Διπλωματική Εργασία. Στασινόπουλος Δανιήλ. dpsdm07018

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΙΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ «ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΔΙΑΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ» Διπλωματική Εργασία ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ, ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΤΩΝ ΚΑΛΟΥΠΙΩΝ ΜΙΑΣ ΦΟΡΗΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΧΟΥ ΣΤΟΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ Στασινόπουλος Δανιήλ dpsdm07018 ΣΥΡΟΣ 2009

2 2

3 Περιεχόμενα Λίστα εικόνων...5 Εισαγωγή Μέθοδοι μορφοποίησης πολυμερών Χύτευση πολυμερούς Εκβολή Κυλίνδρωση Χύτευση με έγχυση Χύτευση με συμπίεση Χύτευση μεταφοράς Μορφοποίηση με εμφύσηση Μορφοποίηση με περιστροφή Θερμομόρφωση Επιλογή μεθόδου μορφοποίησης Χύτευση με έγχυση πολυμερούς Μονάδα εγχύσεως Περιστρεφόμενος κοχλίας Ακροφύσιο εγχύσεως Μονάδα καλουπιών Πλάκες των καλουπιών Σύστημα σφικτήρων Καλούπια Σύστημα ροής του υλικού Σύστημα ψύξης Σύστημα εξολκέων Εξαερισμός του καλουπιού Μέθοδοι παραγωγής καλουπιών Σχεδιασμός καλουπιών Υλικά κατασκευής καλουπιών Κατασκευή των καλουπιών Δημιουργία εικονικών καλουπιών Δημιουργία καλουπιών Δημιουργία διαχωριστικής επιφάνειας και ένθετων καλουπιών Δημιουργία συστήματος ροής, ψύξης και εξολκέων Παρουσίαση των τμημάτων των καλουπιών Δημιουργία των πλακών των καλουπιών Υλικό κατασκευής των καλουπιών Αναλύσεις τάσεων και θερμοκρασίας των εικονικών καλουπιών Αναλύσεις τάσεων στην μέγιστη πίεση εγχύσεως Ανάλυση τάσεων στην πίεση εγχύσεως στην κοιλότητα Ανάλυση τάσεων στην πίεση εγχύσεως στον πυρήνα Αναλύσεις θερμοκρασίας Ανάλυση διάχυσης της θερμότητας στην κοιλότητα Ανάλυση διάχυσης της θερμότητας στον πυρήνα

4 5.3 Συμπεράσματα αναλύσεων Επισκόπηση εργαλείων και εργαλειομηχανών CNC Κοπτικά εργαλεία Υλικά κοπτικών εργαλείων Φθορά κοπτικών εργαλείων Εργαλειομηχανές αφαίρεσης μεταλλικού υλικού Εργαλειομηχανές τόρνευσης Εργαλειομηχανές φρεζαρίσματος Εργαλειομηχανές διάτρησης Εικονική κατασκευή των καλουπιών Αρχική μηχανουργική κατεργασία των καλουπιών Εικονική κατεργασία του πυρήνα Εικονική κατεργασία της κοιλότητας Παραγωγή του κώδικα της εργαλειομηχανής Λοιπές κατεργασίες Συμπεράσματα...97 Παράρτημα Α: Ιδιότητες του χάλυβα P Παράρτημα Β: Δημιουργία καλουπιών στο Pro/Engineer Παράρτημα Γ: Δημιουργία μηχανουργικών κατεργασιών στο Pro/Engineer Βιβλιογραφία

5 Λίστα εικόνων Εικόνα 1.1: Διάφορες μέθοδοι μορφοποίησης των πολυμερών Εικόνα 1.2: Χύτευση πολυμερούς Εικόνα 1.3: Σχηματική παράσταση της εκβολής πολυμερούς Εικόνα 1.4: Κοχλίας με τρεις ζώνες Εικόνα 1.5: Διαδικασία κυλίνδρωσης Εικόνα 1.6: Έγχυση με χρήση παλινδρομικού εμβόλου και με περιστρεφόμενο κοχλία Εικόνα 1.7: Διαδικασία χύτευσης με συμπίεση Εικόνα 1.8: Διαδικασία χύτευσης μεταφοράς Εικόνα 1.9: Μορφοποίηση με εμφύσηση Εικόνα 1.10: Διαδικασία μορφοποίησης με περιστροφή Εικόνα 1.11: Διαδικασία θερμομόρφωσης Εικόνα 1.12: Το ενδιάμεσο κέλυφος της συσκευής προς παραγωγή Εικόνα 1.13: Διάγραμμα μεθόδου μορφοποίησης βάσει γεωμετρίας Εικόνα 2.1: Ονοματολογία τμημάτων τυπικής μηχανής εγχύσεως Εικόνα 2.2: Διαδικασία έγχυσης Εικόνα 2.3: Μέθοδοι τήξης και συμπίεσης Εικόνα 2.4: Ζώνες του περιστρεφόμενου κοχλία Εικόνα 2.5: Διαφορετικοί τύποι κοχλιών Εικόνα 2.6: Ακροφύσιο εγχύσεως Εικόνα 2.7: Κινητό και ακίνητο τμήμα των πλακών των καλουπιών Εικόνα 2.8: Πλάκες του τμήματος των καλουπιών Εικόνα 2.9: Μηχανικός σφικτήρας Εικόνα 2.10: Υδραυλικός σφικτήρας Εικόνα 2.11: Υδρομηχανικός τύπος Εικόνα 2.12: Καλούπια δυο πλακών Εικόνα 2.13: Καλούπια τριών πλακών Εικόνα 2.14: Ένθετα καλούπια Εικόνα 2.15: Ζεστή ροή υλικού Εικόνα 2.16: Σύστημα ροής του υλικού Εικόνα 2.17: Τύποι συστήματος ροής σημειακό, ακμής και δισκοειδής Εικόνα 2.18: Παράδειγμα συστήματος ψύξης Εικόνα 2.19: Διαστάσεις και αποστάσεις ψυκτικών αυλών Εικόνα 2.20: Σύστημα πείρων εξολκέων Εικόνα 2.21: Παράδειγμα επιφανειακών ατελειών από πείρους εξολκέων Εικόνα 2.22: Σύστημα εξολκέων συμπιεσμένου αέρα Εικόνα 2.23: Σύστημα δακτυλιοειδών εξολκέων Εικόνα 3.1: Παράδειγμα σχεδιασμένων καλουπιών για πλαστικά κουτάλια Εικόνα 3.2: Μηχανουργικές κατεργασίες Εικόνα 3.3: Διαδικασία ηλεκτροδιάβρωσης Εικόνα 4.1: Ο όγκος των καλουπιών και η διαχωριστική επιφάνεια Εικόνα 4.2: Ένθετα καλούπια Εικόνα 4.3: Εισαγωγή του υλικού Εικόνα 4.4: Σύστημα ψύξης Εικόνα 4.5: Οπές των εξολκέων

