Konference diplomových prací 2007 Ústav konstruování, Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky, FSI VUT v Brně 5. 6. června 2007, Brno, Česká republika ZAŘÍZENÍ PRO VAKUOVÉ LITÍ DO SILIKONOVÝCH FOREM Jakub Roupec JRoupec@hotmail.com ABSTRAKT / ABSTRACT Vakuové lití do silikonových forem se používá zejména k výrobě funkčních plastových prototypů nebo voskových modelů pro vytavitelné lití. Mezi hlavní výhody odlévání ve vakuu patří možnost odlití tvarově složitých modelů, tenkostěnných modelů, modelů s negativními úkosy, věrné kopírování povrchu master modelu, ale i nízká cena prototypu v porovnání se vstřikováním plastů. Vakuová komora se řadí mezi technologie Rapid Prototyping (RP) a umožňuje velice rychlé získání funkčních prototypů. Díky tomu lze urychlit dobu testování výrobku a výrazně zkrátit dobu potřebnou k zavedení výroby. 1. ÚVOD 1.1 Postup odlévání Vakuové lití je vhodné pro malé série do cca 100 kusů. Lití se provádí do silikonových forem. Forma se vyrobí zalitím master modelu do silikonového materiálu. Master model lze získat z již existující součásti nebo z prototypového modelu vyrobeného některou z RP technologií. Master model se musí náležitě upravit (vyznačit dělící rovina, zalepit díry pro šrouby, apod.). K master modelu se musí přilepit vtokový kanálek a za pomoci tenkých drátů vhodně umístit model do prostoru formovací nádoby. Před zalitím master modelu silikonem je nutné silikon zavakuovat a tím ho zbavit rozpuštěných bublinek vzduchu. Po zalití master modelu silikonem se musí vakuování opakovat. Úplné vytvrzení silikonu za pokojové teploty trvá 12 hodin. Vytvrzení lze urychlit temperováním při teplotě 70 C a zkrátit tak dobu vytvrzení na 4 hod. Po ztuhnutí silikonu se forma rozřízne. Vytvoří se tak již naznačená dělící rovina. Do formy jsou ve vakuu odlévány ze speciálního dvousložkového materiálu malosériové prototypové díly. Forma se většinou před odléváním vyhřeje na teplotu okolo 70 C pro zlepšení zatékavosti. Někdy se také zahřívá licí materiál. Odlitek je vhodné nechat vytvrdit (temperovat) za zvýšené teploty 50 až 70 C. Materiál odlitku je potom odolnější vůči mechanickému poškození. Odlitky lze dále opracovávat, lakovat a následně použít jako ověřovací plně funkční díly. 1.2 Silikony Silikony se snadno zpracovávají i vytvrzují a jejich konečné vlastnosti jsou vhodné pro výrobu forem. Pro praktické použití silikonových kaučuků je zejména důležitá pružnost. Díky ní se snadno z forem uvolňují i tvarově složité David Paloušek ÚK, FSI VUT v Brně odlitky. Ve většině případů není nutno pro snadné uvolnění z formy používat separátory. Z formy lze vyjmout i odlitek s negativním zkosením. Další výhodnou vlastností je průsvitný vzhled, který umožňuje rozříznutí formy přesně podle naznačených dělících rovin na master modelu. Silikony mají velmi nízké smrštění, dobrou rozměrovou stabilitu, jsou velice houževnaté a mají středně vysokou tvrdost. Formy ze silikonových kaučuků jsou použitelné pro odlévací hmoty na bázi polyuretanů, epoxidů, polyesterů ale i silikonů. Dále je možno do těchto materiálů odlévat i nízkotavitelné slitiny, sádru, keramiku, atd.[1]. Silikon je dvousložkový materiál složený ze základní složky, která se po smíchání s vytvrzovacím činidlem vytvrdí při pokojové teplotě adiční reakcí. Vytvrzení lze urychlit temperováním nebo urychlovači. Při odlévání silikonové formy bez vakua může nastat problém se vzduchovými bublinkami přítomnými v silikonu. To má negativní vliv na kvalitu povrchu a při odlévání tenkostěnných odlitků může dojít i ke zhroucení stěny formy. 