Μελέτη σχεδιαστικών προδιαγραφών για την ορθή σχεδίαση προϊόντος που κατασκευάζεται με χύτευση πολυμερών υλικών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Μελέτη σχεδιαστικών προδιαγραφών για την ορθή σχεδίαση προϊόντος που κατασκευάζεται με χύτευση πολυμερών υλικών ΓΑΒΡΙΗΛ ΓΑΒΡΙΗΛ Επιβλέπων καθηγητής: Παρασκευάς Παπανίκος Σύρος, 2011

2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα τελευταία χρόνια γίνεται ευρεία χρήση πολυμερών πλαστικών στην κατασκευή προϊόντων. Μέσω των μεθόδων χύτευσης πολυμερών μπορούν να παραχθούν αντικείμενα οποιασδήποτε γεωμετρίας. Η μορφή των αντικειμένων ποικίλει, από απλή γεωμετρία, σε επίπεδη ταινία ή μορφή δίσκου, σε τρισδιάστατη μορφή ανάλογα τα χαρακτηριστικά που επιθυμούμε να έχει ένα προϊόν. Για την επίτευξη οποιασδήποτε γεωμετρίας ο σχεδιαστής θα πρέπει να λάβει υπ όψιν πολλές παραμέτρους που αναφέρονται στην επαρκή αντοχή ανάλογα την χρήση του προϊόντος, στο κόστος κατασκευής και υλικού καθώς και στη λειτουργικότητα και αισθητική του προϊόντος. Η ανάπτυξη των λογισμικών προσομοίωσης καθώς και των μεθόδων ταχείας πρωτοτυποποίησης προσφέρει στο σχεδιαστή σημαντικά εργαλεία για την ορθή σχεδίαση τόσο του προϊόντος όσο και των καλουπιών. ΣΚΟΠΟΣ Η διπλωματική εργασία έχει σαν στόχο την περιγραφή των βασικότερων μεθόδων μορφοποίησης πολυμερών, οι οποίες χρησιμοποιούν καλούπια, και την αναγνώριση των σημαντικότερων προβλημάτων και περιορισμών για την ορθή σχεδίαση και παραγωγή ενός τέτοιου προϊόντος. Η εφαρμογή των παραπάνω γίνεται με τον έλεγχο ενός προϊόντος απλής γεωμετρίας ώστε να πληροί τις προϋποθέσεις μορφοποίησης και την δημιουργία και έλεγχο του αντίστοιχου καλουπιού, μέσω των εφαρμογών Plastic Advisor και Pro/Mold του λογισμικού ProEngineer. Παράλληλα, χρησιμοποιώντας το ίδιο προϊόν, για τον ίδιο σκοπό, γίνεται μια προσομοίωση παραγωγής μέσω του μηχανήματος Vacuum Casting. ΔΟΜΗ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Η παρούσα εργασία χωρίζεται σε πέντε κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο αναφέρεται στις βασικές μεθόδους μορφοποίησης πολυμερών με έμφαση στις μεθόδους που χρησιμοποιούνται καλούπια. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρονται λεπτομερώς οι αρχές και κατευθυντήριες γραμμές που πρέπει να ληφθούν υπ όψιν για το σχεδιασμό ενός προϊόντος, το οποίο θα παραχθεί με κάποια μέθοδο χύτευσης. Ο έλεγχος ενός προϊόντος απλής γεωμετρίας ώστε να πληροί τις προϋποθέσεις μορφοποίησης μέσω της εφαρμογής Plastic Advisor του λογισμικού ProEngineer παρουσιάζεται στο τρίτο κεφάλαιο, ενώ στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται στην δημιουργία και έλεγχο του 2

3 αντίστοιχου καλουπιού, μέσω της εφαρμογής Pro/Mold. Το πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική μελέτη της εργασίας με την παραγωγή πρωτοτύπων προϊόντων και καλουπιών με τη μέθοδο ταχείας πρωτοτυποποίησης καθώς και την προσομοίωση παραγωγής μέσω του μηχανήματος Vacuum Casting. 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΑΠΛΗ ΧΥΤΕΥΣΗ ΠΟΛΥΜΕΡΟΥΣ ΧΥΤΕΥΣΗ ΜΕ ΕΓΧΥΣΗ (INJECTION MOLDING) ΧΥΤΕΥΣΗ ΜΕ ΣΥΜΠΙΕΣΗ (COMPRESSION MOULDING) ΧΥΤΕΥΣΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ (TRANSFER MOULDING) ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΕΜΦΥΣΗΣΗ (BLOW FORMING) ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗ (ROTATIONAL MOULDING Η ROTOMOULDING) ΘΕΡΜΟΜΟΡΦΩΣΗ (THERMOFORMING) ΧΥΤΕΥΣΗ ΜΕ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΚΑΙ ΈΓΧΥΣΗ (REACTION INJECTION MOULDING) ΆΛΛΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗΣ ΧΥΤΕΥΣΗΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΚΑΙ ΤΗΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΧΥΤΩΝ ΠΑΧΟΣ ΤΟΙΧΩΜΑΤΟΣ ΟΜΟΙΟΜΟΡΦΟ ΠΑΧΟΣ ΤΟΙΧΩΜΑΤΩΝ ΑΠΟΦΥΓΗ ΑΙΦΝΙΔΙΑΣ ΑΛΛΑΓΗΣ ΣΤΗ ΔΙΑΤΟΜΗ ΘΕΣΗ ΕΙΣΟΔΟΥ ΧΥΤΕΥΣΗΣ ΜΟΝΟΠΑΤΙ ΡΟΗΣ ΥΛΙΚΟΥ ΠΛΕΥΡΑ ΓΙΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗ (RIBS) ΣΤΡΟΓΓΥΛΕΜΕΝΕΣ ΑΚΜΕΣ ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΙΚΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΚΛΙΣΗ ΤΟΙΧΩΜΑΤΩΝ ΕΣΟΧΕΣ ΟΠΕΣ ΚΑΙ ΑΝΟΙΓΜΑΤΑ ΆΛΛΕΣ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ...37 Γέφυρες υποστήριξης (Gussets)...37 Προεξοχές (Studs)...37 Διακλαδωτές (Hubs)...39 Δημιουργία σπειρώματος ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΟΛΥΜΕΡΟΥΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΜΕ ΜΕΘΟΔΟ ΧΥΤΕΥΣΗΣ ΤΟΠΟΘΕΣΙΑ ΑΚΡΟΦΥΣΙΟΥ ΕΓΧΥΣΕΩΣ ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΕΓΧΥΣΗΣ ΓΕΜΙΣΜΑ ΚΑΛΟΥΠΙΟΥ ΜΕ ΥΛΙΚΟ ΑΠΟΨΥΞΗ ΤΕΜΑΧΙΩΝ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ ΑΤΕΛΕΙΩΝ ΣΤΟ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΩΝ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΕΩΝ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΙΚΟΝΙΚΩΝ ΚΑΛΟΥΠΙΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΕΜΑΧΙΩΝ ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΠΟΣΟΣΤΟΥ ΣΥΡΡΙΚΝΩΣΗΣ ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΟΓΚΟΥ ΚΑΛΟΥΠΙΩΝ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΙΚΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΔΙΑΙΡΕΣΗ ΟΓΚΟΥ ΤΟΥ ΚΑΛΟΥΠΙΟΥ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΑΣΕΩΝ ΚΑΛΟΥΠΙΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΑΧΕΙΑ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΛΟΥΠΙΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΕΛΙΚΟΥ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΕΛΙΚΟΥ ΠΡΟΪΟΝΤΟΣ ΑΠΟ ΤΟ ΠΡΩΤΟΤΥΠΟ ΚΑΛΟΥΠΙ...83 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...84 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α: ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΘΟΔΩΝ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ...86 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β: ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΠΟΛΥΜΕΡΟΥΣ ABS

5 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ: ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΠΟΛΥΜΕΡΟΥΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ ΣΤΟ PRO/ENGINEER...93 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ: ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΚΑΛΟΥΠΙΩΝ ΣΤΟ PRO/ENGINEER...96 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ε: RAPID PROTOTYPING

6 1 ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗΣ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Οι κυριότερες μέθοδοι μορφοποίησης πολυμερών είναι η χύτευση (moulding), η εκβολή (extrusion), η κατασκευή λεπτών φύλλων (polymer foil manufacturing), και η ινοποίηση (fiber manufacturing ή spinning) [1-5]. Οι παραλλαγές των μεθόδων αυτών, και ο συνδυασμός τους, οδηγούν σε πληθώρα διαφορετικών τεχνικών μορφοποίησης. Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα μελετηθούν οι μέθοδοι μορφοποίησης πολυμερών στις οποίες συμβάλουν καλούπια. Οι μέθοδοι εκβολής εφαρμόζονται κυρίως για την κατασκευή προϊόντων συνεχούς μήκους, ορισμένης διατομής, επίπεδης μορφής και απλού τυπικού σχήματος όπως ράβδοι, σωλήνες, ίνες, φύλλα κ.α. Στην μέθοδο της ινοποίησης, ίνες παράγονται με την εξαναγκασμένη διέλευση τήγματος ή διαλύματος του πολυμερούς διαμέσου συστήματος το οποίο φέρει ακροφύσια μικρής διαμέτρου και ακολούθως, μετά την διαμόρφωσή τους, τυλίγονται σε καρούλια. Κάτι ανάλογο γίνεται και στις μεθόδους κατασκευής λεπτών φύλλων όπως είναι η μέθοδος της κυλίνδρωσης όπου μάζα τήγματος πολυμερούς περνά από ένα σύστημα κυλίνδρων μικρού ανοίγματος με αποτέλεσμα την παραγωγή πλακιδίων πατώματος, κουρτινών μπάνιου, κ.λπ. Γενικότερα οι πιο πάνω μέθοδοι που έχουν αναφερθεί χαρακτηρίζονται σαν διεργασίες υψηλού ρυθμού παραγωγής και δεν χρησιμοποιούν καλούπια. Κατά συνέπεια οι μέθοδοι της χύτευσης είναι αυτές που χρησιμοποιούν καλούπια και παρουσιάζονται αναλυτικότερα παρακάτω. 1.1 Απλή χύτευση πολυμερούς Κατά την απλή χύτευση πολυμερούς ρευστό υλικό χύνεται σε ένα συνήθως διαιρετό καλούπι, αφήνεται μέχρι τη στερεοποίηση του και στην συνέχεια απομακρύνεται από το καλούπι φέροντας όλες τις λεπτομέρειες της κοιλότητας του καλουπιού (εικόνα 1.1). Χρησιμοποιείται συνήθως για την κατασκευή μεγάλων γραναζιών, σφαιρών 6