6 Εικόνα 4.6: Τα καλούπια και το έτοιμο χυτό Εικόνα 4.7: Το καλούπι του πυρήνα με τα ένθετα Εικόνα 4.8: Το καλούπι της κοιλότητας Εικόνα 4.9: Διάφανη απεικόνιση των πλακών των καλουπιών Εικόνα 5.1: Οι επιφάνειες τοποθέτησης της φόρτισης στην κοιλότητα Εικόνα 5.2: Οι επιφάνειες τοποθέτησης των περιοριστικών συνθηκών στην κοιλότητα Εικόνα 5.3: Κατανομή των τάσεων (von Mises) στην κοιλότητα σε MPa Εικόνα 5.4: Κατανομή μετατοπίσεων στην κοιλότητα σε mm Εικόνα 5.5: Κατανομή τάσεων (von Mises) με τις ακραίες συνθήκες σε MPa Εικόνα 5.6: Διακριτοποίηση των στοιχείων της κοιλότητας Εικόνα 5.7: Κατανομή μετατοπίσεων με τις ακραίες συνθήκες σε mm Εικόνα 5.8: Οι επιφάνειες τοποθέτησης της φόρτισης στον πυρήνα Εικόνα 5.9: Οι επιφάνειες τοποθέτησης των περιοριστικών συνθηκών στον πυρήνα Εικόνα 5.10: Κατανομή τάσεων (von Mises) του πυρήνα σε MPa Εικόνα 5.11: Κατανομή μετατοπίσεων του πυρήνα σε mm Εικόνα 5.12: Κατανομή τάσεων (von Mises) στον πυρήνα με τις ακραίες συνθήκες σε MPa. 61 Εικόνα 5.13: Διακριτοποίηση των στοιχείων του πυρήνα Εικόνα 5.14: Κατανομή μετατοπίσεων με τις ακραίες συνθήκες σε mm Εικόνα 5.15: Οι επιφάνειες τοποθέτησης της θερμοκρασίας τήξης στην κοιλότητα Εικόνα 5.16: Οι επιφάνειες εφαρμογής των οριακών συνθηκών στην κοιλότητα Εικόνα 5.17: Κατανομή θερμοκρασίας στην κοιλότητα σε ο C Εικόνα 5.18: Κατανομή θερμικών τάσεων (von Misses) στην κοιλότητα σε MPa Εικόνα 5.19: Επιφάνειες οριακής συνθήκης ψυκτικών αυλών Εικόνα 5.20: Κατανομή θερμοκρασίας με τους ψυκτικούς αυλούς σε ο C Εικόνα 5.21: Οι επιφάνειες τοποθέτησης της θερμοκρασίας τήξης στον πυρήνα Εικόνα 5.22: Οι επιφάνειες διάχυσης της θερμότητας του πυρήνα Εικόνα 5.23: Κατανομή θερμοκρασίας στον πυρήνα σε ο C Εικόνα 5.24: Κατανομή θερμικών τάσεων (von Mises) στον πυρήνα σε MPa Εικόνα 6.1: Διαδικασία αφαίρεσης υλικού Εικόνα 6.2: Τα βασικά είδη του αποβλήτου Εικόνα 6.3: Εμβέλεια ιδιοτήτων διάφορων ομάδων κοπτικών υλικών Εικόνα 6.4: Διάφορα κοπτικά εργαλεία κατεργασιών Εικόνα 6.5: Συνήθης κατανομή θερμότητας στην ζώνη κοπής Εικόνα 6.6: Φθορά κρατήρα Εικόνα 6.7: Φθορά ακμής Εικόνα 6.8: Διάφορες κατεργασίες τόρνου Εικόνα 6.9: Παράδειγμα τόρνευσης Εικόνα 6.10: Παράδειγμα φρεζαρίσματος Εικόνα 6.11: Οι κατεργασίες φρεζαρίσματος, περιφερικό, μετωπικό και με κονδύλι Εικόνα 6.12: Αντίρροπο και ομόρροπο φρεζάρισμα Εικόνα 6.13: Παράδειγμα διάτρησης Εικόνα 6.14: Κατεργασίες διάτρησης γλύφανση, σπειροτόμηση, εμβύθιση, εμβύθιση με γωνία, κεντράρισμα, ισοπέδωση του άκρου οπής Εικόνα 7.1: Ο αρχικός μεταλλικός όγκος, το μηδενικό σημείο και το επίπεδο επαναφοράς...85 Εικόνα 7.2: Τα κοπτικά εργαλεία του πυρήνα Εικόνα 7.3: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της επάνω επιφάνειας Εικόνα 7.4: Πορεία εργαλείου στην περιμετρική κατεργασία Εικόνα 7.5: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της κάτω καμπύλης επιφάνειας

7 Εικόνα 7.6: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της πάνω καμπύλης επιφάνειας Εικόνα 7.7: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία των εγκοπών των ενθέτων Εικόνα 7.8: Αποσπάσματα από την εικονική κατεργασία του πυρήνα Εικόνα 7.9: Ο αρχικός μεταλλικός όγκος, το μηδενικό σημείο και το επίπεδο επαναφοράς...89 Εικόνα 7.10: Τα κοπτικά εργαλεία της κοιλότητας Εικόνα 7.11: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία του εσωτερικού όγκου Εικόνα 7.12: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία των τοιχωμάτων Εικόνα 7.13: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της καμπύλης επιφάνειας Εικόνα 7.14: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της εσοχής για το ένθετο καλούπι Εικόνα 7.15: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της γεωμετρίας της σύνδεσης Εικόνα 7.16: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της επάνω επιφάνειας Εικόνα 7.17: Πορεία εργαλείου για την κατεργασία των διαμπερών οπών Εικόνα 7.18: Πορεία εργαλείου για την κατεργασία διεύρυνσης των οπών Εικόνα 7.19: Αποσπάσματα από την εικονική κατεργασία της κοιλότητας Εικόνα 7.20: Απόσπασμα του κώδικα της εργαλειομηχανής