1.3 Licí materiál Jako licí materiál se nejčastěji používají polyuretanové (PU) pryskyřice. Tyto pryskyřice mají materiálové vlastnosti velice podobné plastům. Kterému plastu se bude vytvrzená hmota blížit svými materiálovými vlastnostmi, záleží na typu použité pryskyřice a na množství vytvrzovacího činidla. Pro dané použití kombinují výrobci PU pryskyřic kladné vlastnosti více plastů. Např. PE/PP, PE/PP/PS, ABS/PS, atd. Zvyšuje se tak např. tepelná odolnost, rázová houževnatost, pevnost v tahu, pevnost v ohybu, apod. PU pryskyřice [2] jsou dvousložkové materiály (základní složka a vytvrzovací činidlo). Po důkladném smíchání obou složek se doba zpracovatelnosti pohybuje v rozmezí 3 až 8 minut. Viskozita se pohybuje od 100 mpa.s po 1300 mpa.s. Doba odformování se u různých polyuretanových pryskyřic liší. Bývá to 25 až 120 minut při teplotě temperování 70 C. Teplotní odolnost pryskyřic se pohybuje v rozmezí od 75 až po 220 C. Modul pružnosti dosahuje hodnot od 500 po 4500 MPa. Hustota pryskyřic je 1,06 až 1,22 g/cm 3. Tvrdost PU pryskyřic se pohybuje v rozmezí 74 až 85 Shore D. U pryskyřic s materiálovými vlastnostmi pryží se tvrdost pohybuje okolo 70 Shore A. Polyuretanové pryskyřice mají vlastní zabarvení (bílé, béžové, transparentní, atd.) nebo lze jejich zabarvení modifikovat libovolnými pigmenty.
1.4 Vakuovací podmínky Vakuovací podmínky, které výraznou měrou ovlivňují kvalitu odlitku, jsou dvě. Je to hodnota dosaženého vakua a výkon čerpaní vzduchu z recipientu. Potřebné hodnoty těchto vakuovacích podmínek byly podle výrobců licích materiálů a silikonů zjištěny experimentálně a nejsou nijak teoreticky podložené. Z informací poskytnutých firmou ACR Czech s.r.o. [2] vyplývá: 1. min. výkon čerpání vzduchu: 25 m 3 /hod 2. min. hodnota vakua: -96 kpa 1.5 Zařízení na trhu Jedním z největších světových výrobců vakuových komor pro odlévání do silikonových forem je německá firma MK Technology GmbH [3]. Dalším významným výrobcem v této oblasti je skupina MCP Group [4], konkrétně německá pobočka v Lübecku. 2 KONSTRUKCE VAKUOVÉ KOMORY Vývoj konstrukce vakuové komory probíhal bez zřetelu na stávající výrobky na trhu. Komora byla modelována v 3D parametrickém modeláři Autodesk Inventor 11. Každá varianta konstrukce byla ihned pevnostně ověřena v numerickém MKP řešiči (modul Pevnostní analýza v Inventoru 11 nebo ANSYS Workbench 10.0). Zpětnou vazbou docházelo k úpravě konstrukce do doby, kdy výsledky pevnostní analýzy byly pro dané použití vyhovující. První přibližné výpočty tlakového zatížení (p = 0,1 MPa) ukázaly dvě možné varianty řešení: 1. varianta s rámem z tenkostěnných uzavřených profilů (TPU) obalená tenkými plechy (varianta A) 2. varianta z tlustých plechů (varianta B) 2.1 Varianta A Na obr. 1 je rám z TPU o rozměrech 50x30x4. Byla zvolena největší tloušťka stěny profilu daného rozměru.plechy tvořící stěny komory měly tloušťku 4mm, kromě čelního plechu, který kvůli deformacím a těsnosti dveří měl 5mm. Na obr. 2 je podoba původní návrhu. Obr. 2 Původní návrh komory - Varianta A Následující pevnostní analýzy ukázaly slabá místa v zadní části konstrukce a vysoké deformace dveří. Po dalších výpočtech a modifikacích bylo dosaženo finální podoby Varianty A (obr. 3 a 4). Oproti původnímu návrhu byly vloženy do zadní části rámu dvě příčky. Byla vymodelována přepážka ve středu čelního plechu a byla zvětšena tloušťka dveří z 20 na 30mm. Maximální celkové deformace na dveřích mají hodnotu 0,725mm a v ocelové části konstrukce 0,230mm. Obr. 3 Konečná podoba komory - Varianta A Obr. 4 Celkové deformace komory - Varianta A Obr. 1 Konstrukce rámu