7 μπόουλινγκ και άλλων προϊόντων στα οποία δεν υπάρχει απαίτηση για υψηλού ρυθμού παραγωγή. Τα πλεονέκτημα της μεθόδου είναι ότι δεν απαιτείται η ύπαρξη δαπανηρών εγκαταστάσεων ή δαπανηρών καλουπιών και ότι μπορούν να παραχθούν σύνθετες μορφές αντικειμένων με ικανοποιητική τελική επιφάνεια. Τα μειονεκτήματα της μεθόδου είναι ο μικρός ρυθμός παραγωγής και το ότι κατά τη στερεοποίηση παρατηρείται μεγάλος βαθμός συρρίκνωσης (25%), το οποίο προδιαθέτει την δημιουργία ρωγμών. Εικόνα 1.1: Απλή χύτευση πολυμερούς 1.2 Χύτευση με έγχυση (injection molding) Η χύτευση με έγχυση είναι η πιο διαδεδομένη μέθοδος μορφοποίησης. Με τη μέθοδο αυτή κόκκοι πολυμερούς τροφοδοτούνται από μία χοάνη σε ένα σωλήνα όπου θερμαίνονται μέχρι την τήξη τους. Το τήγμα αυτό, με την βοήθεια ενός παλινδρομικού εμβόλου ή ενός περιστρεφόμενου κοχλία, διοχετεύεται υπό πίεση (έγχυση) στα τοιχώματα ενός καλουπιού (εικόνα 1.2). Ακολούθως, το χυτό παραμένει μέσα στο καλούπι, αποψύχεται και τέλος το καλούπι ανοίγεται λαμβάνοντας το προϊόν. Η μέθοδος της χύτευσης με έγχυση χρησιμοποιείται, τόσο για θερμοπλαστικά πολυμερή, όπως π.χ. ακρυλικά, όσο και για θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή, όπως π.χ. ρητίνες. Παρόλα αυτά υπάρχουν κάποιες λεπτομερείς διαφορές στην διαδικασία. Για παράδειγμα στα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή η μονάδα εγχύσεως είναι σε κρύα 7

8 κατάσταση, συνεισφέροντας στην απόψυξη του χυτού, ενώ στα θερμοπλαστικά η μονάδα είναι θερμαινόμενη. Εικόνα 1.2: Έγχυση με χρήση παλινδρομικού εμβόλου και με περιστρεφόμενο κοχλία Η μέθοδος αυτή βρίσκει μεγάλο εύρος εφαρμογών σε οποιοδήποτε μέγεθος και σχήμα, όπως κελύφη ηλεκτρικών συσκευών, δοχεία, παιχνίδια, καπάκια βαλβίδων αυτοκινήτου κ.ά. Τα πλεονεκτήματα που προσφέρει είναι ότι μπορούν να δημιουργηθούν πολύπλοκα σχήματα οποιουδήποτε βάρους ή μεγέθους, προσφέρει εξαιρετική τελική επιφάνεια, έχει καλή ακρίβεια διαστάσεων, καλή επαναληπτικότητα (από το ίδιο καλούπι παράγονται πολλά αντικείμενα), έχει υψηλή παραγωγικότητα και δεν απαιτείται συνήθως φινίρισμα και περαιτέρω επεξεργασία της τελικής επιφάνειας μετά την έξοδο από το καλούπι. Το μειονέκτημά της είναι ότι έχει υψηλό κόστος για την κατασκευή των καλουπιών και την αγορά της μηχανής. 1.3 Χύτευση με συμπίεση (compression moulding) Η μέθοδος της χύτευσης με συμπίεση των πολυμερών είναι ανάλογη της σφυρηλάτησης κλειστής μήτρας, η οποία χρησιμοποιείται στις μεθόδους μορφοποίησης μετάλλων. 8

9 Κατά τη μέθοδο της συμπίεσης το στερεό υλικό (μείγμα θερμοπλαστικού ή θερμοσκληρυνόμενου πολυμερούς) - με καταλύτες, σκληρυντικά και ενισχυτικά υλικά - τοποθετείται σε ανοιχτή θερμαινόμενη μήτρα (εικόνα 1.3). Με το κλείσιμο της μήτρας, το υλικό θερμαίνεται μέχρι το σημείο τήξης του και με εφαρμογή υψηλής πίεσης ρέει μέχρι την πλήρωση του καλουπιού. Ο κύκλος απόψυξης και στερεοποίησης του υλικού ποικίλει ανάλογα το υλικό, την θερμοκρασία που αναπτύσσεται κατά την διαδικασία χύτευσης και το πάχος του αντικειμένου που έχει παραχθεί. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται κυρίως στην περίπτωση των θερμοσκληρυνόμενων πολυμερών και έχει κάποιες βασικές διαφορές στην διαδικασία με τα θερμοπλαστικά. Στην χύτευση των θερμοσκληρυνόμενων πολυμερών υπάρχει συνεχής θέρμανση και πίεση στο υλικό για τον ταυτόχρονο πολυμερισμό και σκλήρυνση του. Από την άλλη, στη χύτευση με συμπίεση των θερμοπλαστικών απαιτείται η απόψυξη του υλικού, μετά το σχηματισμό του μέσα στο καλούπι, για την στερεοποίηση του. Είναι αναγκαία η μείωση της θερμοκρασίας του αντικειμένου σε βαθμό ώστε με την αφαίρεση του από το καλούπι να μην υπάρξει θραύση. Παραλλαγή της μεθόδου αποτελεί η χύτευση με συμπίεση εν ψυχρώ, κατά την οποία σκόνη του πολυμερούς τροφοδοτείται στη μήτρα συμπίεσης παρουσία κάποιου συνδετικού υλικού. Μετά την εν ψυχρώ συμπίεση του υλικού, το συνδετικό υλικό απομακρύνεται με κατάλληλη θερμική κατεργασία. Εικόνα 1.3: Διαδικασία χύτευσης με συμπίεση 9

10 Με τη μέθοδο της χύτευσης με συμπίεση παράγονται προϊόντα οποιουδήποτε μεγέθους και μέτριας πολυπλοκότητας, όπως πώματα, πάνελ πορτών αυτοκινήτου, μπανιέρες, χερούλια μαχαιροπίρουνων, κ.ά. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι η ελαχιστοποίηση της φθοράς του υλικού κατά τη μορφοποίηση, όπως επίσης η ελαχιστοποίηση των παραμένουσων μηχανικών τάσεων στο τελικό προϊόν. Τα προϊόντα της μεθόδου (κυρίως θερμοσκληρυνόμενων πολυμερών) προσφέρουν ένα συνδυασμό αντοχής, μικρότερου σχετικά βάρους και ακρίβειας διαστάσεων. Τα χαρακτηριστικά αυτά πρόσφεραν μία καλή επιλογή αντικατάστασης πολλών μετάλλων. Άλλο ένα κύριο χαρακτηριστικό και μειονέκτημα των προϊόντων της μεθόδου είναι η απαραίτητη «ωρίμανση» τους, καθώς προϊόντα για παράδειγμα ρητινών χρειάζονται διάστημα περίπου δύο εβδομάδων για την πλήρη σκλήρυνση και χρήση τους. 1.4 Χύτευση μεταφοράς (transfer moulding) Μεγάλο εύρος εφαρμογών βρίσκει επίσης ο συνδυασμός της μεθόδου χύτευσης με έγχυση με την μέθοδο χύτευσης με συμπίεση, λεγόμενη ως μέθοδος της χύτευσης μεταφοράς ή αλλιώς χύτευση με έγχυση και συμπίεση (injection-compression moulding). Η μορφοποίηση με χύτευση μεταφοράς πραγματοποιείται σε δύο θαλάμους (εικόνα 1.4). Στον πρώτο θάλαμο, τα δύο συστατικά του πολυμερούς (μείγμα ρητίνης και σκληρυντικού) θερμαίνονται υπό πίεση και τήκονται. Εκεί, πραγματοποιείται η απαραίτητη θερμοκρασιακή ομογενοποίηση της πρώτης ύλης. Από τον πρώτο θάλαμο το τήγμα αυτό της πρώτης ύλης εγχέεται μέσω ενός θερμαινόμενου κωνικού αγωγού, με τη βοήθεια ενός εμβόλου (έμβολο μεταφοράς), στη κοιλότητα του καλουπιού (δεύτερος θάλαμος). Εκεί, γίνεται η πλήρωση και συμπίεση της μήτρας, η μορφοποίηση του υλικού και ο πολυμερισμός του. Υπάρχουν τρεις πρωτογενείς τύποι αυτής της μεθόδου. Στον απλούστερο τύπο στον οποίο γίνεται με δύο διαδοχικά στάδια, το πολυμερές εγχέεται μέσα στη διευρυμένη κοιλότητα του καλουπιού και αφού τελειώσει η έγχυση, αργότερα το καλούπι κλείνεται πλήρως, συμπιέζοντας το υλικό. Ο δεύτερος τύπος γίνεται με την ταυτόχρονη έγχυση και συμπίεση του υλικού. Σε αυτό το σύστημα, η συμπίεση στο καλούπι συγχρονίζεται με την κίνηση του εμβόλου που κάνει την έγχυση προσφέροντας μεγαλύτερη παραγωγικότητα και ακρίβεια. Τρίτος και τελευταίος 10