8 8

9 Εισαγωγή Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αναζήτηση του τρόπου κατασκευής του ενδιάμεσου πολυμερούς κελύφους μιας φορητής συσκευής αναπαραγωγής ήχου, η μελέτη του τρόπου και ο καθορισμός των παραμέτρων, ώστε να ξεκινήσει η παραγωγή του πολυμερούς κελύφους. Για την επίτευξη του παραπάνω στόχου, αρχικά μελετήθηκαν οι μέθοδοι μορφοποίησης πολυμερών, ώστε να γίνει κατανοητό τι προσφέρει η κάθε μια από αυτές και να γίνει επιλογή της κατάλληλης μεθόδου που θα δημιουργεί την επιθυμητή γεωμετρία του κελύφους. Στη συνέχεια, γίνεται ανάλυση της επιλεγμένης μεθόδου, ώστε να εντοπισθούν τα στοιχεία που επηρεάζουν τον ορθό τρόπο παραγωγής του κελύφους. Από την ανάλυση της επιλεγμένης μεθόδου, προκύπτει ότι το σημαντικότερο στοιχείο για την παραγωγή του κελύφους, είναι τα καλούπια από τα οποία θα προκύπτει η επιθυμητή γεωμετρία. Έτσι, ακολουθεί η μελέτη των μεθόδων παραγωγής των καλουπιών, σε θέματα σχεδιασμού, υλικών και κατασκευής. Από την γνώση που αποκτήθηκε και με τη βοήθεια συστήματος CAM, δημιουργούνται εικονικά τα καλούπια του κελύφους με τα επιμέρους απαιτούμενα συστήματα για τον ορθό τρόπο παραγωγής του κελύφους. Για το λόγο ότι τα καλούπια υπόκεινται σε θερμική καταπόνηση και πίεση, κρίθηκε απαραίτητη η ανάλυση της αντοχής τους με τη βοήθεια συστήματος CAΕ, ώστε να εντοπισθούν οι κρίσιμες περιοχές ως προς την αντοχή. Για την κατασκευή των καλουπιών απαιτείται η αρχική μηχανουργική κατεργασία τους σε ψηφιακά καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές CNC, ώστε να αφαιρεθεί καθορισμένη ποσότητα υλικού από ένα αρχικό μεταλλικό όγκο και να προκύψει η γεωμετρία του καλουπιού. Για αυτό το λόγο, έγινε αρχικά επισκόπηση των εργαλείων και των εργαλειομηχανών CNC. Τέλος, έγινε η προσομοίωση της κατασκευής των καλουπιών με τη βοήθεια συστήματος CAM, όπου παράχθηκαν οι κατεργασίες με τις πορείες των κοπτικών εργαλείων που θα πραγματοποιήσουν την κοπή και οι εντολές του κώδικα της εργαλειομηχανής που θα πραγματοποιήσει την κοπή. 9

10 1. Μέθοδοι μορφοποίησης πολυμερών Η μόρφωση των πολυμερών είναι ο τρόπος μετατροπής τους από άμορφο υλικό σε μια μορφή, η οποία ικανοποιεί τις απαιτήσεις των ιδιοτήτων της τελικής εφαρμογής. Η επιλογή του καταλληλότερου τρόπου μόρφωσης, βελτιώνει σημαντικά τις συνθήκες παραγωγής, το κόστος και την ποιότητα του τελικού αντικειμένου. Η μόρφωση των πολυμερών εκτελείται με την ταυτόχρονη εφαρμογή πίεσης και θερμοκρασίας. Οι κυριότερες μέθοδοι μόρφωσης των πολυμερών είναι η χύτευση πολυμερούς (polymer casting), η εκβολή (extrusion) και η κυλίνδρωση (calendering). Οι παραλλαγές των μεθόδων αυτών οδηγούν σε πληθώρα διαφορετικών τεχνικών όπως, η χύτευση με έγχυση (injection molding), η χύτευση με συμπίεση (compression), η χύτευση με μεταφορά (transfer molding), η μορφοποίηση με εμφύσηση (blow molding), η μορφοποίηση με περιστροφή (rotational molding) και η θερμομόρφωση (thermoforming). Εικόνα 1.1: Διάφορες μέθοδοι μορφοποίησης των πολυμερών. 10

11 1.1 Χύτευση πολυμερούς Κατά την απλή χύτευση πολυμερούς ρευστό υλικό χύνεται σε ένα καλούπι, στερεοποιείται και στην συνέχεια απομακρύνεται από το καλούπι φέροντας όλες τις λεπτομέρειες του καλουπιού. Χρησιμοποιείται συνήθως για την κατασκευή μεγάλων γραναζιών, σφαιρών μπόουλινγκ κ.ά.. Ως μέθοδος παραγωγής χρησιμοποιείται όταν δεν υπάρχει απαίτηση για υψηλούς ρυθμού παραγωγής. 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. Το μειονέκτημά της, εκτός από το μικρό ρυθμό παραγωγής, είναι ότι κατά τη στερεοποίηση παρατηρείται μεγάλος βαθμός συρρίκνωσης (25%), το οποίο προδιαθέτει την δημιουργία ρωγμών. Εικόνα 1.2: Χύτευση πολυμερούς. 1.2 Εκβολή Η εκβολή είναι η πιο διαδεδομένη διαδικασία μορφοποίησης των πολυμερών. Εφαρμόζεται, κυρίως για την κατασκευή προϊόντων συνεχούς μήκους, ορισμένης διατομής και επίπεδης μορφής όπως, ράβδοι, σωλήνες, ίνες, φύλλα κ.ά. Κατά τη διαδικασία εκβολής, σφαιρίδια πολυμερούς τροφοδοτούνται μέσω μιας χοάνης σε ένα σωλήνα με περιστρεφόμενο δοσιμετρικό κοχλία, όπου τήκονται και εξαναγκάζονται να διέλθουν από την μήτρα εκβολής, πλήρως διαμορφωμένα. Ο δοσιμετρικός κοχλίας έχει το σπουδαιότερο ρόλο στην διαδικασία εκβολής και αποτελείται από τρία 11