2.2 Varianta B Varianta B je konstrukce z tlustých plechů. Aby bylo možné obě varianty objektivně porovnat, byla Varianta B vymodelována se stejnými vnitřními rozměry (469x498x738). Původní návrh počítal s tloušťkou stěny 10mm. 3D model byl zhotoven jako plně parametrický, kde jediný uživatelský parametr byla tloušťka stěny plechu. Změnou tohoto parametru se komora automaticky přemodeluje při dodržení požadavku na vnitřní rozměry. Původní návrh je na obr. 5. Návrh nepočítal s pevnou policí uprostřed komory (oproti Variantě B). Bez pevné police by se zvětšil použitelný vnitřní prostor pro formu, ale nemohl by být použit tzv. Differential Pressure System, který udržuje v horní části komory vyšší tlak (o 100mbaru) a simuluje tak tlakové (odstředivé) lití. Pevná police také zajišťuje dostatečnou tuhost bočních stěn, proto byla znovu přidána do modelu. Na základě několika pevnostních výpočtů byla zvětšena tloušťka stěny na 12mm, došlo ke U první varianty byla hmotnost pravé části nízká díky použití tenkých plechů a lehkých profilů. Mezi polici a strop komory byly vloženy vzpěry, které snížily o třetinu celkové maximální deformace horní části komory. Vzpěry byly umístěny tak, aby zároveň sloužily jako držáky pro umístění soustavy licích misek. Poslední konstrukční změnou oproti původnímu návrhu bylo vytvoření žeber zpevňujících boky, dno a strop komory (obr. 6). Nejvyšší hodnoty celkové deformace dosahují v ocelové části konstrukce hodnoty pod hranicí 0,200mm a maximální celkové deformace dveří mají hodnotu 0,652mm. Nejvyšší ekvivalentní napětí má hodnotu 60 MPa. Pevnostní výpočty byly provedeny v modulu Pevnostní analýza (Inventor 11). Závěrečný výpočet byl ověřen v ANSYS Workbench 10.0 a potvrdil předchozí hodnoty. Obr. 5 Původní návrh komory - Varianta B (Ekvivalentní napětí a celkové deformace) zmenšení dveřní otvoru ve spodní části komory a byly vytvořeny přesahy čelního plechu, aby se zvýšila tuhost na hranách komory (obr. 6). Byla odstraněna pravá část komory určená u Varianty A k instalaci elektrického zařízení a ovládání komory (obr. 6). Odstraněním se snížila hmotnost o 70kg. Obr. 6 Konečná podoba komory - Varianta B (Ekvivalentní napětí a celkové deformace)
3 FINANČNÍ ROZVAHA - ČÁSTEČNÁ Finanční rozvaha počítá s cenou materiálu na kilogram a orientační cenou provedených prací řezání, svařování). Vzhledem ke stejným vnitřním a podobným vnějším rozměrům bude vnitřní zařízení u obou variant stejné. Proto není nutné ho zahrnovat v této finanční rozvaze, která má rozhodnout o výhodnosti jedné z variant. Cena materiálu byla určena z on-line katalogu firmy Ferona [5]. Mezi vedlejší náklady je u Varianty A počítáno vnitřní zakrytování rámu nerezovým/obyčejným plechem a u Varianty B je to plechová skříň na elektroinstalaci o rozměrech cca 150x150x300. A B nedocházelo ke zkřížení a zaseknutí pojezdu. Celá platforma je zpevněna výztuhami, aby snesla zatížení od největšího možného zatížení 680 N( vychází z max. možných rozměrů formy). Z tohoto zatížení byl vypočítán nutný kroutící moment pro zvedání výtahu 0,85Nm. Byla provedena analytická pevnostní kontrola únosnosti šroubu (koeficient bezpečnosti k = 30). 