11 τύπος είναι ο επιλεκτικός τύπος της μεθόδου. Σε αυτόν, η συμπίεση προϋποθέτει ένα αρχικά εντελώς κλειστό καλούπι. Καθώς το υλικό εγχέεται δημιουργείται πίεση προς το καλούπι οδηγώντας το προς τα πίσω, ανοίγοντας το. Φτάνοντας στο επιθυμητό σημείο ανοίγματος του καλουπιού ακολουθεί η πίεση στο χυτό. Εικόνα 1.4: Διαδικασία χύτευσης μεταφοράς Η μέθοδος χύτευσης μεταφοράς υιοθετεί τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μεθόδων της χύτευσης με έγχυση και χύτευσης με συμπίεση με τη διαφορά ότι αυξάνεται το κόστος του μηχανήματος και των καλουπιών, λόγω της μεγαλύτερης τεχνολογικής πολυπλοκότητας και πιέσεων που αναπτύσσονται. Παρόλα αυτά με την μέθοδο επιτυγχάνονται: ακρίβεια διαστάσεων, ελαχιστοποίηση συρρίκνωσης κατά την στερεοποίηση του υλικού, ικανότητα παραγωγής λεπτότερων επιφανειών, ταχύτερος κύκλος χύτευσης και κατά συνέπεια μεγαλύτερη παραγωγικότητα και σχηματική ευελιξία. Η μέθοδος αυτή ενδείκνυται για την κατασκευή εξαρτημάτων πολύπλοκής γεωμετρίας, όπως πόρτες αυτοκινήτου, κελύφη ηλεκτρικών συσκευών, κουπιά για κανό, είδη φωτισμού κ.ά. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στη μέθοδο είναι κυρίως θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή όπως πολυαμίνες και σιλικόνες αλλά χρησιμοποιούνται και θερμοπλαστικά όπως ακρυλικά και πολυαιθυλένια. 1.5 Μορφοποίηση με εμφύσηση (blow forming) Η μέθοδος της μορφοποίησης με εμφύσηση εμφανίζεται σε τρεις βασικές παραλλαγές: τη μορφοποίηση με εμφύσηση μετά από εκβολή (extrusion blow moulding), όπως φαίνεται στην εικόνα 1.5, τη μορφοποίηση με εμφύσηση μετά από 11

12 έγχυση (injection blow moulding)και τη διαξονική μορφοποίηση με εμφύσηση (stretch blow moulding). Κατά την εμφύσηση μετά από εκβολή το ρευστό πολυμερές διοχετεύεται μέσα από μία κεφαλή σχηματισμού προσφέροντας του μια αρχική μορφοποίηση ενός κοίλου σωλήνα. Στη συνέχεια τοποθετείται ανάμεσα σε ένα διαιρούμενο ανοικτό καλούπι ενώ παράλληλα ένα είδη υπάρχον ακροφύσιο θερμού αέρα «φουσκώνει» μερικώς το πολυμερές για την αποφυγή επικόλλησης και διατήρησης του κοιλώματος του. Όταν το προ-μορφοποιημένο πολυμερές φτάσει το απαραίτητο μήκος κατά την εκβολή, το καλούπι κλείνει και, με την βοήθεια θερμού πεπιεσμένου αέρα μέσω ακροφύσιου, το πολυμερές διογκώνεται μέχρι να έρθει σε επαφή με τα τοιχώματα του καλουπιού. Τέλος, με την παύση της ροής του θερμού αέρα το υλικό στερεοποιείται και ανοίγεται το καλούπι παίρνοντας το αντικείμενο. Η μέθοδος αυτή έχει μια συνεχής διεργασία και εμφανίζει τη μεγαλύτερη παραγωγικότητα από τις υπόλοιπες. Άλλα πλεονεκτήματα που προσφέρει είναι η ικανοποιητική της ακρίβεια και επαναληπτικότητα, και το σχετικά χαμηλότερο κόστος του μηχανήματος. Το μειονέκτημα της μεθόδου είναι ότι προσφέρει χαμηλής ποιότητας επιφάνειες στα προϊόντα ούτως ώστε κατά την εξαγωγή του τεμαχίου από τη μήτρα να απαιτείται περαιτέρω διαδικασία λείανσης και φινιρίσματος. Αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη για την παραγωγή μπουκαλιών όλων των μεγεθών, παιχνιδιών, δοχείων καυσίμου, αεραγωγών, μεγάλων δεξαμενών, κ.ά. Εικόνα 1.5: Μορφοποίηση με εμφύσηση μετά από εκβολή Κάτι ανάλογο συμβαίνει και στην εμφύσηση μετά από έγχυση με την διαφορά ότι η αρχική μορφοποίηση του πολυμερούς πριν τη μεταφορά του στο καλούπι γίνεται με 12

13 έγχυση. Αργότερα ακολουθεί η ίδια διαδικασία μεταφοράς του τεμαχίου στο καλούπι (ή μήτρα εμφύσησης) και η εμφύσηση του, για την τελική του μορφοποίηση. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι το ότι το προϊόν διαθέτει καλή τελική επιφάνεια, υψηλή ακρίβεια και επαναληπτικότητα, όπως επίσης και υψηλή παραγωγικότητα. Από την άλλη στην μέθοδο αυτή απαιτούνται ειδικά μηχανήματα και καλούπια στην εφαρμογή της με αποτέλεσμα μεγάλο κόστος. Πολλά μπουκάλια διαφόρων μεγεθών (κυρίως μικρού και μεσαίου μεγέθους)και σχημάτων από PVC, PET και PP, βάζα, κούπες, φλιτζάνια κι άλλα προϊόντα με κοιλότητες κατασκευάζονται με αυτήν τη μέθοδο. Η διαξονική μορφοποίηση με εμφύσηση έχει το χαρακτηριστικό της ταυτόχρονης εφαρμογής αξονικής και ακτινικής διόγκωσης του αρχικά μορφοποιημένου πολυμερούς από εκβολή ή έγχυση. Το αρχικά μορφοποιημένο πολυμερές μορφοποιείται αξονικά, σε δύο ή τρεις άξονες, με ποικίλους τρόπους μέσω μηχανικών ή ρομποτικών μέσων και στη συνέχεια ή παράλληλα γίνεται η ακτινική διόγκωση, μέσω του θερμού πεπιεσμένου αέρα κατά την εμφύσηση. Με τη διαξονική μορφοποίηση με εμφύσηση βελτιώνονται οι φυσικές ιδιότητες του αντικειμένου όπως η αντοχή του αντικειμένου σε κρούση και ερπυσμό. Βελτιώνεται η διαύγειά του και η διαπερατότητα του σε αέρια και υδρατμούς. Και αυτή η μέθοδος είναι κατάλληλη για την κατασκευή φιαλών από PVC, PET, PP κ.λπ. Γενικότερα η μέθοδος μορφοποίησης με εμφύσηση θεωρείται μία ικανοποιητικής παραγωγικότητας και επαναληπτικότητας μέθοδος. Με τη μέθοδο αυτή κατασκευάζονται πλαστικές φιάλες κι άλλα προϊόντα με εσωτερικές κοιλότητες και χρησιμοποιούνται υλικά θερμοπλαστικών πολυμερών όπως ABS, PP, nylon, PSO, κ.α. Προνόμιο της μεθόδου είναι η δυνατότητα παραγωγής αντικειμένων αποτελούμενων από πολλαπλά στρώματα. 1.6 Μορφοποίηση με περιστροφή (rotational moulding ή rotomoulding) Στη μορφοποίηση με περιστροφή το πλαστικό πολυμερές σε μορφή σωματιδίων, είτε σε ρευστή μορφή, τοποθετείται μέσα σε ένα κελυφοειδές κοίλο καλούπι το οποίο στη συνέχεια τοποθετείται σε ένα θάλαμο θερμαινόμενου αέρα (φούρνο). Το καλούπι 13

14 αρχίζει να περιστρέφεται διαξονικά και κατόπιν τήξης, το υλικό δημιουργεί μια «επένδυση» στην εσωτερική επιφάνεια του καλουπιού (εικόνα 1.6). Με το πέρας της κάλυψης, το καλούπι συνεχίζει να περιστρέφεται σε περιβάλλον ψύξης για την στερεοποίηση του πολυμερούς. Τέλος, το καλούπι ανοίγεται και αφαιρείται το έτοιμο αντικείμενο. Εικόνα 1.6: Μορφοποίηση με περιστροφή Σχετικά με άλλες μεθόδους μορφοποίησης, η μορφοποίηση με περιστροφή είναι αργή. Η δημιουργία του πάχους των τοιχωμάτων είναι αργή λόγω του ότι όλη η θέρμανση για την τήξη του πολυμερούς πρέπει να περάσει στο εσωτερικό του κλειστού καλουπιού ούτως ώστε να ξεκινήσει να τήκετε το πολυμερές. Αφού γίνει η επικάλυψη το σύστημα του καλουπιού θα πρέπει να αποψυχθεί για την στερεοποίηση του πολυμερούς. Αυτή η απόψυξη γίνεται δημιουργώντας ένα περιβάλλον ψύξης στο ίδιο θάλαμο είτε μεταφέροντας το σύστημα σε άλλο θάλαμο ψύξης. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για την παραγωγή προϊόντων με ανοιχτές ή και κλειστές κοίλες επιφάνειες. Έχει την δυνατότητα παραγωγής μεγάλων σε μέγεθος προϊόντων, όπως δεξαμενές νερού και χημικών, κάδους απορριμμάτων, κανό, καγιάκ, δοχεία κ.ά. αλλά και μικρότερων, όπως κελύφη ηλεκτρικών συσκευών, μηχανών, παιχνιδιών, τύμπανα, κ.ά. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στη μέθοδο είναι θερμοπλαστικά και θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή, όπως πολυεστέρες, πολλά πολυαιθυλένια, και πολυπροπυλένια. Το πάχος του τοιχώματος είναι ελεγχόμενο από την ποσότητα του πολυμερούς που θα τοποθετηθεί στο καλούπι. Αυτό δίνει ένα σημαντικό πλεονέκτημα στη μέθοδο καθώς από οικονομικής άποψης δίνεται το μικρότερο δυνατό πάχος σε όλη την επιφάνεια 14

