ontwerpen in polymere materialen

Transcriptie

1 TU/e - opleiding Werktuigbouwkunde Ontwerp Gericht Onderwijs Blok 2A casus 1 ontwerpen in polymere materialen Tutor: Peter Neerincx Bart van der Velden Luck Peerlings Paul Ritzen David de Vries Steven de Rijke Sebastiaan Brandhof Luke Lathouwers OGO-groep 6: Eindhoven, 24 september 2007

2 Inhoudsopgave 1 Inleiding 3 2 Over het ontwerp 4 3 Krachtberekeningen Rol van de krachten bij ontwerpen van het model Krachten zijkant-kliksysteem Krachten bovenkant-kliksysteem 6 4 Moldflow Plaats van aanspuiting / injectie Materiaalkeuze GAIM Optimale driehoek Optimaal vierkant Conclusie 12 5 De matrijs Matrijsontwerp Antilossingen De werking van de matrijs Beginstand Stap Stap Stap Conclusie 18 Bronnenlijst 19 Internetbronnen 19 Bijlage 20 B1 Een mogelijk bouwwerk 20 2

3 1 Inleiding Het doel van deze casus is het ontwerpen van een nieuw, dikwandig, legoblokje en de daarbij horende matrijs, benodigd voor het spuitgieten met behulp van gas-injectie. Met deze casus wordt meer kennis verworven op het gebied van GAIM en het produceren en ontwerpen van een matrijs. In dit verslag wordt het ontwerpproces beschreven, allereerst de keuze van de vorm en de verbindingstypes van het blokje. Vervolgens worden de ideale diktes en vormen berekend door middel van krachtberekeningen. Daaropvolgend worden de simulaties met Moldflow uiteen gezet, waaruit verschillende variabelen als materiaalkeuze en de plaats van aanspuiting volgen. Tenslotte wordt aan de hand van genomen keuzes het ontwerp van de uiteindelijke matrijs beschreven. 3

4 2 Over het ontwerp Een van de doelstellingen van het ontwerp was de gebruikers zoveel mogelijk vrijheid in hun bouwwerken te geven als kon. Een andere doelstelling was om het product uit zo min mogelijk bouwstenen te laten bestaan, in verband met het productieproces. Hieruit zijn uiteindelijk 2 verschillende bouwstenen gekomen, een driehoek en een vierkant: Figuur Driehoek Figuur Vierkant De uiteindelijke vorm van de vierkanten en driehoeken en vooral ook de vorm van de cirkelvormige uitsteeksels op de vlakken zijn vele malen herzien, vanwege problemen met de matrijs. Deze uiteindelijke vorm is echter prima te produceren met de door ons ontworpen matrijs en is ook gebruiksvriendelijk. Deze 2 onderdelen kunnen via de zijden aan elkaar worden gekoppeld om zo een andere basisvorm te maken, waarbij de mogelijkheden legio zijn. Denk hierbij aan bollen, piramides, cilinders, wielen, tetraëders en nog veel meer. Vervolgens kunnen deze basisvormen via de cirkelvormige uitsteeksels op de vlakken aan elkaar gekoppeld worden om zo samen vrijwel iedere mogelijke vorm te creëren. Voor meer informatie over het kliksysteem verwijzen wij naar het hoofdstuk krachten. In de bijlage (B1) staat een voorbeeld van een te bouwen constructie. Hij bestaat uit een gesloten halve bol, een kubus en een tetraëder. Deze laatste vorm is de kleinste vorm mogelijk en binnenin conflicteren de cirkelvormige koppelstukken niet. 4