4.2 Licí misky Byl navrhnut a vymodelován systém licích misek (obr. 8 a 9), který zohledňuje těsný prostor uvnitř komory. K obou ramenům, na která jsou upevněny licí misky, byly dopočítány vhodná protizávaží, tak aby servomotor potřeboval stejnou sílu k otáčení plné i prázdné misky. Tím došlo ke snížení nutného kroutícího momentu motorku. Byly navrhnuty vhodné servomotory a jejich regulace pomocí PWM (Pulse Width Monitor) pulzně šířkové regulace. Tab. 1 Celkové náklady Vezme-li se v úvahu Varianta A bez nerezových plechů, je cena u obou návrhů shodná. U Varianty B je potřebný čas na výrobu téměř poloviční. Proto je výhodnější vyrábět Variantu B. 4 VNITŘNÍ ZAŘÍZENÍ KOMORY 4.1 Výtah komory Výtah komory (obr. 7) slouží k posunování silikonové formy (vtokového kanálku) nahoru k nálevce. Je tvořen platformou (nosná část výtahu), pohybovým trapézovým Obr. 8 Licí misky Obr. 7 Výtah komory šroubem (TOS Kuřim KŠ [6]) a dvěmi vodícími tyčemi [6]. Pohybový šroub se otáčí v matici, která pohybuje s platformou. Vodící tyče jsou uloženy v dlouhých pouzdrech, aby Obr. 9 Licí misky
4.3 Dveře, těsnění, panty Těsnění je vyrobeno z profilu o průměru 5mm. Byl použit materiál Viton (nejodolnější o-kroužky). Těsnění je usazeno ve vyfrézované drážce ve dveřích z plexiskla. Dveře jsou slepeny ze dvou 15mm tabulí. Panty byly zkonstruovány tak, aby při zdeformování a přitlačování dveří ke komoře nebránily volné deformaci dveří (obr. 10). Obr. 10 Dveře, panty, těsnění 5 CELKOVÁ FINANČNÍ ROZVAHA Do celkové finanční rozvahy byla započítaná vývěva (cca 35 000 Kč), kterou by bylo možné zkonstruovat v dílnách Ústavu konstruování. Celkové náklady tvoří také 15% finanční rezerva. Náklady spočítané v kapitole 3.4: 6 657 Kč Dveře vakuové komory [37]: 3 102 Kč Rotační olejová vývěva (kupovaná): cca 35 000 Kč 2x osvětlení: cca 400 Kč Pohybový šroub: cca 4 500 Kč 1m vodící tyče: cca 2 000 Kč Matice pohybového šroubu: cca 500 Kč Zdroj stejnosměrného napětí: 1190 Kč/ 408 Kč 3x elektromotor Super 280: 468 Kč Elektromotor AMETEK typ 119001: 2 100 Kč Elektromateriál (kabely, dráty, tlačítka, sponky, atd.) cca 1500 Kč Materiál (platforma výtahu, panty, misky) cca 1 000 Kč Náklady bez vývěvy Náklady s vývěvou Náklady s finanční rezervou 15% 22 635 Kč 57 635 Kč 66 280 Kč 6 ZÁVĚR Konečné řešení bylo vyvinuto s požadavkem nízké ceny a možnosti výroby v dílnách Ústavu konstruování z dostupných normalizovaných komponent. Výsledná konstrukce vychází z numerických pevnostních výpočtů (kap. 3.4). Díky těmto výpočtům se podařilo navrhnout konstrukci vakuové komory s 12mm tloušťkou stěn. Srovnatelná zařízení na trhu mají stěny 20mm tlusté. Tím se podařilo snížit hmotnost komory. Oproti komerčním řešením byla také zmenšena tloušťka dveří z 40 mm na 30 mm. Celkové náklady na výrobu mohou být ještě sníženy výrobou vývěvy a použitím starších servomotorů. Byla vypracována finanční rozvaha, která zahrnuje cenu konstrukčních prvků, elektrického zařízení a zohledňuje i dílenskou cenu práce a možné zdražení nebo stažení vybraných komponent z trhu. Práce by mohla být v budoucnu rozšířena o řešení elektrického ovládání komory, o konstrukci rotační olejové vývěvy a o Differential Pressure System. Bylo by rovněž zajímavé experimentálně ověřit vypočítané hodnoty deformace na prototypu komory některou z optických nebo kontaktních metod ve vybraných místech konstrukce. PODĚKOVÁNÍ Tato práce vznikla za přispění VAV 13290. LITERATURA / REFERENCES [1] Dostupné z URL: <http://intl.stratasys.com> [cit. 2007-05-12]. [2] AXSON - výhradní dovozce ACR Czech s.r.o. Dostupné z URL: <www.axson.cz> [cit. 2007-05-08]. [3] URL: <http://www.mcp-group.com/rpt/4-06a.jpg> [cit. 2007-05-12]. [4] URL: <http://www.mk-technology.com/typo3temp/ pics/ab719674f1.jpg> [cit. 2007-05-12]. [ 5] Ferona a.s.. On-line ceník [online]. URL: <http://62.168.27.92/arbo/> 05/2006 [cit. 2007-03-20]. [6] TOS Kuřim Kuličkové šrouby. KSK katalog2004-02cze.pdf [online].url: <http://www.ks-kurim.cz/cz/ hlavni_fs.htm> [cit. 2007-05-15]