABS inderdaad een prima materiaal is om de bouwsteen van te maken. Er moet gezegd worden dat de tulpen van de bouwsteen wel aangepast moeten worden zodat zij in plaats van twee, vier bladeren hebben. Er is gekozen voor produceren van de bouwsteen door spuitgieten met behulp van gasinjectie (GAIM) omdat hierdoor de vorm van het dikwandige product behouden worden zal worden tijdens het afkoelen van het polymeer in de matrijs. 26 De matrijs met daarin de bouwsteen is te zien in figuur C3. Het spuitgietproces kent verschillende stappen. Figuur C3 De matrijs met daarin de bouwsteen (in het rood). 1 De matrijs is volledig gesloten en de eerste component wordt ingespoten (alles behalve het logo “1” wordt gemaakt van de eerste component), direct gevolgd door de gasinjectie. 2 De “stempel” in de matrijs die de ruimte voor het logo “1” maakt, trekt terug in de matrijs. Vervolgens wordt de holte die de stempel achterlaat gevuld met de tweede component met een opvallende kleur. Het logo is gespuitgiet in de opvallende kleur. 3 De matrijs loopt open en de tulpen komen vrij te liggen. Pinnen (die de binnenkant van de tulpen gevormd hebben) worden uit de tulpen getrokken. 4 De matrijs loopt verder open, waardoor het werkstuk alleen aan de achtermatrijs blijft zitten. Tegelijkertijd wordt de aanspuiting van de “1” door middel van een duikboot afgesneden. 5 Het uitstootmechanisme wordt geactiveerd en drukt het werkstuk uit de matrijs waardoor ook de aanspuiting wordt afgesneden. Door middel van deze casus, waarbij matrijzen zijn ontworpen en simulaties zijn gedaan met Moldflow Plastics Insight en Unigraphics, is een inzicht verkregen in de processen die een rol spelen bij het spuitgieten. 27 Literatuurlijst Van der Vegt A.K., Govaert L.E., (2003-2005). Polymeren van keten tot kunststof, vijfde druk. Delft: VSSD. Mate van krimp tijdens het spuitgieten op pagina elf is een quote van pagina’s 234, 235 en 256 Van keten tot kunststof, daargelaten de verandering van de zinsopbouw en weggelaten zinnen. James E. Mark, (1999), Polymer Data Handbook, New York, Oxford, Oxford University Press. Brandrup j., Immergut E.H., (1989), Polymer handbook, Third Edition, New York: Wiley. M.W.v.Dalen, (september 1996), Kunststoffen, Deel 5, Delft: TU Delft (Faculteit van het industrieel Ontwerpen). Gebruikte software Unigraphics NX 3.0 Moldflow Plastics Insight 28 Bijlagen Bijlage 1 Toelichting op tabel 2.1 E-modulus (E): De E-modulus geeft het lineaire verband tussen de spanning in het materiaal en de rek. Deze is materiaalafhankelijk. Volgens de wet van Hooke geldt; σ Eε Waarin: σ = de spanning in het materiaal (Pa) ε = de rek (m) De E-modulus vertelt ons dus over de elasticiteit van het materiaal. Een materiaal met een lage E-modulus zal bij een gelijke spanning een grotere rek vertonen dan een ander materiaal met een hogere E-modulus. Het materiaal met de lagere E-modulus vertoont dus een grotere elasticiteit. Treksterkte: De treksterkte is een maat van spanning waarbij het materiaal breekt. Ook deze is materiaal afhankelijk. Een materiaal met een grotere treksterkte zal minder snel breken dan een materiaal met een lagere treksterkte. Breukrek: Zoals de naam al doet vermoeden geeft deze kolom weer hoeveel procent het materiaal kan rekken voordat er breuk op treedt. Hier geldt, des te groter het percentage, de te groter de elasticiteit. Kerfslagsterkte: “De kerfslag sterkte is een maat voor de weerstand van het materaal tegen schokbelasting. Hierbij speelt zowel de korte duur treksterkte als de breukrek een rol. De slagvastheid is in feite de energie benodigd voor breuk bij snelle deformatie.” (zie van der Vegt, Govaert, 20032005, p169) Netwerkdichtheid: 3 Het aantal ketens per m , over het algemeen geldt: hoe groter de netwerkdichtheid, hoe kleiner de kruip/krimp. Glas-rubber overgangstemperatuur ( Tg ) “Pure” stoffen hebben een vaste temperatuur waarbij ze van vaste naar vloeibare en van vloeibare naar gasvormige fase overgaan. Bij “gemengde stoffen” zijn deze overgangen echter meestal niet zo duidelijk, zo bestaat er bij polymeren de “glas-rubber overgangstemperatuur.” Dit is een fase waarin het materiaal van vaste naar “rubberachtige” fase veranderd. Het materiaal is in deze fase heel erg flexibel maar nog niet vloeibaar. Smeltpunt ( Tm ): De temperatuur waarbij het materiaal van vaste fase (of glas-rubber fase) overgaat in de vloeibare fase. Sommige polymeren zullen dit stadia niet bereiken (worden niet vloeibaar). 29 Bijlage 2 Vultijd bij verschillende injectieplaatsen De figuren B2.1, B2.2 en B2.3 geven de vultijd per onderdeel van het product weer voor polypropeen (dit is standaard ingesteld). In de tekeningen zijn de injectieplaatsen met een gele kegel aangegeven. Figuur B2.1: Vultijd PP geïnjecteerd aan de zijkant Figuur B2.2 Vultijd PP geïnjecteerd in het onderste kelkje 30 B2.3 Vultijd PP geïnjecteerd aan de bovenkant. 31 Bijlage 3 Kromtrekking bij ABS en polypropeen. Met behulp van Moldflow Plastics Insight zijn simulaties van het kromtrekken van de bouwsteen gemaakt van ABS en van PP (polypropeen), zie figuur B3.1 en B3.2. Figuur B3.1 Kromtrekken ABS. Figuur B3.2 Kromtrekken polypropeen. 32 Bijlage 4 ABS Tulp met kracht naar binnen gericht Software Used: Unigraphics Strength Wizard Loads Name Type Magnitude Vector Force_1 Face Force 2.000 N x = -1.000, y = 0.0, z = 0.0 Results Structural Performance Red Indicates model failure. Either the stresses have exceeded the yield strength or the ultimate tensile strength of the material Yellow Indicates excessive stress. The stresses have exceeded the safety factor of the material as defined in the material property. Green Indicates areas of the model that neither fail or are above the safety factor. For a model to pass structural performance criteria, the whole model should be green. 33 Displacement Stress (Von Mises) 34 Answer Quality The answer quality is measured by looking at stress discontinuities 35 Bijlage 5 ABS Tulp met kracht naar buiten gericht Software Used: Unigraphics Strength Wizard Name Type Loads Magnitude Vector Force_1 Face Force 2.000 N x = 1.000, y = 0.0, z = 0.0 Results Structural Performance Red Indicates model failure. Either the stresses have exceeded the yield strength or the ultimate tensile strength of the material Yellow Indicates excessive stress. The stresses have exceeded the safety factor of the material as defined in the material property. Green Indicates areas of the model that neither fail or are above the safety factor. For a model to pass structural performance criteria, the whole model should be green. 36 Displacement Stress (Von Mises) 37 Answer Quality The answer quality is measured by looking at stress discontinuities. 38