5 3 Krachtberekeningen Voor de blokjes is het belangrijk om te weten hoeveel kracht er uitgeoefend moet worden om het geheel in elkaar te klikken. Ook is het belangrijk om te weten of tijdens dit klikproces de vloeispanning overschreden wordt. In dit stuk van het verslag wordt uitgelegd met welke krachten we rekening gehouden hebben. Alle krachten zijn uitgerekend met behulp van de structures applicatie van NX Rol van de krachten bij ontwerpen van het model Omdat er geen grote hoeveelheden kracht nodig moeten zijn om twee blokjes in elkaar te klikken hebben de krachten veel invloed gehad bij het ontwerpen van het model. Oorspronkelijk waren de uitsteeksels aan de zijkant één cm dik. Dit bleek onmogelijk om handmatig een juiste uitwijking te geven. Uiteindelijk is de dikte gereduceerd tot één millimeter. Op dit punt waren de krachten redelijk acceptabel. Als de uitsteeksels nog dunner gemaakt zouden worden, zou het te makkelijk worden om de vloeispanning te bereiken en daardoor blijvende vervorming te veroorzaken. 3.2 Krachten zijkant-kliksysteem De zijkant is zo ontworpen dat het 2.5 Newton kost om het uitsteeksel ongeveer 0.5 mm uit te laten wijken ter hoogte van de pin waarmee het systeem in elkaar klikt. Om een gehele zijkant aan een ander blokje te klikken kost dus ongeveer 10 Newton. De maximale spanning als de uitwijking 0.5 mm is bedraagt ongeveer 14 MPa. Deze waarde ligt ver onder de vloeispanning van ABS, dus word het materiaal niet blijvend vervormd. Deze vloeispanning heeft een waarde van 65 MPa. Figuur Uitwijking in mm Figuur Maximale spanning in MPa 5

6 3.3 Krachten bovenkant-kliksysteem Om één uitsteeksel genoeg uitwijking te geven om het blokje uit de matrijs te halen (0.2 mm) is een kracht nodig van ongeveer 7.5 Newton. Voor de bovenkant is dan een kracht nodig van 60 Newton en 30 Newton voor de onderkant. De maximale spanning die voorkomt bij een uitwijking van 0.2 mm is 36 MPa. Omdat de vloeispanning van ABS 65 MPa bedraagt, zal ook hier geen blijvende vervorming plaatsvinden. Figuur Uitwijking in mm Figuur Maximale spanning in MPa 6

7 4 Moldflow In dit hoofdstuk wordt het gedrag van de smelt geanalyseerd m.b.v. Moldflow. Dit wordt onderverdeel in 3 delen: Plaats van aanspuiting / injectie. Materiaalkeuze. GAIM Ieder deel wordt apart verder uitgewerkt. 4.1 Plaats van aanspuiting / injectie Voor een goed resultaat is ook het kiezen van de juiste aanspuiting van belang. Enkele richtlijnen voor het kiezen van de beste aanspuiting zijn (zie bronnenlijst 1) Plaats de aanspuiting in het laagste punt van de mal. Plaats de aanspuiting, zodat de langste vloeilengte geminimaliseerd wordt Plaats de aanspuiting niet op een esthetisch vlak van het onderdeel Plaats de aanspuiting, zodat de vloei parallel loopt aan de ribben in het onderdeel kan plaatsvinden. Wanneer deze richtlijnen worden toegepast op het ontwerp komt de aanspuiting op de volgende positie: Figuur Aanspuiting vierkant Figuur Aanspuiting driehoek De gasinjectie is op dezelfde plek geplaatst als de aanspuiting van het polymeer. De redenen hiervoor zijn: Het is het centrale punt van het ingespoten polymeer. Door in dat punt gas te injecteren wordt er een optimale spreiding/dichtheid gerealiseerd. Door beide injecties op 1 plaats te verrichten blijven de zichtbare gevolgen hiervan zo minimaal mogelijk. 7

8 4.2 Materiaalkeuze Het blokje zal gemaakt worden van een polymeer. Wat is hier het voordeel in vergelijking met metaal? Vooral productiesnelheid en reproduceerbaarheid zijn zeer gunstige eigenschappen. Er is geen nabewerking nodig. Daardoor is het gewenste product sneller klaar. Tijd is geld waardoor producten van kunststof goedkoper zullen zijn. Niet onbelangrijk is de constante kwaliteit. Ook nemen mogelijkheden qua ontwerpen toe en de gewichtsreductie krijgt men er gratis bij, welke in veel gevallen gunstig zal uitpakken. Er moet een keuze gemaakt worden uit de onderstaande 4 soorten polymeren. 1. PS 2. PP 3. ABS 4. PC PS heeft de eigenschap dat het erg bros is, hierdoor breekt het sneller. En is daarom niet geschikt voor ons kliksysteem. Deze valt dus af. PP is een semikristallijn polymeer en dit type vertoont meer krimp ten opzichte van amorfe polymeren, dus nadelig voor zijn uiteindelijke vorm en het uitstoten van de matrijs. Deze valt dus ook af. De 2 materialen die overblijven zijn ABS en PC. Met behulp van Unigraphics zijn de krachten op het kliksysteem uitgerekend (zie 3). ABS heeft een lagere vloeispanning, hierdoor hoeft er minder kracht te worden uitgeoefend om de onderdelen aan elkaar te klikken en is hiermee beter geschikt voor het kliksysteem. Om het gedrag van beide polymeren tijdens het spuitgieten te vergelijken zijn deze berekend m.b.v. Moldflow om de doorslag te geven in de materiaalkeuze. Tabel 4.1: Materiaalkeuze PC (zie Study Materiaal + GAIM optimalisatie, Materiaalkeuze PC) Current time from start of cycle = s Total mass = g Frozen volume = % Injection pressure = MPa Volumetric shrinkage - minimum = % Volumetric shrinkage - maximum = % Figuur Toepassing PC Time at velocity/pressure switch-over = s Injection pressure at velocity/pressure switch-over = MPa Volume filled at velocity/pressure switch-over = % 8