15 του αντικείμενου χωρίς την σπατάλη υλικού. Άλλα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι το σχετικά μικρό κόστος κατά την διαδικασία (χαμηλές πιέσεις), χαμηλό κόστος καλουπιών, η δυνατότητα παραγωγής μεγάλης ποικιλίας προϊόντων περίπλοκων σχημάτων, μεγέθους, χρωματισμών και πάχους επιφανειών (από 1.6 έως 12.7 mm) και η σταθερότητα διαστάσεων στα προϊόντα. Τα μειονεκτήματα της μεθόδου είναι όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω ο μεγάλος και αργός κύκλος παραγωγής λόγω των διαδικασιών τήξης και ψύξης του αντικειμένου αλλά και για τις διαδικασίες γέμισηςμε το πολυμερές- και εκφόρτωσης του καλουπιού, κατά το τέλος της μορφοποίησης, οι οποίες γίνονται στις περισσότερες περιπτώσεις χειροποίητα και όχι αυτοματοποιημένα. 1.7 Θερμομόρφωση (thermoforming) Η θερμομόρφωση αποτελεί μέθοδο μορφοποίησης λεπτών ταινιών ή φύλλων πολυμερούς πλαστικού σε προϊόντα πολύπλοκων σχημάτων. Η γενική διαδικασία της μεθόδου αυτής περιλαμβάνει την συγκράτηση του πολυμερούς φύλλου στη μήτρα, με τη βοήθεια συνήθως ενός δακτυλίου σύσφιξης, και στη συνέχεια της θέρμανση του σε θερμοκρασία στην οποία το πολυμερές αποκτά μεγάλη ελαστικότητα. Ακολουθεί η άμεση υποχώρηση του πολυμερούς μέσα στο καλούπι με την εφαρμογή κενού, με τη διοχέτευση θερμού πεπιεσμένου αέρα, με μηχανική έκταση ή με το συνδυασμό τους. Τέλος, τα τοιχώματα του καλουπιού ψύχονται με αποτέλεσμα την ψύξη και σκλήρυνση του μορφοποιημένου πολυμερούς. Το αντικείμενο αφαιρείται από το καλούπι και κόβεται περιμετρικά από όπου συγκρατήθηκε. Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω υπάρχουν τρεις βασικές παραλλαγές της μεθόδου ως προς τον τρόπο υποχώρησης του πολυμερούς στο καλούπι: η θερμομόρφωση υπό πίεση (εικόνα 1.7), η θερμομόρφωση υπό κενό (εικόνα 1.8) και η μηχανική θερμομόρφωση (εικόνα 1.9). Η θερμομόρφωση υπό πίεση (pressure forming) περιλαμβάνει την παρουσία θερμού πεπιεσμένου αέρα μέσω ενός πλαισίου πιέσεως, το οποίο κλείνεται πάνω στο καλούπι, σφραγίζοντας τις ακμές του πολυμερούς φύλλου. Στη συνέχεια το φύλλο πιέζεται μέχρι την επαφή του με τα τοιχώματα του καλουπιού. Η χρήση αυτών των υψηλών πιέσεων δίνει την δυνατότητα παραγωγής σαφώς καθορισμένων σχημάτων 15

16 του προϊόντος με μεγαλύτερη λεπτομέρεια, την δυνατότητα τοποθέτησης κειμένου στο προϊόν, αυστηρότερα όρια ανοχής, καλύτερη κατανομή του υλικού αλλά και ταχύτερων ρυθμών μορφοποίησης. Κατά συνέπεια η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για προϊόντα τα οποία απαιτούν υψηλής ποιότητας εμφάνιση, όπως κελύφη επαγγελματικών και ιατρικών μηχανημάτων. Αυτές οι απαιτήσεις παρόλα αυτά επιφέρουν καλούπια υψηλότερου κόστους με μικρότερες αποδόσεις. Εικόνα 1.7: Θερμομόρφωση υπό πίεση Η θερμομόρφωση υπό κενό (vacuum forming) είναι η βασικότερη μέθοδος θερμομόρφωσης που χρησιμοποιείται. Περιλαμβάνει το θερμαινόμενο φύλλο πολυμερούς σε μαλακή κατάσταση το οποίο τοποθετείται πάνω στο καλούπι. Στο εύκαμπτο υλικό ασκούνται ατμοσφαιρικές πιέσεις από πάνω και τάσης του κενού που δημιουργείται από κάτω, μέχρις ότου το φύλλο να εφάπτεται της επιφάνειας του καλουπιού. Στη μέθοδο αυτή βρίσκουν εφαρμογή καλούπια κοίλων αλλά και κυρτών επιφανειών. Στη μηχανική θερμομόρφωση (mechanical forming) το εύκαμπτο θερμό φύλλο πολυμερούς δέχεται πιέσεις μηχανικά (ή και χειροκίνητα) μέσω δύο 16

17 συμπληρωματικών καλουπιών (ένα κοίλο και ένα κυρτό). Περιορισμοί σε αυτή την διαδικασία είναι οι εξάρτηση της διαμόρφωσης των καλουπιών και της συμπεριφοράς του πολυμερούς υλικού ως προς τη ροή και την εκτόνωση του. Εικόνα 1.8: Θερμομόρφωση υπό κενό με (Α) κυρτό και (Β) κοίλο καλούπι Εικόνα 1.9: Μηχανική θερμομόρφωση Μια άλλη παραλλαγή της μεθόδου είναι η θερμομόρφωση διπλού φύλλου (twin-sheet forming, εικόνα 1.10) στην οποία δύο φύλλα ίδιου πολυμερούς συγκρατούνται παράλληλα από δύο ξεχωριστά πλαίσια σύσφιξης και θερμαίνονται. Τα θερμαινόμενα στοιχεία μεταφέρονται και τοποθετούνται μεταξύ δύο καλουπιών (όχι κατά κανόνα 17

18 όμοιας κοιλότητας). Τα καλούπια ενώνονται μεταξύ τους και με την εφαρμογή κενού ή/ και πεπιεσμένου αέρα στα φύλλα επιτυγχάνεται η μορφοποίηση, με την ακόλουθη απόψυξη και αφαίρεση του αντικειμένου. Η μέθοδος αυτή θέτει νέες διαστάσεις της μεθόδου θερμομόρφωσης και παρουσιάζεται σαν η κυριότερη ανταγωνιστής της μεθόδου μορφοποίησης με εμφύσηση καθώς παράγει παρόμοιας φύσης προϊόντα με πλεονέκτημα στο κόστος μηχανής. Εικόνα 1.10: Θερμομόρφωση διπλού φύλλου Γενικότερα κατά την μέθοδο της θερμομόρφωσης, η επιφάνεια του αρχικού φύλλου πολυμερούς αυξάνεται με ταυτόχρονη μείωση του πάχους του. Το τελικό προϊόν παρουσιάζει διαφορετικό πάχος σε διάφορες χαρακτηριστικές περιοχές του: τα ψυχρά μέρη του φύλλου στα σημεία συγκράτησης του διατηρούν το αρχικό πάχος τους, ο πυθμένας παρουσιάζει μέγιστο πάχος στο κέντρο του, στις γωνίες το πάχος των τοιχωμάτων του προϊόντος γίνεται ελάχιστο και το πάχος των τοιχωμάτων παίρνει ενδιάμεσες τιμές και μεταβάλλεται καθ ύψος. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για την παραγωγή δύο τύπων προϊόντων: για μεγάλου όγκου παραγωγής προϊόντα, όπως λεπτών τοιχωμάτων προϊόντα συσκευασίας και αναλώσιμα αντικείμενα (π.χ. συσκευασίες γιαουρτιών, 18