12 τμήματα διαφορετικής γεωμετρίας, το τμήμα τροφοδοσίας, τη ζώνη τήξεως και το τμήμα δοσιμετρίας. Εικόνα 1.3: Σχηματική παράσταση της εκβολής πολυμερούς. Στο τμήμα τροφοδοσίας γίνεται η μεταφορά και η προθέρμανση του στερεού υλικού, στη ζώνη τήξεως γίνεται η συμπίεση, η πλαστικοποίηση και η τήξη του πολυμερούς και στην ζώνη δοσιμετρίας γίνεται η διαβίβαση, η πρόσμειξη και η εξαγωγή του λιωμένου υλικού από τη μήτρα. Οι λειτουργίες αυτές, δεν περιορίζονται σε μια απόλυτα συγκεκριμένη ζώνη και μπορούν να συνεχίσουν να εμφανίζονται και στις άμεσα γειτονικές ζώνες. Εικόνα 1.4: Κοχλίας με τρεις ζώνες. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι ότι προσφέρει καλή ακρίβεια τελικών διαστάσεων, καλή επαναληψημότητα, υψηλή παραγωγικότητα και χαμηλού κόστος εξοπλισμό. Ως μειονέκτημα της μεθόδου είναι ότι παράγει προϊόντα ως πρώτη ύλη για μετέπειτα μόρφωση με άλλη μέθοδο. 1.3 Κυλίνδρωση Κατά τη μορφοποίηση με τη μέθοδο της κυλίνδρωσης μάζα πολυμερούς περνά από ένα σύστημα κυλίνδρων μικρού ανοίγματος, με αποτέλεσμα την παραγωγή λεπτών φύλλων, τα οποία συνήθως υποβάλλονται σε 12

13 θερμομόρφωση. Η κυλίνδρωση μπορεί να γίνει με σύστημα 2 ή περισσοτέρων κυλίνδρων διαφορικών διατάξεων. Η κυλίνδρωση είναι διεργασία υψηλού ρυθμού παραγωγής και τα προϊόντα που παράγει είναι πλακίδια πατώματος, κουρτίνες μπάνιου, επικαλύψεις, κ.ά. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου, εκτός από τον υψηλό ρυθμό παραγωγής είναι, ότι μπορούν να παραχθούν αντικείμενα με μεγάλο μήκος και πλάτος και ελάχιστο πάχος. Ως μειονέκτημά της, όπως και στην περίπτωση της εκβολής, είναι ότι παράγει προϊόντα ως πρώτη ύλη για μετέπειτα μόρφωση με άλλη μέθοδο. Εικόνα 1.5: Διαδικασία κυλίνδρωσης. 1.4 Χύτευση με έγχυση Με τη μέθοδο αυτή σφαιρίδια πολυμερούς τροφοδοτούνται μέσω μιας χοάνης σε ένα σωλήνα με παλινδρομικό έμβολο ή περιστρεφόμενο κοχλία, όπου τήκονται και διοχετεύονται υπό πίεση στα ψυχρά τοιχώματα του καλουπιού. Στη συνέχεια, το χυτό παραμένει μέσα στο καλούπι και απομακρύνεται όταν έχει ψυχθεί με το άνοιγμα των καλουπιών. Με τη μέθοδο αυτή παράγονται προϊόντα με οποιοδήποτε μέγεθος και σχήμα, όπως κελύφη συσκευών, δοχεία, παιχνίδια, κ.ά. Τα πλεονεκτήματα που προσφέρει είναι ότι μπορούν να δημιουργηθούν πολύπλοκα σχήματα, προσφέρει εξαιρετική τελική επιφάνεια, έχει καλή ακρίβεια διαστάσεων και επανάληψη, έχει υψηλή παραγωγικότητα και δεν απαιτείται συνήθως φινίρισμα της τελικής επιφάνειας μετά το καλούπι. Το μειονέκτημά της είναι ότι έχει υψηλό κόστος για την κατασκευή των καλουπιών και την αγορά της μηχανής. 13

14 Εικόνα 1.6: Έγχυση με χρήση παλινδρομικού εμβόλου και με περιστρεφόμενο κοχλία. 1.5 Χύτευση με συμπίεση Κατά τη μορφοποίηση με συμπίεση στερεό υλικό από μείγμα ρητίνης και σκληρυντικού τοποθετείται σε θερμαινόμενη μήτρα, όπου με εφαρμογή υψηλής πίεσης προκαλείται τήξη και πλήρωση του καλουπιού μέχρι τη σκλήρυνση του υλικού. Με τη μέθοδο αυτή παράγονται προϊόντα οποιουδήποτε μεγέθους και μέτριας πολυπλοκότητας, όπως πώματα, χερούλια μαχαιροπήρουνων, κ.ά. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι η ελαχιστοποίηση της φθοράς του υλικού κατά τη μορφοποίηση, όπως επίσης η ελαχιστοποίηση των παραμενουσών μηχανικών τάσεων στο τελικό προϊόν. Εικόνα 1.7: Διαδικασία χύτευσης με συμπίεση. 14

15 1.6 Χύτευση μεταφοράς Η μορφοποίηση με χύτευση μεταφοράς πραγματοποιείται σε διπλό θάλαμο. Στον πρώτο θάλαμο στερεό υλικό από μείγμα ρητίνης και σκληρυντικού, θερμαίνεται υπό πίεση και τήκεται. Το τήγμα αυτό διοχετεύεται υπό πίεση στο δεύτερο θάλαμο, στον οποίο το υλικό μορφοποιείται βάσει της μήτρας. Η μέθοδος αυτή αποτελεί συνδυασμό των μεθόδων χύτευσης με έγχυση και χύτευσης με συμπίεση, υιοθετώντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μεθόδων αυτών με τη διαφορά ότι αυξάνεται το κόστος. Η μέθοδος αυτή ενδείκνυται για την κατασκευή εξαρτημάτων πολύπλοκής γεωμετρίας, όπως πόρτες αυτοκινήτου, κουπιά για κανό κ.ά. Εικόνα 1.8: Διαδικασία χύτευσης μεταφοράς. 1.7 Μορφοποίηση με εμφύσηση Με τη μέθοδο αυτή τεμάχιο πολυμερούς σε σχήμα σωλήνα τοποθετείται θερμό, σε διαιρούμενου τύπου μήτρα και διογκώνεται με θερμό πεπιεσμένο αέρα, μέχρι να έρθει σε επαφή με τα τοιχώματα της μήτρας. Με αυτή τη μέθοδο κατασκευάζονται προϊόντα με κοιλότητες, όπως φιάλες κ.ά. Η μέθοδος της μορφοποίησης με εμφύσηση έχει τρεις παραλλαγές. Την εμφύσηση μετά από έγχυση, την εμφύσηση μετά από εκβολή και τη διαξονική μορφοποίηση με εμφύσηση. 15