9 Tabel 4.2: Materiaalkeuze ABS (zie Study Materiaal + GAIM optimalisatie, Materiaalkeuze ABS) Current time from start of cycle = s Total mass = g Frozen volume = % Injection pressure = MPa Volumetric shrinkage - minimum = % Volumetric shrinkage - maximum = % Figuur Toepassing ABS Time at velocity/pressure switch-over = s Injection pressure at velocity/pressure switch-over = MPa Volume filled at velocity/pressure switch-over = % Uit de resultaten blijkt dat ABS een gunstiger gedrag vertoont. Dit blijkt vooral uit de ontzettend hoge injectie druk die nodig is om PC te spuitgieten. Hierdoor ligt ook de klemkracht een stuk hoger dan bij ABS. Verder valt op dat de maximum shear rate ruim 2 keer zo groot is wanneer PC wordt gebruikt. Ook zijn er een aantal air traps te zien in de hoeken van het blokje (zie figuur 4.5). Deze air traps zullen in ons model niet bestaan omdat ze op deelnaden van de matrijs liggen waaruit de lucht kan ontsnappen. Spuitgieten met ABS is mogelijk binnen de beperkingen van de spuitgietmachine, de materiaalkeuze is dus gevallen op ABS. Figuur Air traps 9

10 4.3 GAIM Door gasinjectie bij spuitgieten wordt het mogelijk om holle kunststofproducten te produceren. De matrijs wordt eerst geheel of gedeeltelijk met vloeibare kunststof gevuld, waarna er onder druk gas (meestal stikstof) wordt geïnjecteerd. Het gas zorgt ervoor dat het polymeer naar de wanden van de matrijs gedrukt wordt en er zodoende een hol lichaam ontstaat. Voordelen hiervan zijn materiaalbesparing en de in mindere mate last van krimp. Ook kan er een gelijkmatigere nadruk worden gerealiseerd, dit ten gunste van de strakheid van het product. Nadelen zijn echter de extra apparatuur, stikstof en langere cyclustijden. Het ontwerp bestaat voor een groot stuk uit een massief gedeelte en zou dus voor een deel opgevuld kunnen worden met gas. Om GAIM te gebruiken moet rekening worden gehouden dat het polymeer vloeibaar moet zijn wanneer het gas wordt geïnjecteerd, zodat het naar de buitenste randen van de matrijs kan worden geduwd en er dus geen gaten ontstaan. Een oplossing hiervoor is door een hogere volumestroom (flow rate) polymeer te gebruiken zodat ook de buitenste rand nog heet en vloeibaar is. Er zijn een heel wat waarden die je kunt aanpassen in het programma Moldflow o.a.: flowrate en gasdruk. Door middel van logisch nadenken en trial en error kun je de meest gunstige omstandigheden achterhalen. Een greep uit de vele pogingen die zijn gedaan voor het vierkante blokje: Tabel 4.3: resultaten GAIM vierkante blokje (Zie project Trialanderror vierkant) Auto 100 cc 80 bar 30cc/80 bar Fill Time (s) 9,7 0,6 9,7 3,5 Freeze Time (s) 39,7 31,8 39,7 33,3 Clamp Force (tonne) ,8 Pressure (MPa) 32 20, ,4 Shrinkage (%) 11,4 11,4 11,4 11,6 Gasvolume (%) 1,7 2,1 1,7 2,1 Gegevens machine: Maximale druk polymeer inspuiten: Maximale druk gas inspuiten: Maximale flow rate: Maximale clamp force: 200 Mpa 400 bar 200 cc 60 ton 10