19 σταχτοδοχεία, ποτήρια) και για μικρότερου όγκου παραγωγής προϊόντα, όπως μεγάλα πάνελ, πινακίδες, παγκάκια, κιβώτια, καγιάκ κ.ά. Τα υλικά που βρίσκουν εφαρμογή είναι θερμοπλαστικά πολυμερή, όπως ABS, PP, PVC, PMMA, ανάλογα την λειτουργικές απαιτήσεις του αντικειμένου. Τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η μέθοδος είναι η δυνατότητα παραγωγής μεγάλων αντικειμένων με μικρότερο κόστος σχετικά με άλλες διαδικασίες, η δυνατότητα παραγωγής προϊόντων καλής αισθητικής επιφάνειες, ποικίλων χρωματισμών και σημαντική μείωση κόστους από περαιτέρω επεξεργασία. Ως μειονέκτημά της είναι το γεγονός ότι η διαδικασία ξεκινά από φύλλα πολυμερούς ως πρώτη ύλη. Αυτό σημαίνει ότι το αρχικό υλικό προϋποθέτει μια πρόσθετη διαδικασία εκβολής του πολυμερούς στη μορφή φύλλου, το οποίο έχει ένα επιπλέον κόστος. Επίσης, το πάχος του αντικειμένου μεταβάλλεται ανάλογα με την ακτίνα καμπυλότητάς του, δείγμα έλλειψης ευελιξίας στην παραγωγή ποικιλίας προϊόντων. 1.8 Χύτευση με Αντίδραση και Έγχυση (reaction injection moulding) Η μέθοδος αυτή αποτελεί παραλλαγή της μεθόδου χύτευσης με έγχυση. Κατά τη χύτευση με αντίδραση και έγχυση (εικόνα 1.11), δύο ή περισσότερα αντιδρώντα μονομερή σε υγρή μορφή ρέουν σε ένα θάλαμο ανάμειξης όπου θερμαίνονται, αναμειγνύονται μαζί με άλλα πρόσθετα υλικά όπως καταλύτες, κονιάματα και χρωστικές ουσίες και αντιδρούν σχηματίζοντας το πολυμερές υλικό. Παράλληλα, το μείγμα των μονομερών υλικών εισέρχεται στο καλούπι, κάτω από μεγάλη πίεση. Η βασική διαφορά της μεθόδου αυτής από την χύτευση με έγχυση είναι η διεργασία πολυμερισμού η οποία πραγματοποιείται μέσα στο καλούπι μορφοποίησης, σε αντίθεση με την απόψυξη του ρευστού πολυμερούς η οποία συμβαίνει στη χύτευση με έγχυση. Επειδή τα μονομερή υλικά που χρησιμοποιούνται παρουσιάζουν υψηλή ρευστότητα (μικρό ιξώδες) απαιτούνται χαμηλότερες πιέσεις για την χύτευση τους στο καλούπι. Η κύρια εφαρμογή της μεθόδου αφορά θερμοπλαστικά αλλά και θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή στη μορφοποίηση, όπως πολυουρεθάνης, nylon και ορισμένων εποξειδικών ρητινών. Εφόσον η διεργασία του πολυμερισμού λαμβάνει χώρα μέσα στη μήτρα, οι αναπτυσσόμενες εσωτερικές τάσεις ελαχιστοποιούνται και, συνεπώς, η κατεργασία 19

20 αυτή είναι κατάλληλη για εξαρτήματα μεγάλου μεγέθους και πολύπλοκης γεωμετρίας. Παραδείγματα προϊόντων αυτής της μεθόδου είναι: εφαρμογές σε αυτοκινητοβιομηχανία, όπως αεροτομές και πλαίσια ηλιοροφών, εφαρμογές σε τηλεπικοινωνία, όπως βάσεις και περιβλήματα τηλεφωνικών θαλάμων και υπολογιστών, καγιάκ, σκέιτμπορντ κ. ά. Εικόνα 1.11: Μέθοδος χύτευσης με αντίδραση και έγχυση Τα κυριότερα πλεονεκτήματα της μεθόδου προκύπτουν από τις σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και πιέσεις που αναπτύσσονται καθ όλη τη διαδικασία. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τον απλό σχεδιασμό του καλουπιού, το χαμηλό κόστος κατασκευής του, την δυνατότητα παραγωγής μεγάλων σε μέγεθος και πολύπλοκων αντικειμένων υψηλότερης ποιότητας (ελαφρύτερων με μεγαλύτερη αντοχή σε θραύση). Το χαμηλό ιξώδες και η ανάμιξη των πολυμερών καθιστούν κάποια μειονεκτήματα στη μέθοδο, καθώς, εγκλωβίζονται φυσαλίδες αέρα κατά της έγχυση του υλικού. Αυτό, επίσης, καθιστά δυσκολότερη την σφράγιση του καλουπιού, η οποία μπορεί να προκαλέσει εγκοπές στο προϊόν, με περαιτέρω απαιτήσεις κοπής και επεξεργασίας, μεγαλύτερου κόστους. 1.9 Άλλες μέθοδοι μορφοποίησης χύτευσης πολυμερών Οι μέθοδοι χύτευσης είναι οι πρωτεύοντες μέθοδοι, με εκτενή χρήση στην παραγωγή αντικειμένων. Η παραγωγή προϊόντων σε διάφορους τομείς και εφαρμογές πάντοτε έχει κάποια σχέση με τις μεθόδους αυτές. Ανάλογα την εφαρμογή και το είδος του 20

21 προϊόντος, οι μέθοδοι αλλά και τα υλικά που χρησιμοποιούνται προσαρμόζονται σε νέα δεδομένα για την εξυπηρέτηση διαφόρων σκοπών, όπως τη μείωση του κόστους παραγωγής, τη μείωση του κόστους μηχανών, την επίτευξη των απαιτούμενων ιδιοτήτων και χαρακτηριστικών του προϊόντος κ. ά. Έτσι παρουσιάζεται μεγάλη ποικιλία παραλλαγών και συνδυασμών μεθόδων χύτευσης, καθώς, και ποικιλία υλικών που χρησιμοποιούνται. Για παράδειγμα παραλλαγή της μεθόδου χύτευσης με έγχυση, (πέραν αυτών που έχουν προαναφερθεί) η χύτευση με έγχυση με βοηθητικά αέρια, (Gas-assist injection moulding) αν και με μεγαλύτερο κόστος στον εξοπλισμό, προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία στο σχεδιασμό, αυξάνει την ποιότητα των αντικειμένων ως προς την ακαμψία, το βάρος και την αντοχή σε θραύση και αυξάνει το ρυθμό παραγωγής. Μια άλλη παραλλαγή της μεθόδου αυτής, η χύτευση με συν-έγχυση (Coinjection moulding) έχει το κύριο πλεονέκτημα της δυνατότητας έγχυσης δύο διαφορετικών πολυμερών για ένα αντικείμενο. Αυτό προσφέρει την εξοικονόμηση του πολυμερούς το οποίο κοστίζει περισσότερο και την παραγωγή προϊόντων μικρότερου κόστους σε σχέση με άλλα ανταγωνιστικά προϊόντα μίας σύστασης. Ως προς τα πολυμερή υλικά, πέραν των κλασικών θερμοπλαστικών και θερμοσκληρυνόμενων πολυμερών ποικίλων ιδιοτήτων που χρήζουν μεγάλης εφαρμογής στις διαδικασίες χύτευσης, παρουσιάζονται και τα αφρώδη πολυμερή. Τα αφρώδη πολυμερή (θερμοσκληρυνόμενα ή θερμοπλαστικά), όπως είναι το φελιζόλ και πολλά δομικά αφρώδη πολυμερή, έχουν διάφορες ιδιαιτερότητες ως προς την παραγωγή τους, όπως είναι η εξάτμιση διαλύτη από τη μάζα του πολυμερούς ή η παραγωγή αερίου μέσα στη μάζα του μετά από χημική αντίδραση με πρόσθετα υλικά. Για αυτό το λόγο προκύπτουν παραλλαγές της μεθόδου χύτευσης, όπως η χύτευση δομικών αφρώδη (structural foam moulding) και η χύτευση διογκωμένων αφρώδη (expanded bead foam moulding). Τα προϊόντα αφρώδη πολυμερών έχουν ένα εξαιρετικό συνδυασμό μικρού βάρους, μικρού κόστους και πολύ καλών θερμομονωτικών και ηχομονωτικών ιδιοτήτων. Στο Παράρτημα Α παρουσιάζεται η σύγκριση των διαφόρων μεθόδων μορφοποίησης πολυμερών ως προς το υλικό, τη γεωμετρία, την ποιότητα και το κόστος. 21

22 2 ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ ΚΑΙ ΤΗΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΧΥΤΩΝ Μέσω των μεθόδων μορφοποίησης της χύτευσης πολυμερών μπορούν να παραχθούν αντικείμενα οποιασδήποτε γεωμετρίας. Η μορφή των αντικειμένων ποικίλει, από απλή γεωμετρία, σε επίπεδη ταινία ή μορφή δίσκου, σε τρισδιάστατη μορφή ανάλογα τα χαρακτηριστικά που επιθυμεί να έχει ένα προϊόν. Για την επίτευξη οποιασδήποτε γεωμετρίας θα πρέπει να ληφθούν υπ όψιν ορισμένοι παράμετροι ορθής σχεδίασης [1, 4]: Η γεωμετρία κάθε αντικειμένου θα πρέπει να εκπληρώνει όλες τις απαιτήσεις του τελικού προϊόντος και να παρέχει την επαρκή αντοχή ανάλογα την χρήση του. Πρόκειται για πολύ σημαντική παράμετρο καθώς με την παράβλεψή της απαιτείται επανασχεδίαση του αντικειμένου, συνήθως, σε προχωρημένα στάδια σχεδιασμού και παραγωγής του. Συχνά, το πρόβλημα αντιμετωπίζεται με την πάχυνση των επιφανειών του αντικειμένου. Παρόλα αυτά, με αυτό το τρόπο υπάρχει σημαντική σπατάλη του πολυμερούς υλικού που χρησιμοποιείται και κατά συνέπεια κόστος στην αγορά του υλικού αλλά και στην διαδικασία παραγωγής, καθώς όσο μεγαλύτερο πάχος έχει το αντικείμενο, τόσο μεγαλύτερο κύκλο μορφοποίησης και παραγωγής απαιτεί για την ολοκλήρωση του. Ο σχεδιασμός της μορφής του αντικειμένου θα πρέπει να προορίζεται για την άμεση (και οικονομικότερη) παραγωγή του μέσω της καταλληλότερης μεθόδου μορφοποίησης. Για παράδειγμα, για διάφορους σχεδιαστικούς λόγους, είναι αναγκαία η δημιουργία ενός κοίλου αντικειμένου μέσω της μεθόδου χύτευσης με έγχυση. Η δημιουργία αυτή δεν μπορεί να γίνει εφικτή λόγω των συγκεκριμένων πολυμερών που χρησιμοποιεί η μέθοδος, ή ακόμη και η αυξημένη πολυπλοκότητα, το κόστος και ο χρόνος που απαιτούνται για την επίτευξη της, π.χ. όταν η κοίλη μορφή του αντικειμένου προϋποθέτει συναρμολόγηση δύο ή περισσότερων χυτών αντικειμένων. 22