16 Εικόνα 1.9: Μορφοποίηση με εμφύσηση. Στην εμφύσηση μετά από έγχυση το πολυμερές προμορφοποιείται με έγχυση και στη συνέχεια μεταφέρεται στη μήτρα εμφύσησης, όπου παίρνει την τελική του μορφή. Με αυτό τον τρόπο παράγονται μπουκάλια, βάζα, κούπες κ.ά, διαφόρων μεγεθών και σχημάτων. Τα πλεονεκτήματα που προσφέρει είναι ότι το προϊόν διαθέτει καλή τελική επιφάνεια, υψηλή ακρίβεια και επαναληψημότητα, όπως επίσης και ικανοποιητική παραγωγικότητα. Στην εμφύσηση μετά από εκβολή αφού το πολυμερές έχει μορφοποιηθεί πρώτα με εκβολή το προϊόν της εκβολής εισάγεται στη μήτρα εμφύσησης, όπου διογκώνεται με τη βοήθεια θερμού πεπιεσμένου αέρα. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για την παραγωγή μπουκαλιών όλων των μεγεθών, παιχνιδιών, δοχείων καυσίμου, μεγάλων δεξαμενών, κ.ά. Τα πλεονεκτήματα που προσφέρει είναι, ικανοποιητική ακρίβεια και επαναληψημότητα, υψηλή παραγωγικότητα και χαμηλό κόστος εργαλείων. Το μειονέκτημα της μεθόδου είναι ότι το προϊόν διαθέτει περιορισμένη ποιότητα στην τελική επιφάνεια και απαιτείται, μετά την εξαγωγή του τεμαχίου από τη μήτρα, διαδικασία φινιρίσματος. Στην διαξονική μορφοποίηση με εμφύσηση εφαρμόζεται ταυτόχρονη αξονική και ακτινική διόγκωση. Η αξονική διόγκωση γίνεται με χρήση μηχανικών μέσων, όπου το προμορφοποιημένο προϊόν είτε με εκβολή, είτε με έγχυση, μορφοποιείται κατά τον άξονά του. Η ακτινική διόγκωση γίνεται με τη χρήση θερμού αέρα. Με τη διαξονική μορφοποίηση με εμφύσηση βελτιώνεται η αντοχή του αντικειμένου σε κρούση και ερπυσμό, όπως επίσης, βελτιώνεται και η διαύγειά του. Με αυτή τη μέθοδο παράγονται μπουκάλια από PVC, PT και PP. 16

17 1.8 Μορφοποίηση με περιστροφή Στη μορφοποίηση με περιστροφή το πολυμερές είτε σε σωματίδια, είτε τηγμένο, τοποθετείται μέσα σε κοίλη κλειστή μήτρα, η οποία στη συνέχεια τοποθετείται σε φούρνο και περιστρέφεται διαξονικά έως το πολυμερές να λιώσει και να καλύψει την εσωτερική επιφάνεια της μήτρας. Στη συνέχεια, το χυτό ψύχεται μέσα στην κλειστή περιστρεφόμενη μήτρα και μετά την ολοκλήρωση της ψύξης απομακρύνεται από αυτή. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για την παραγωγή απλών κοίλων και μεγάλων σε μέγεθος προϊόντων, όπως δοχεία, δεξαμενές, μπάλες κ.ά. Τα πλεονεκτήματα που προσφέρει είναι ότι τα αντικείμενα είναι απαλλαγμένα από τάσεις και η κατασκευή των καλουπιών έχει μικρό κόστος. Τα μειονεκτήματα της μεθόδου είναι ότι έχει περιορισμένη λεπτομέρεια και μεγάλο κύκλο παραγωγής. Εικόνα 1.10: Διαδικασία μορφοποίησης με περιστροφή. 1.9 Θερμομόρφωση Με τη μέθοδο της θερμομόρφωσης λεπτά πολυμερή φύλλα μορφοποιούνται σε προϊόντα πολύπλοκων σχημάτων. Κατά τη διαδικασία θερμομόρφωσης το φύλλο πολυμερούς θερμαίνεται και υποχωρεί στα τοιχώματα της μήτρας είτε με την εφαρμογή κενού (vacuum forming), είτε με τη διοχέτευση θερμού αέρα υπό πίεση (pressure forming). Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για την παραγωγή μεγάλων πάνελ, για προϊόντα συσκευασίας, έπιπλα, κ.ά. Το πλεονέκτημα που προσφέρει είναι ότι μπορούν να παραχθούν καμπύλα και λεπτότοιχα σχήματα. Ως μειονέκτημά της είναι ότι το πάχος του αντικειμένου μεταβάλλεται ανάλογα με την ακτίνα καμπυλότητάς του. 17

18 Εικόνα 1.11: Διαδικασία θερμομόρφωσης Επιλογή μεθόδου μορφοποίησης Η επιλογή της καταλληλότερης μεθόδου μορφοποίησης για την παραγωγή ενός πολυμερούς αντικειμένου εξαρτάται κυρίως από το υλικό κατασκευής και από τη γεωμετρία του αντικειμένου. Άλλοι παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν την επιλογή της μεθόδου είναι, οι ιδιότητες που απαιτούνται στο τελικό προϊόν, το κόστος της μεθόδου, η ταχύτητα και ο όγκος που πρέπει να παραχθεί. Το αντικείμενο που θα κατασκευαστεί είναι το ενδιάμεσο πολυμερές κέλυφος μιας φορητής συσκευής αναπαραγωγής ήχου (Εικόνα 1.12) [14]. Η φορητή συσκευή αναπαραγωγής ήχου αποτελείται από πέντε κύρια τμήματα, το επάνω και κάτω μεταλλικό κέλυφος, το ενδιάμεσο κέλυφος, τα πλήκτρα χειρισμού και την ηλεκτρονική πλακέτα. Το ενδιάμεσο κέλυφος έχει μικρό μέγεθος με διαστάσεις 67,5 x 24 x 9,5mm και πάχος 1,3mm, διαθέτει κάθετα εσωτερικά πλευρά (1) για την στήριξη της ηλεκτρονικής πλακέτας, προεξοχές με λεπτομέρεια (2) για τη σύνδεση του πάνω και κάτω μεταλλικού κελύφους, σύνδεση μεταξύ των δύο μεγαλύτερων πλευρών (3) και οπές στη μια μικρότερη πλευρά για τις θύρες εξόδου (4). 18