11 Duidelijk is dat de grenzen van de machine niet worden overschreden. Gemiddelde waarde voor de druk om het gas in te spuiten is zo rond de 80 bar. Voor de flowrate geldt een gemiddelde van cc. Een flowrate van 30 cc en druk van 80 bar blijkt, uit de resultaten, het meest gunstig voor het blokje. Het gasvolume is dan het grootst, de druk en clampforce laag en een reële waarde voor de fill time. Door nu ook nog de oppervlaktetemperatuur en de temperatuur van het gesmolten polymeer aan te passen kunnen kan het gasvolume nog iets verhoogd worden. Het driehoekige en het vierkante blokje worden apart berekend Optimale driehoek Figuur Gas Core van het best berekende resultaat Tabel 4.4 : resultaten optimale driehoek Current time from start of cycle = s Total mass = g Frozen volume = % Gas volume = % Injection pressure = MPa Volumetric shrinkage - minimum = % Volumetric shrinkage - maximum = % Maximum velocity = cm/s Maximum shear rate = /s 11

12 4.3.2 Optimaal vierkant Figuur Gas Core van het best berekende resultaat Tabel 4.5 : resultaten optimale vierkant Current time from start of cycle = s Total mass = g Frozen volume = % Gas volume = % Injection pressure = MPa Volumetric shrinkage - minimum = % Volumetric shrinkage - maximum = % Maximum velocity = cm/s Maximum shear rate = E+04 1/s Conclusie Het profijt van gasinjectie toegepast op ons blokje is onverwacht laag. Het percentage gasvolume ligt bij de driehoek onder de 6 % en het vierkant onder de 4% Dit is relatief gezien een zeer laag percentage wanneer je kijkt naar het grote dikwandige gedeelte van het blokje. De kostenbesparing aan materiaal is dus minimaal. Het is logisch dat de totale cyclustijd voor het spuiten van het driehoekje iets korter is als de cyclustijd van het vierkantje, vanwege het volume. Als de voor- en nadelen van gasinjectie worden afgewogen, is het niet aantrekkelijk voor de fabrikant om gasinjectie toe te passen. Het resultaat weegt niet op tegen de extra apparatuur, stikstof en de langere cyclustijden. 12

13 5 De matrijs In het volgende deel komt het matrijsontwerp ter sprake. Hierbij zal eerst het ontwerp worden getoond, waarna de opbouw van de matrijs wordt uitgelegd. Dit zal gebeuren aan de hand van de complicaties, zoals de antilossingen van het blokje en de plaats van inspuiting. 5.1 Matrijsontwerp De matrijs bestaat vanuit het basisprincipe uit verschillende delen. De voormatrijs (waar de inspuiting en gasinjectie plaatsvindt), de achtermatrijs (het bewegende matrijsdeel met de uitstoters), een uitstotingsmechanisme, een plek voor kunstofinjectie en voor gasinspuiting en eventueel benodigde inserts voor anti-lossingen. In figuur 5.1 is de ontworpen matrijs in 3D weergegeven. De doorsnede hiervan met enkele aangegeven delen is in onderstaande figuur 5.2 afgebeeld. Het linkergedeelte is hierbij dus de voormatrijs en het rechtergedeelte de achtermatrijs. Figuur 5.1-3D aanzicht matrijs Uitstoter Aanspuiting NB. voor een meer gedetailleerde kijk op het matrijsontwerp, zie Technische Tekening Matrijs Figuur Doorsnede matrijs 13