23 Η μορφή ενός προϊόντος θα πρέπει να σχεδιάζεται με τέτοιο τρόπο ώστε η εμφάνιση του να προσδίδει μεγαλύτερες πωλήσεις, να ελκύει και να ευχαριστεί το τελικό χρήστη σε οποιαδήποτε εφαρμογή. Σχετικά με την σημαντικότητα της παραμέτρου αυτής οι απόψεις διίστανται, καθώς πολλοί σχεδιαστές υποστηρίζουν ότι η λειτουργικότητα είναι κυριότερη της αισθητικής ενός προϊόντος. Παρόλα αυτά δεν παύει να είναι μια σημαντική παράμετρος που πρέπει να ληφθεί υπ όψιν. Και τέλος, η μορφή ενός προϊόντος θα πρέπει να περιλαμβάνει όσο το δυνατό περισσότερα χαρακτηριστικά και λειτουργίες (π.χ. οπές, χερούλια, θύρες, πείρους, ελατήρια, επιγραφές και logos κ.α.) για να κάνει το προϊόν ελκυστικό κατά τη χρήση, ευκολότερο και φθηνότερο κατά την χύτευσή και παραγωγή του και για να μειώσει το κόστος κάθε περαιτέρω διεργασίας που θα ακολουθήσει το προϊόν κατά την παραγωγική διαδικασία. Παρακάτω παρουσιάζονται κάποιες αρχές και κατευθυντήριες γραμμές που πρέπει να ληφθούν υπ όψιν για το σχεδιασμό ενός προϊόντος το οποίο θα ακολουθήσει κάποια μέθοδο χύτευσης. Το προϊόν που θα απασχολήσει αυτή την εργασία αποτελείται από ένα στερεό, ομογενές στρώμα πολυμερούς πλαστικού, αν και όπως αναφέρεται και στις μεθόδους μορφοποίησης, είναι δυνατή η παραγωγή προϊόντος πολλών στρωμάτων ίδιου πολυμερούς υλικού ή και διαφορετικών με διαφορετικές φυσικές και άλλες ιδιότητες. Υπάρχουν ακόμη περιπτώσεις στις οποίες περιλαμβάνονται κι άλλες οικογένειες υλικών, όπως κεραμικά και μέταλλα. 2.1 Πάχος τοιχώματος Το πάχος του τοιχώματος ενός αντικειμένου πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο ώστε η μάζα του υλικού να γεμίζει την κοιλότητα του καλουπιού, πριν ακόμα αρχίσει να ψύχεται ή να σκληραίνει. Για αυτό το λόγο, το ελάχιστο πάχος τοιχώματος ελέγχεται σε συνάρτηση με τη διαδρομή ροής του υλικού στο καλούπι και με την ικανότητα ροής του υλικού (εικόνα 2.1). Από την άλλη, το τοίχωμα θα πρέπει να είναι αρκετά λεπτό, ώστε να γίνει γρήγορα η απόψυξή μετά το σχηματισμό του. Όσο παχύτερα είναι τα τοιχώματα ενός αντικειμένου τόσο πιο αργός θα είναι ο κύκλος κατά την παραγωγή του. Επομένως το πάχος των τοιχωμάτων ελέγχει το χρόνο παραγωγής του αντικειμένου, καθώς το 23

24 αντικείμενο δεν μπορεί να αφαιρεθεί από το καλούπι και το μηχάνημα χύτευσης προτού γίνει η απόψυξη και στερεοποίηση του. Κατά κανόνα, ο χρόνος παραμονής του αντικειμένου στη μηχανή με το πάχος των τοιχωμάτων δεν έχουν γραμμική σχέση αλλά υψηλότερου βαθμού. Δηλαδή, με διπλάσιο πάχος τοιχώματος απαιτείται μεγαλύτερο από το διπλάσιο χρόνο απόψυξης του αντικειμένου (ο ακριβής χρόνος εξαρτάται και από τη μορφή του αντικειμένου αλλά και του καλουπιού). Εικόνα 2.1: Διάγραμμα ελάχιστου πάχους σε συνάρτηση με τη διαδρομή ροής 2.2 Ομοιόμορφο πάχος τοιχωμάτων Ο σχεδιασμός ενός προϊόντος θα πρέπει να έχει όσο το δυνατόν ομοιόμορφο πάχος τοιχωμάτων. Σε περίπτωση διαφορετικού πάχους η ψύξη του θα είναι ανομοιόμορφη. Η συστολή και συρρίκνωση ενός τμήματος παχύτερου τοιχώματος είναι μεγαλύτερη από την συστολή και συρρίκνωση ενός λεπτού. Στο παχύ τοίχωμα προκαλούνται μεγαλύτερες εσωτερικές τάσεις με αποτέλεσμα παραμορφώσεων (εικόνα 2.2) και την εμφάνιση κενών (κενές εσωτερικές φυσαλίδες) και καθεισδύσεων (εξωτερικά βαθουλώματα στην επιφάνεια) (εικόνα 2.3). Η κατάσταση αυτή εξαρτάται επίσης και από το υλικό πολυμερές που έχει χρησιμοποιηθεί καθώς υπάρχουν πολυμερή με μεγαλύτερη συρρίκνωση, όπως είναι τα PP και nylon αλλά και άλλα με μικρότερη 24

25 συρρίκνωση, όπως το ABS. Στα πολυμερή μεγάλης συρρίκνωσης είναι δυνατή η εμφάνιση κενών και καθεισδύσεων ακόμα και σε τμήματα λεπτών τοιχωμάτων. Το φαινόμενο της συρρίκνωσης σε ένα αντικείμενο έχει σαν αποτέλεσμα τον αργότερο ρυθμό του κύκλου χύτευσης, την απώλεια διαστασιακής ακρίβειας αλλά και την σταθερότητα και αντοχή του αντικειμένου. Παρόλα αυτά, αν είναι αναγκαίος ο σχεδιασμός ενός αντικειμένου ανομοιόμορφων ή χοντρών τοιχωμάτων τότε απαιτείται σε αυτό μεγαλύτερη φροντίδα ως προς τις θερμοκρασίες και χρόνους χύτευσης και απόψυξης (υψηλότερες θερμοκρασίες, μεγαλύτερος χρόνος χύτευσης και απόψυξης) και στις πιέσεις που θα ασκηθούν κατά την χύτευση και την παραμονή του στο καλούπι (υψηλότερες πιέσεις). Για παράδειγμα, σε μεθόδους χύτευσης με έγχυση, για την αποφυγή των φαινομένων αυτών και των περαιτέρω απαιτήσεων, εμπειρικά, τα τοιχώματα κατά το σχεδιασμό συνήθως για μικρά τεμάχια θα πρέπει να έχουν πάχος από 1mm έως 3mm, ενώ για μεγάλα τεμάχια από 3mm έως 6mm. Εικόνα 2.2: Παράδειγμα παραμόρφωσης αντικειμένου Εικόνα 2.3: Παραδείγματα κενής περιοχής και περιοχών συρρίκνωσης 25

26 2.3 Αποφυγή αιφνίδιας αλλαγής στη διατομή Κάθε αλλαγή στη διατομή ενός αντικειμένου, από λεπτό σε μεγαλύτερο πάχος, δημιουργεί μία αύξηση πιέσεων στο εσωτερικό του υλικού προσδίδοντας μια εσωτερική αδυναμία στο αντικείμενο. Αυτό είναι ιδιαίτερα σοβαρό στην περίπτωση όπου μια αλλαγή στη διατομή γίνεται αιφνίδια, σε μορφή εγκοπής ή σκαλοπατιού, με αποτέλεσμα εξωτερικών ρικνώσεων και κενών χώρων στο εσωτερικό του αντικειμένου (εικόνα 2.4). Για αυτό το λόγο θα πρέπει να αποφεύγεται κάθε αιφνίδια αλλαγή της διατομής και συγκέντρωσης υλικού. Μερικές φορές η αλλαγή της διατομής είναι επιθυμητή στο σχεδιασμό, για την ομοιόμορφη ροή του υλικού και την αποφυγή δημιουργίας νερών στην επιφάνεια. Έτσι, η ύπαρξη εγκοπών μπορεί να αντικατασταθεί με τον σχεδιασμό μιας ομαλής αλλαγής στη διατομή του αντικειμένου. Όσο μεγαλύτερη είναι η ακτίνα εξομάλυνσης τόσο μεγαλύτερη αντοχή θα έχει το σημείο του αντικειμένου. Εικόνα 2.4: Μετάβαση αλλαγής στη διατομή από σχηματισμένη εγκοπή σε όσο μεγαλύτερη ακτίνα εξομάλυνσης Παρόλα αυτά, όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω ένας βέλτιστος σχεδιασμός γίνεται με την διατήρηση ομοιόμορφων και όσο το δυνατόν λεπτότερων τοιχωμάτων στο αντικείμενο. Εάν ο σχεδιασμός του αντικειμένου επιβάλλει (μετά από υπολογισμό ασκούμενων πιέσεων κλπ.) την πάχυνση του σε κάποιες περιοχές, τότε η αύξηση του πάχους σε αυτές τις περιοχές δεν θα πρέπει να ξεπερνά το 25% του πάχους του αντικειμένου (εικόνα 2.5). Αυτή η τιμή του 25% είναι εμπειρική, λαμβάνοντας υπ όψιν την επιρροή του στο χρόνο απόψυξης του αντικειμένου και με την προϋπόθεση ότι είναι ομαλή η αλλαγή στην διατομή. 26