19 Εικόνα 1.12: Το ενδιάμεσο κέλυφος της συσκευής προς παραγωγή. Υπάρχει μεγάλος ανταγωνισμός ανάμεσα στις μεθόδους μορφοποίησης, όπως και ανάμεσα στα πολυμερή. Ένα παράδειγμα σε μια μεγάλη αγορά είναι ο ανταγωνισμός μεταξύ των ποτηριών κατασκευασμένων με έγχυση και αυτών με θερμομόρφωση. Ο ανταγωνισμός αυτός οδηγεί σε ικανότερο, γρηγορότερο και ασφαλέστερο εξοπλισμό, σε νέες απαιτήσεις απόδοσης προϊόντων και σε κάλυψη των οικονομικών αναγκών. Το υλικό κατασκευής του ενδιάμεσου κελύφους είναι το θερμοπλαστικό ABS (arcylnitrele butadene styrene), το οποίο μπορεί να διαμορφωθεί με τη μέθοδο χύτευσης με έγχυση, εκβολής, θερμομόρφωσης και εμφύσησης. Λόγω της γεωμετρίας του ενδιάμεσου κελύφους, η διαμόρφωση του κελύφους μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη μέθοδο της έγχυσης και της συμπίεσης. 19

20 Εικόνα 1.13: Διάγραμμα μεθόδου μορφοποίησης βάσει γεωμετρίας. Άρα, βάσει της γεωμετρίας αποκλείονται οι μέθοδοι μορφοποίησης με θερμομόρφωση, με εκβολή και με εμφύσηση, ενώ βάσει του υλικού αποκλείεται η μορφοποίηση με συμπίεση. Επομένως, η καταλληλότερη μέθοδος μορφοποίησης για το ενδιάμεσο κέλυφος είναι η χύτευση με έγχυση. 20

21 2. Χύτευση με έγχυση πολυμερούς Μετά την επιλογή της μεθόδου για την μορφοποίηση του ενδιάμεσου κελύφους της φορητής συσκευής αναπαραγωγής ήχου, πρέπει να γίνουν κατανοητές οι βασικές λειτουργίες της μεθόδου χύτευσης με έγχυση, για την μετέπειτα δημιουργία των καλουπιών του κελύφους. Η διαδικασία χύτευσης ξεκινά από την μονάδα εγχύσεως της μηχανής έγχυσης, όπου το πολυμερές εισάγεται σε μορφή κόκκων, από την χοάνη εισαγωγής, σε ένα κύλινδρο. Ο κύλινδρος περιέχει είτε ένα παλινδρομικό έμβολο, είτε ένα περιστρεφόμενο κοχλία, οι οποίοι μεταφέρουν το πολυμερές προς την μονάδα θέρμανσης του κυλίνδρου, όπου τήκεται. Στη συνέχεια, το τηγμένο πολυμερές συμπιέζεται προς το ακροφύσιο εγχύσεως, για να αποκτήσει την επιθυμητή πίεση εγχύσεως, πριν ανοίξει το στόμιο του ακροφυσίου, ώστε να γίνει η έγχυση του πολυμερούς στη μήτρα, της μονάδας των καλουπιών. Εικόνα 2.1: Ονοματολογία τμημάτων τυπικής μηχανής εγχύσεως. Στη μονάδα των καλουπιών το πολυμερές μορφοποιείται στο σχήμα της μήτρας. Η μήτρα δημιουργείται από την ένωση συνήθως δυο τμημάτων καλουπιών, την πλάκα του πυρήνα και την πλάκα της κοιλότητας. Η μονάδα των καλουπιών αποτελείται από πολλές διαφορετικές πλάκες, ενωμένες με πείρους, οι οποίες πιέζονται μεταξύ τους από το σύστημα σφικτήρων κατά την έγχυση. Μετά την ψύξη και την στερεοποίηση του πολυμερούς, οι σφικτήρες ανοίγουν τις πλάκες για την απόρριψη του τεμαχίου με την βοήθεια του συστήματος εξολκέων. 21

22 Εικόνα 2.2: Διαδικασία έγχυσης. 2.1 Μονάδα εγχύσεως Υπάρχουν πολλές διαφορές μεταξύ των μονάδων εγχύσεως και της ονοματολογίας των τμημάτων τους στη βιομηχανία, ανάλογα με τις προδιαγραφές κάθε μηχανής. Σε αυτό το κεφάλαιο περιγράφεται μια τυπική μονάδα εγχύσεως. Για τις ακριβείς πληροφορίες κάθε μονάδας εγχύσεως, πρέπει να διαβαστεί το εγχειρίδιο χρήσης της κάθε μηχανής. Οι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη είναι η τήξη και η συμπίεση του πολυμερούς, όπως επίσης και η έξοδος του υλικού από το ακροφύσιο εγχύσεως. Για την τήξη και την συμπίεση του πολυμερούς χρησιμοποιούνται διαφορετικές μέθοδοι. Οι πιο διαδεδομένες είναι η μέθοδος απλού εμβόλου και η μέθοδος δύο βαθμίδων. Στη μέθοδο απλού εμβόλου υπάρχει ένας θερμαινόμενος κύλινδρος, ο οποίος εκτελεί την τήξη και την συμπίεση του πολυμερούς, ενώ στη μέθοδο δύο βαθμίδων, υπάρχουν δύο κύλινδροι, ένας για την τήξη του πολυμερούς και ένας για την συμπίεση. Η μέθοδος των δύο βαθμίδων χρησιμοποιείται όταν το πολυμερές έχει μικρή ροή και απαιτείται μεγαλύτερη πίεση κατά την έγχυση. Εσωτερικά των θερμαινόμενων κυλίνδρων και των δύο μεθόδων μπορεί να υπάρχει είτε ένα παλινδρομικό 22

23 έμβολο με ένα διανομέα, είτε ένας παλινδρομικός περιστρεφόμενος κοχλίας, για την μεταφορά και την συμπίεση του πολυμερούς. Συνήθως, στη βιομηχανία χρησιμοποιείται η μέθοδος απλού εμβόλου με παλινδρομικό περιστρεφόμενο κοχλία, λόγω της ικανότητάς του να αναμιγνύει και να ομογενοποιεί το τηγμένο πολυμερές. Εικόνα 2.3: Μέθοδοι τήξης και συμπίεσης Περιστρεφόμενος κοχλίας Ο περιστρεφόμενος κοχλίας αναπτύχθηκε για την μέθοδο της εκβολής και μετέπειτα εξελίχθηκε για να χρησιμοποιηθεί στη μέθοδο της έγχυσης. Ο κοχλίας εμπεριέχεται σε κύλινδρο, ο οποίος πρέπει να είναι κατασκευασμένος από ανθεκτικά υλικά, ώστε να αντέχει την υψηλή πίεση που εμφανίζεται κατά τη συμπίεση και έγχυση του πολυμερούς. Επίσης, η εσωτερική επιφάνεια του κυλίνδρου, πρέπει να διαθέτει την απαιτούμενη τριβή, ώστε να βοηθήσει στην τήξη του υλικού και στη μετακίνησή του προς το ακροφύσιο. Ο κοχλίας είναι ίσως το πιο πολύπλοκο εξάρτημα της μονάδας έγχυσης και αποτελείται από τρία βασικά τμήματα, την ζώνη τροφοδοσίας, την ζώνη τήξης και συμπίεσης και την ζώνη δοσιμετρίας. 23