14 De matrijs is ontworpen op basis van een aantal uitgangspunten: De scheiding tussen de voor en achtermatrijs ligt exact in de dwarsdoorsnede van het blokje, omdat het product anders sowieso niet uit te stoten is. In onderstaand figuur 5.3 is deze scheidingslijn op het vierkante blokje aangegeven. Figuur Scheidingslijn tussen matrijsdelen De plek van gasinspuiting en kunststofinjectie is bepaald aan de hand van berekeningen met het programma Moldflow (zie 4.1) en zodanig in de matrijs gemodelleerd. Antilossingen; dit zijn plekken waar de matrijs door middel van een constructie moet wijken om zo het product te kunnen lossen. In de volgende paragraaf komen deze antilossingen aan bod. 5.2 Antilossingen Het product kan na inspuiting (en gasinjectie) niet meteen uit de matrijs worden gestoten door de aanwezigheid van antilossingen. Bij het spuitgieten van dit product zijn er drie antilossingen aanwezig. Hieronder staan deze vermeld met de daarbij gekozen oplossing voor de matrijs. De eerste antilossingen zijn de holle inkepingen op kliksysteem aan de zijkant van het product. Dit is geïllustreerd in figuur 5.4. Omdat de matrijs hierin haakt kan het product niet worden uitgestoten. Daarom is in de matrijs een pin ontworpen die door het midden van de twee uitsteeksels steekt. Figuur Inkeping als antilossing Als deze terugtrekt, kunnen de uitsteeksels bij het uitstoten van de matrijs iets naar binnen worden gedrukt zodat de holle inkepingen niet meer in de matrijs blijven steken. Dit is afgebeeld in figuur 5.5. Figuur De oplossing 14

15 De tweede en derde antilossing is het kliksysteem aan de boven- en onderkant van het product. Als eerste behandelen we de antilossing die zich bevindt in de voormatrijs. Deze is afgebeeld in figuur 5.6. Dit probleem is opgelost met schuiven, wat verder uitgelegd wordt bij de werking van de matrijs. Daarnaast is er nog het deel van het kliksysteem dat zich bevindt in de achtermatrijs. Ook dit is een antilossing. Deze derde antilossing is weergegeven in figuur 5.7. Figuur Antilossing in voormatrijs Figuur Antilossing in achtermatrijs Deze laatste complicatie wordt opgelost met een ronde pin, die voor het moment van uitstoting wordt teruggetrokken, zodat opstaande klikgedeelten bij het uitstoten naar binnen kunnen bewegen. Dit laatste is geïllustreerd in figuur 5.8. Figuur De ronde pin in de matrijs 15

16 5.3 De werking van de matrijs Beginstand Dit is de stand wanneer de matrijs gesloten is, en het onderdeel wordt spuitgegoten. Figuur De beginstand Stap 1 Als eerste wordt het rode blok naar achter getrokken, zodat de 2 rode pennen naar boven worden getrokken. Figuur Stap 1 16

17 5.3.3 Stap 2 Daarna wordt het blauwe rode en lichtgrijze gedeelte tegelijkertijd omhoog getrokken. Aan het lichtgrijze gedeelte zitten schuine pennen, die ervoor zorgen dat de schuiven die op het donkergrijze gedeelte zijn aangebracht zich naar buiten toe bewegen. Figuur Stap Stap 3 De 2 matrijs gedeelte worden nog verder uit elkaar gehaald zodat er ruimte wordt gecreëerd om het spuitgegoten deel, te kunnen uitstoten zonder dat deze aan een matrijsdeel blijft hangen. Daarna wordt het blauwe blok naar voren geduwd zodat het lichtgrijze gedeelte achter de rode uitstulpingen blijven hangen, en de blauwe uitstoters het product uitstoten. Figuur Stap 3 17

18 6 Conclusie Het doel van deze casus was om een dikwandig blokje en een bijbehorende matrijs te ontwerpen. Er is gekozen voor driehoekige en vierkante vormen waarmee veel mogelijke vormen gebouwd kunnen worden. Daarbij zijn aan de zijkant en de boven- en onderkant kliksystemen ontworpen. Aan de hand van krachtberekeningen zijn de afmetingen geoptimaliseerd. Figuur Driehoek Figuur Vierkant Met behulp van onder andere moldflow simulaties is geconcludeerd dat voor deze blokjes ABS de beste materiaalkeuze is. Ook is uit die simulaties duidelijk geworden dat voor deze modellen gasinjectie meer nadelen geeft dan voordelen. Dit zijn de optimale waardes: Resultaten optimale Driehoek Vierkant: Current time from start of cycle = s = s Total mass = g = g Frozen volume = % = % Gas volume = % = % Injection pressure = MPa = MPa Volumetric shrinkage - minimum = % = % Volumetric shrinkage - maximum = % = % Maximum velocity = cm/s = cm/s Maximum shear rate = /s = /s Bij de modellen is uiteindelijke een matrijs ontworpen, met een nevenstaande doorsnede. 18 Figuur Matrijs

19 Bronnenlijst Internetbronnen s/es330/gasinjectie.pdf 19

20 Bijlage B1 Een mogelijk bouwwerk Figuur B1 - Een mogelijk bouwwerk 20