27 Εικόνα 2.5: Παραδείγματα για την ομαλή αλλαγή στη διατομή 2.4 Θέση εισόδου χύτευσης Μονοπάτι ροής υλικού Μια άλλη σημαντική παράμετρος ορθής μορφοποίησης είναι η εύρεση της βέλτιστης τοποθέτησης της εισόδου χύτευσης στο καλούπι. Μια σωστή θέση της εισόδου χύτευσης εξυπηρετεί την απαιτούμενη ροή του πολυμερούς υλικού μέσα στο καλούπι, με σκοπό την πλήρωση του καλουπιού δημιουργώντας ένα σταθερό και συμπαγές αντικείμενο. Οι ασκούμενες πιέσεις του υλικού κατά την χύτευση είναι υψηλότερες κοντά στη είσοδο χύτευσης και, λόγω του περιορισμένου χώρου ανάμεσα στην κοιλότητα και στο πυρήνα του καλουπιού, η πίεση κατά την χύτευση προωθεί το υλικό προς την πιο απομακρυσμένη κοιλότητα του καλουπιού από το σημείο εισόδου. Επομένως, όταν το ρευστό υλικό φτάσει σε απόμακρα σημεία του καλουπιού στα οποία απαιτείται μεγαλύτερη συγκέντρωση υλικού (π. χ. σε σημεία μεγαλύτερου πάχους τοιχώματος) οι πιέσεις εκεί είναι χαμηλές, με αποτέλεσμα να είναι δυσκολότερη η πλήρωση του καλουπιού και η μορφοποίηση του προδιαγεγραμμένου αντικειμένου. Αξίζει επίσης να αναφερθεί ότι σε όλα τα πολυμερή υλικά (ανεξαρτήτως βαθμού συρρίκνωσης), στις περιοχές στις οποίες ασκούνται χαμηλότερες πιέσεις κατά την 27

28 χύτευση η συρρίκνωση είναι μεγαλύτερη από τις περιοχές κοντά στο σημείο εισόδου όπου είναι μεγαλύτερες οι πιέσεις. Για παράδειγμα, ένα αντικείμενο PP πολυμερούς έχει περίπου ποσοστό συρρίκνωσης 1.5% στις περιοχές γύρω από το σημείο εισόδου χύτευσης ενώ μακρύτερα φτάνει και το 2% συρρίκνωσης. Γενικότερα, η ροή ενός πολυμερούς υλικού κατά την χύτευση ακολουθεί ένα μονοπάτι μικρότερης αντίστασης μέσα στο καλούπι. Για αυτό το λόγο η είσοδος χύτευσης θα πρέπει να είναι τοποθετημένη σε τέτοιο σημείο, ούτως ώστε η πλήρωση του καλουπιού να γίνεται από τμήματα παχύτερων τοιχωμάτων σε τμήματα λεπτότερων. Υποθέτοντας την προσπάθεια δημιουργίας ενός αντικειμένου ιδανικής γεωμετρίας, με λεπτό και ομοιόμορφο πάχος, με την τοποθέτηση της είσοδο χύτευσης στην επιφάνεια κάπου κοντά στο κέντρο βάρους του αντικειμένου. Η ροή του υλικού θα είναι ομοιόμορφη προς τα άκρα καλύπτοντας ομοιόμορφα όλο το εσωτερικό του καλουπιού. Πρόκειται για την προτιμότερη τοποθέτηση της εισόδου χύτευσης αλλά κατά κύριο λόγο δεν είναι εφικτή λόγω της γεωμετρικής πολυπλοκότητας των περισσότερων αντικειμένων. Η τοποθέτηση της εισόδου σε ένα άκρο του καλουπιού είναι πιο συνήθης σε αντικείμενα καλύπτοντας όλη την επιφάνεια από το ένα άκρο έως το απέναντι, χωρίς την παρουσία προβλημάτων εξαερισμού και δημιουργίας φυσαλίδων (εικόνα 2.6). Εικόνα 2.6: Ροή του υλικού κατά την τοποθέτηση της εισόδου χύτευσης στο κέντρο (αριστερά) και στο άκρο (δεξιά) ενός αντικειμένου ομοιόμορφου πάχους 28

29 Στην περίπτωση αδυναμίας σχεδιασμού ομοιόμορφου πάχους τοιχωμάτων η ροή του υλικού διαφέρει. Με την τοποθέτηση της εισόδου στο κέντρο η ροή είναι παρόμοια με ένα αντικείμενο ομοιόμορφου πάχους, με την διαφορά ότι θα υπάρξει διαφοροποίηση στις ασκούμενες πιέσεις στις περιοχές του αντικειμένου. Οπότε, σε περιοχές μεγαλύτερου πάχους θα υπάρχει μεγαλύτερη συρρίκνωση του υλικού. Με την τοποθέτηση της εισόδου στο άκρο ακολουθείται το χειρότερο δυνατό μονοπάτι ροής του υλικού. Καθώς το υλικό ακολουθεί ένα μονοπάτι ροής μικρότερης αντίστασης, το υλικό θα πληρώσει τις παχύτερες περιοχές και ακολούθως θα συμπληρώσει τις λεπτότερες με μια ανομοιόμορφη ροή δημιουργώντας κενά και φυσαλίδες, λόγω παγίδευσης αέρα στις τερματικές περιοχές ενώσεων του υλικού. Η αποφυγή και διόρθωση του προβλήματος αυτού γίνεται αλλάζοντας το σημείο εισόδου χύτευσης, τοποθετώντας σε σημεία του καλουπιού εξαερισμούς ή ακόμη προσθέτοντας κι άλλες εισόδους χύτευσης (εικόνα 2.7). Όλες αυτές οι αλλαγές, βέβαια, αυξάνουν το κόστος στην παραγωγή του αντικειμένου. Εικόνα 2.7: Ροή του υλικού κατά την τοποθέτηση της εισόδου χύτευσης στο κέντρο (αριστερά) και στο άκρο (δεξιά) ενός αντικειμένου ανομοιόμορφου πάχους Η δημιουργία ενός γεωμετρικά περίπλοκου αντικειμένου είναι δυνατή, όμως υπάρχουν μεγαλύτερες απαιτήσεις. Για την επίτευξή του είναι αναγκαίες υψηλότερες πιέσεις κατά την χύτευση και υψηλότερες θερμοκρασίες χύτευσης, κατά συνέπεια υψηλότερων προδιαγραφών καλούπια και μηχανήματα, με μεγαλύτερο χρόνο 29

30 παραμονής του αντικειμένου στο μηχάνημα για απόψυξη και στερεοποίηση, και μεγαλύτερο κύκλο παραγωγής. 2.5 Πλευρά για ενίσχυση (ribs) Τα πλευρά ενίσχυσης είναι η δημοφιλέστερη μορφή ενισχύσεων, καθώς εφαρμόζεται στις πλείστες περιπτώσεις, για το σχεδιασμό ενός πολυμερούς αντικειμένου μέσω των μεθόδων χύτευσης. Σκοπός των πλευρών ενίσχυσης είναι η ενδυνάμωση του αντικειμένου, λειτουργώντας σαν στηρίξεις και ενώσεις των τοιχωμάτων του. Ένας άλλος καθοριστικός ρόλος των πλευρών είναι η αντικατάσταση παχύτερων τοιχωμάτων, διατηρώντας την αντοχή του αντικειμένου, με σκοπό την εξοικονόμηση υλικού (εικόνα 2.8). Κατά συνέπεια, τα λεπτότερα τοιχώματα προσδίδουν καλύτερη ροή του υλικού κατά την χύτευση, αποφυγή εμφάνισης φυσαλίδων και καθεισδύσεων στο αντικείμενο και μικρότερο χρόνο απόψυξης και στερεοποίησης του υλικού, με γρηγορότερο κύκλο παραγωγής. Εικόνα 2.8: Παράδειγμα αντικατάστασης πάχους με πλευρά ενίσχυσης Όπως συμβαίνει και στα τοιχώματα ενός αντικειμένου, έτσι και τα πλευρά ενίσχυσης δεν θα πρέπει να σχηματίζουν εγκοπή σε σχέση με το τοίχωμα αλλά να αποτελούν ομογένεια με ομαλή αλλαγή στη διατομή τους. Επομένως, όσο μεγαλύτερη είναι η ακτίνα εξομάλυνσης τους τόσο το καλύτερο για την αντοχή του αντικειμένου. Το πάχος των πλευρών κατά το σχεδιασμό, δεν θα πρέπει να ξεπερνά το 0.5 του πάχους του τοιχώματος με το οποίο διασταυρώνεται. Ένα άλλο στοιχείο που θα πρέπει να ληφθεί υπ όψιν είναι το ύψος των πλευρών, το οποίο δεν θα πρέπει να ξεπερνά το 30

31 διπλάσιο του πάχους των τοιχωμάτων τους καθώς επίσης, η απόσταση μεταξύ τους θα πρέπει να είναι η τριπλάσια του πάχους του τοιχώματος που διασταυρώνονται. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι επειδή τα πλευρά παρεκκλίνουν της κανονικής ροής της φόρμας του αντικειμένου και επειδή η ροή ρέει μέσω μονοπατιού μικρότερης αντίστασης, η πλήρωση των πλευρών με το υλικό είναι δυσκολότερη με αποτέλεσμα πολλές φορές να παγιδεύεται αέρας σε αυτά με το σχηματισμό κενού ή την πλήρωση των πλευρών με υλικό μικρότερης πυκνότητας (εικόνα 2.9). Ακόμα, ένα χαρακτηριστικό που πρέπει να διαθέτουν, είναι η ύπαρξη κλίσεων σε όλες τους τις πλευρές. Η ύπαρξη κλίσεων επιφέρει μείωση κατανάλωσης υλικού, μεγαλύτερη αντοχή των πλευρών αλλά και συμβολή στην καλύτερη πλήρωση των πλευρών από το υλικό. Εικόνα 2.9: Παράδειγμα επιπτώσεων λάθος σχεδίασης και σωστής σχεδίασης 2.6 Στρογγυλεμένες ακμές Όπως αναφέρθηκε και στα πλευρά ενίσχυσης, έτσι και κατά το σχεδιασμό του αντικειμένου θα πρέπει να αποφεύγονται οι αιχμηρές γωνίες για την αποφυγή δημιουργίας συγκεντρώσεων τάσεων (εικόνα 2.10). Η ύπαρξη κλίσεων και στρογγυλοποιήσεων των ακμών του αντικειμένου επιτρέπει την ομαλή ροή του 31