24 Εικόνα 2.4: Ζώνες του περιστρεφόμενου κοχλία. Η βασική αρχή του κοχλία, όπως χρησιμοποιήθηκε από τον Αρχιμήδη, είναι να μεταφέρει το υλικό, μέσω ενός ελικοειδούς σχήματος, έτσι ώστε να περάσει μέσα από το ακροφύσιο. Το πρώτο πρόβλημα που μπορεί να εμφανιστεί κατά την περιστροφή του κοχλία είναι το υλικό να κολλήσει στον κοχλία, με αποτέλεσμα να μην μετακινείται προς το ακροφύσιο. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος απαιτείται η εφαρμογή σωστής θερμοκρασίας για την τήξη του πολυμερούς και σωστού σχεδιασμού του κοχλία με λείες επιφάνειες. Κατά την περιστροφή του κοχλία, οι κόκκοι του πολυμερούς μεταφέρονται στην περιοχή θέρμανσης, όπου τήκονται και σχηματίζεται στην ακμή του κοχλία μια μάζα τηγμένου πολυμερούς. Όταν η μάζα του τηγμένου πολυμερούς φτάσει την ζώνη συμπίεσης, ο όγκος μεταξύ των στροφών του κοχλία μικραίνει συνεχώς, έως την ζώνη δοσιμετρίας. Για να ελεγχθεί ότι το πολυμερές έχει τηχθεί, ελέγχεται η απαιτούμενη ροπή του κοχλία για την μεταφορά του πολυμερούς. Όσο το πολυμερές τήκεται, τόσο λιγότερη είναι η απαιτούμενη ροπή. Η ζώνη δοσιμετρίας εξυπηρετεί στο να πιέσει με ακρίβεια, μια συγκεκριμένη ποσότητα υλικού στο πρόσθιο μέρος του κοχλία. Εκεί, αναπτύσσεται πίεση, η οποία μετατοπίζει τον κοχλία στην θέση της έγχυσης, ώστε να πιέσει το υλικό στη μήτρα. Το πρόσθιο μέρος διαχωρίζεται από τον κοχλία με μια ανεπίστροφη βαλβίδα, η οποία επιτρέπει την ροή του υλικού μόνο προς την μια διεύθυνση. Το σχετικό μήκος της κάθε ζώνης ποικίλει ανάλογα με το υλικό που χρησιμοποιείται (κρυσταλλικό ή άμορφο). Τα κρυσταλλικά υλικά έχουν πολύ 24

25 μικρή ζώνη συμπίεσης, σε αντίθεση με τα άμορφα, που έχουν μεγάλη. Υπάρχουν κοχλίες σχεδιασμένοι για ABS, οι οποίοι έχουν μόνο ζώνη συμπίεσης σε όλο το μήκος τους, ώστε να προσφέρουν ομαλότερη πλαστικοποίηση και μικρότερη αποκοπή του πολυμερούς. Άλλοι τύποι κοχλιών μπορεί να μην έχουν ζώνη τροφοδοσίας, να έχουν δύο στάδια συμπίεσης, να απομακρύνουν τα αέρια ή να διαθέτουν τέτοια γεωμετρία που ξεχωρίζουν τους κόκκους του πολυμερούς από το τηγμένο υλικό, προσφέροντας καλύτερη ποιότητα στο τελικό αντικείμενο. Εικόνα 2.5: Διαφορετικοί τύποι κοχλιών. Το μέγεθος της μονάδας εγχύσεως, καθορίζεται από την ποσότητα του υλικού και την πίεση που απαιτούνται για το γέμισμα της μήτρας. Επίσης, το μήκος και η διάμετρος του κοχλία, εξαρτώνται από την κατεργασία που απαιτεί κάθε πολυμερές Ακροφύσιο εγχύσεως Οι λειτουργίες του ακροφύσιου είναι να διατηρεί το υλικό σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, μετά την τήξη του από τον κοχλία και πριν τη έγχυση του πολυμερούς στη μήτρα. Το ακροφύσιο πρέπει να συνδέεται στεγανά με τον κύλινδρο εγχύσεως, έτσι ώστε να μην υπάρχουν απώλειες πιέσεως και υλικού και να παρέχει ομαλή μεταβίβαση του υλικού από τον κύλινδρο στη μήτρα. Για αυτό το λόγο, θα πρέπει να χρησιμοποιείται όσο το δυνατόν μικρότερου μήκους ακροφύσιο. 25

26 Εικόνα 2.6: Ακροφύσιο εγχύσεως. 2.2 Μονάδα καλουπιών Τα βασικά τμήματα που συνθέτουν την μονάδα των καλουπιών είναι το σύστημα σφικτήρων και οι πλάκες των καλουπιών. Επίσης, η μονάδα καλουπιών αποτελείται από επιμέρους τμήματα, τα οποία είναι τα καλούπια, το σύστημα εξολκέων, το σύστημα ψύξης και οι αυλοί της ροής του υλικού στη μήτρα Πλάκες των καλουπιών Οι πλάκες των καλουπιών είναι μια συλλογή από ατσάλινες πλάκες και άλλα εξαρτήματα, τα οποία όταν συναρμολογηθούν και εγκατασταθούν στη μηχανή έγχυσης, είναι ικανές να παράγουν τα απαιτούμενα προϊόντα. Το κόστος των πλακών των καλουπιών είναι αρκετά μεγάλο και σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να υπερβαίνει το κόστος ολόκληρης της μηχανής έγχυσης. Όμως, κατά την παραγωγή πολλών κομματιών, με τα ίδια καλούπια, το κόστος ανά κομμάτι ελαχιστοποιείται. Επίσης, το πρόβλημα της κατασκευής του προϊόντος αντιμετωπίζεται μια φορά κατά την δημιουργία των καλουπιών και όχι για κάθε κομμάτι που παράγεται. Για αυτό το λόγο, πρέπει να υπάρχει μεγάλη επικοινωνία μεταξύ του σχεδιαστή του προϊόντος και του σχεδιαστή των καλουπιών, έτσι ώστε να αποφευχθούν προβλήματα που προκαλούνται από την γεωμετρία του προϊόντος. Η βασική λειτουργία των πλακών των καλουπιών είναι να συγκρατούν τον πυρήνα και την κοιλότητα κατά την έγχυση, για αυτό ονομάζονται και βάση των καλουπιών. Η βάση των καλουπιών χωρίζεται στο ακίνητο τμήμα, 26