32 υλικού κατά την χύτευση, ούτως ώστε να αποφευχθεί η δημιουργία ρωγμών, κενών και καθεισδύσεων στα σημεία αυτά. Για αυτό το λόγο συνιστάται η χρήση, ακτίνας εξωτερικών ακμών πολλαπλάσια κατά 1.5 του πάχους του τοιχώματος, και για εσωτερικές ακμές, ακτίνα πολλαπλάσια κατά 0.5 του πάχους του τοιχώματος. Εικόνα 2.10: Στρογγυλοποίηση ακμής για την αποφυγή συγκέντρωσης τάσεων 2.7 Διαχωριστική επιφάνεια Η διαχωριστική επιφάνεια είναι η επιφάνεια στην οποία τα δύο τμήματα που αποτελούν το καλούπι, ο πυρήνας και η κοιλότητα του καλουπιού, εφάπτονται και στερεώνονται κατά την χύτευση, μέσω ενός μηχανισμού σύσφιξης του μηχανήματος χύτευσης (εικόνα 2.11). Η στερέωση αποτρέπει το άνοιγμα του καλουπιού και την διαρροή του υλικού πολυμερούς κατά την χύτευση, και κατά συνέπεια την επίτευξη της διαστασιακής ακρίβειας του αντικειμένου. Η διαχωριστική επιφάνεια θα πρέπει να είναι τοποθετημένη στα σημεία όπου τελειώνει η εξωτερική επιφάνεια του αντικειμένου. Για αυτό το λόγο η τοποθέτηση της διαχωριστικής επιφάνειας στο καλούπι θα πρέπει να προϋποθέτει τα εξής: Στην περίπτωση τοποθέτησης της διαχωριστικής επιφάνειας στα σημεία του αντικείμενου το οποίο εξωτερικά σχηματίζει αιχμηρή ακμή, τότε η εσωτερική ακμή θα πρέπει να στρογγυλοποιείται με όσο το δυνατό μεγαλύτερη ακτίνα. Με αυτό το 32

33 τρόπο δεν υπάρχει πρόβλημα σύνδεσης των τμημάτων του καλουπιού και επιτυγχάνεται η αντοχή του αντικειμένου και η ροή του υλικού στο καλούπι. Στην περίπτωση που απαιτούνται αιχμηρές ακμές στα σημεία της διαχωριστικής επιφάνειας, εσωτερικά και εξωτερικά, είναι πιθανή η ανάγκη ένθετου τμήματος στο πυρήνα του καλουπιού. Υπάρχουν όμως και περιπτώσεις μη αναγκαιότητας ένθετων τμημάτων και διατήρησης ενός ενιαίου πυρήνα. Η ύπαρξη ένθετων τμημάτων αυξάνει το κόστος του καλουπιού και για αυτό προτείνεται η αποφυγή τους. Στην περίπτωση όπου ο σχεδιασμός απαιτεί στρογγυλοποίηση στο εσωτερικό τμήμα του πυρήνα αλλά και στο εξωτερικό τμήμα της κοιλότητας, η διαχωριστική επιφάνεια θα πρέπει να βρίσκεται στα σημεία στα οποία σταματάει η στρογγυλοποίηση. Εικόνα 2.11: Διάφορες περιπτώσεις τοποθέτησης διαχωριστικής επιφάνειας (Parting line- P/L), R- ακτίνα καμπυλότητας ακμής, S- αιχμηρή ακμή Η τελευταία αυτή περίπτωση απαιτεί δυσκολότερες διαδικασίες παραγωγής του καλουπιού και κατά συνέπεια καλούπια μεγαλύτερου κόστους. Επίσης, καθίσταται μεγάλη η ακρίβεια στην επίτευξη του βέλτιστου σημείου τοποθέτησης της διαχωριστικής επιφάνειας με αποτέλεσμα την δημιουργία εγκοπών στα σημεία αυτά με κόστος αντοχής του αντικειμένου ή και αισθητικό κόστος. Παρόλα αυτά υπάρχουν μέθοδοι αντιμετώπισης του προβλήματος, με περαιτέρω επεξεργασία του αντικειμένου μετά την χύτευση, με μεγαλύτερης ακρίβειας καλούπια, είτε την τοποθέτηση της διαχωριστικής επιφάνειας σε σημείο ούτως ώστε με την δημιουργία τυχόν εγκοπής να μην επηρεάζει την χρήση του αντικειμένου (εικόνα 2.12). Ένα άλλο στοιχείο που αφορά την διαχωριστική επιφάνεια είναι η μορφή της. Η διαχωριστική επιφάνεια θα πρέπει να είναι σε ένα επίπεδο. Πρόκειται για την 33

34 καλύτερη μορφή για λόγους ευκολότερης κοπής του καλουπιού για την δημιουργία της, καλύτερης εφαρμογής των δύο τμημάτων του καλουπιού και στερέωσης μέσω μηχανισμών σύσφιξης (για αποφυγή διαρροής υλικού κατά την χύτευση). Εικόνα 2.12: Παραδείγματα τοποθέτησης διαχωριστικής επιφάνειας σε αντικείμενα στρογγυλοποιημένων ακμών, εσωτερικά και εξωτερικά 2.8 Κλίση τοιχωμάτων Ένας σχεδιαστής είναι σημαντικό να έχει την επίγνωση ότι μια εντελώς επίπεδη επιφάνεια είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθεί στις περισσότερες μεθόδους χύτευσης, ειδικά χρησιμοποιώντας υλικά μεγάλης συρρίκνωσης. Αυτό συμβαίνει, κατά κύριο λόγο, γιατί υπάρχει δυσκολία ομοιόμορφης απόψυξης μιας τέτοιας επιφάνειας. Για αυτό το λόγο οι επιφάνειες θα πρέπει να έχουν μια ελαφριά καμπυλότητα (εικόνα 2.13). Όσον αφορά τις επιφάνειες ενός αντικειμένου οι οποίες βρίσκονται στη διεύθυνση ανοίγματος του καλουπιού θα πρέπει επίσης να έχουν μια ελαφριά κλίση για την εύκολη και γρήγορη απομάκρυνση του χυτού τεμαχίου. Η κλίση αυτή κυμαίνεται από μισή έως μία μοίρα. Με τη παράβλεψη της κλίσης αυτής το αντικείμενο απορρίπτεται από το καλούπι με δυσκολία δημιουργώντας πολλές φορές εκδορές στις επιφάνειες ή καταστρέφοντας το αντικείμενο. 2.9 Εσοχές Οι εσοχές μπορούν να παρουσιαστούν σαν κοιλώματα πάνω σε ένα τοίχωμα του αντικειμένου. Ο σχεδιασμός τους θα πρέπει να είναι ιδιαίτερα προσεκτικός καθώς μπορούν να προκαλέσουν εμπόδια στη κανονική ροή του υλικού με αποτέλεσμα την 34

35 δημιουργία ανεπιθύμητων σημαδιών στο αντικείμενο ή την παγίδευση αέρα με την πρόκληση οπών στην επιφάνεια (εικόνα 2.14). Για αυτό θα πρέπει να ικανοποιείται η ομαλότητα αλλαγής στη διατομή του τοιχώματος στο οποίο τοποθετούνται. Οι εσοχές θα πρέπει να έχουν όσο το δυνατό μεγαλύτερη ακτίνα καμπυλότητας στις ακμές που σχηματίζουν. Εικόνα 2.13: Παράδειγμα κλίσης τοιχωμάτων Εικόνα 2.14: Παράδειγμα εσοχής και επιρροής της ροής του υλικού 35

36 2.10 Οπές και Ανοίγματα Κατά την τοποθέτηση οπών σε ένα αντικείμενο παρατηρείται το εξής φαινόμενο: η ροή του υλικού κατά την χύτευση διαιρείται και περικυκλώνει το χώρο τον οποίο καταλαμβάνει η επιθυμητή οπή. Στα σημεία από όπου η ροή ενώνεται και γίνεται και πάλι ενιαία δημιουργείται μια επιφάνεια (ρωγμή), όχι απαραίτητα ορατή (εικόνα 2.15). Αυτή η επιφάνεια προκαλεί μια φυσική αποδυνάμωση του αντικειμένου, καθώς το αντικείμενο παύει να αποτελείται από ένα ομογενές υλικό, αλλά και ορισμένες φορές μια κακή εμφάνιση της επιφάνειας του αντικειμένου. Εικόνα 2.15: Σχηματισμός ρωγμής κατά το σχηματισμό της οπής Για την αντιμετώπιση αυτού του φαινομένου, ο σχεδιασμός και τοποθέτηση των οπών θα πρέπει να γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να ελέγχεται η ροή του υλικού για την αποφυγή δημιουργίας ρωγμών στο αντικείμενο. Αν η θέση μιας οπής είναι αναγκαία σε σημείο από όπου δημιουργεί ρωγμή τότε θα πρέπει να γίνει αύξηση θερμοκρασιών και πιέσεων κατά την διαδικασία χύτευσης, η οποία αυξάνει το κόστος του αντικειμένου. Η υλοποίηση απλών οπών, σχετικά μικρής διατομής, σε μία επιφάνεια είναι σχετικά απλή καθώς τοποθετούνται πείροι στο εσωτερικό του καλουπιού καθ' όλη την διατομή του. Η τοποθέτηση των πείρων θα πρέπει να γίνεται όμως με προσοχή ούτως ώστε να έχουν την απαιτούμενη διεύθυνση και να είναι καλά στερεωμένοι. Το πλεονέκτημα που προσφέρουν οι πείροι είναι η ευκολία αντικατάστασης τους σε περίπτωση καταστροφής ή φθοράς. Σαν μειονέκτημα, οι πείροι απαιτούν μεγαλύτερο χρόνο απόψυξης επηρεάζοντας την ομοιόμορφη απόψυξη του αντικειμένου, ιδιαίτερα 36