27 το οποίο στηρίζει την κοιλότητα και στο κινητό τμήμα, το οποίο στηρίζει τον πυρήνα. Εικόνα 2.7: Κινητό και ακίνητο τμήμα των πλακών των καλουπιών. Το ακίνητο τμήμα αποτελείται συνήθως από δύο πλάκες, την ακίνητη πλάκα προσδέσεως και την πλάκα καλουπιού της κοιλότητας. Η πλάκα προσδέσεως στηρίζει το ακίνητο τμήμα και η πλάκα του καλουπιού περιέχει και συγκρατεί την κοιλότητα του καλουπιού. Επίσης, η πλάκα του καλουπιού διαθέτει πείρους, οι οποίοι οδηγούν το κινητό τμήμα στην σωστή τοποθέτηση κατά το κλείσιμο των πλακών. Οι δύο αυτές πλάκες πρέπει να παρέχουν μια δίοδο στο κέντρο τους, για την εισαγωγή του τηγμένου πολυμερούς. Αυτή η δίοδος είναι ο δακτύλιος εισαγωγής. Για την καλύτερη στεγανοποίηση και ένωση του δακτυλίου εισαγωγής με το ακροφύσιο της μονάδας έγχυσης, χρησιμοποιείται ένας δακτύλιος κεντρώσεως. Ο δακτύλιος εισαγωγής οδηγεί το υλικό είτε κατευθείαν στη μήτρα, είτε σε ένα σύστημα ροής, το οποίο οδηγεί το υλικό στη μήτρα. Το κινητό τμήμα, αποτελείται από την πλάκα του καλουπιού του πυρήνα, την πλάκα πιέσεως, το σύστημα των εξολκέων και την πλάκα προσδέσεως. Η πλάκα του καλουπιού του πυρήνα περιέχει και συγκρατεί τον πυρήνα του καλουπιού και διαθέτει οπές για τους πείρους του ακίνητου τμήματος. Η πλάκα πιέσεως στηρίζει την πλάκα του καλουπιού του πυρήνα, έτσι ώστε να 27

28 μην μετατοπισθεί κατά την έγχυση και διαθέτει οπές για τους πείρους και για τους εξολκείς. Το σύστημα εξολκέων αποτελείται από την πλάκα φορέα των εξολκέων, η οποία φέρει τους εξολκείς και την πλάκα βάσης των εξολκέων, η οποία διαθέτει τον πείρο εξωθήσεως της πλάκας του φορέα των εξολκέων. Τέλος, υπάρχει η κινητή πλάκα προσδέσεως, η οποία μετακινεί και συμπιέζει όλο το κινητό τμήμα και είναι συνδεδεμένη με το σύστημα συμπίεσης. Εικόνα 2.8: Πλάκες του τμήματος των καλουπιών Σύστημα σφικτήρων Το σύστημα σφικτήρων είναι το τμήμα στο οποίο συγκρατείται η βάση των καλουπιών από δύο πλάκες ενωμένες με πείρους. Η κινητή πλάκα του συστήματος των σφικτήρων ολισθαίνει πάνω στους πείρους. Το σύστημα σφικτήρων μετακινεί το κινητό τμήμα της βάσης των καλουπιών και το συμπιέζει κατά την έγχυση, ώστε να μην ανοίξει από την πίεση εγχύσεως. 28

29 Υπάρχουν τρείς τύποι του συστήματος σφικτήρων, ο υδραυλικός, ο υδρομηχανικός και ο μηχανικός τύπος. Ο μηχανικός τύπος έχει διαφορετικές διατάξεις μεταλλικών μοχλών, οι οποίοι μετακινούνται από ένα μικρό υδραυλικό κύλινδρο, για να συμπιέσουν τα καλούπια. Χάρη στους μοχλούς, δεν απαιτείται μεγάλη δύναμη από τον υδραυλικό κύλινδρο για την συμπίεση των καλουπιών και το σύστημα καταλαμβάνει μικρό χώρο. Όμως, δεν υπάρχει έλεγχος της ακριβής πίεσης που ασκείται. Αυτό ο τύπος σφικτήρων χρησιμοποιείται όταν δεν απαιτούνται μεγάλες πιέσεις. Εικόνα 2.9: Μηχανικός σφικτήρας. Ο υδραυλικός τύπος χρησιμοποιεί έναν υδραυλικό κύλινδρο για την κίνηση και την σύσφιξη της βάσης των καλουπιών. Με τον υδραυλικό τύπο, επιτυγχάνονται μεγαλύτερες πιέσεις για την ένωση των καλουπιών και χρησιμοποιείται πολύ συχνά στη βιομηχανία. 29

30 Εικόνα 2.10: Υδραυλικός σφικτήρας. Ο υδρομηχανικός τύπος χρησιμοποιεί έναν υδραυλικό κύλινδρο για την μετακίνηση των καλουπιών και για την σύσφιξη χρησιμοποιεί μηχανικά μέσα και υψηλής πίεσης υδραυλικούς κυλίνδρους. Έχει το πλεονέκτημα ότι ελαχιστοποιεί τον κύκλο παραγωγής, καθώς το άνοιγμα και κλείσιμο των καλουπιών εκτελείται πιο γρήγορα. Ο υδρομηχανικός τύπος χρησιμοποιείται στις περιπτώσεις όπου η πίεση έγχυσης είναι πολύ μεγάλη και απαιτείται μεγάλη δύναμη για την σύσφιξη των καλουπιών, όπως επίσης και σε μεγάλου όγκου παραγωγές. Εικόνα 2.11: Υδρομηχανικός τύπος. 30

31 2.2.3 Καλούπια Για την κατασκευή ενός προϊόντος συνήθως απαιτούνται δύο καλούπια, ο πυρήνας (κινητό μέρος) και η κοιλότητα (σταθερό μέρος). Βέβαια, σε πολλές περιπτώσεις απαιτείται η χρήση περισσότερων καλουπιών για τη δημιουργία της επιθυμητής γεωμετρίας. Η συνένωση των καλουπιών δημιουργεί τη μήτρα. Σε μια βάση καλουπιών μπορούν να τοποθετηθούν πολλαπλές μήτρες, ώστε με μία έγχυση να παράγονται πολλά τεμάχια ταυτόχρονα. Το τηγμένο υλικό οδηγείται από το ακροφύσιο εγχύσεως στις πολλαπλές μήτρες μέσω ενός συστήματος ροής. Στη βιομηχανία υπάρχουν τρείς γενικές κατηγορίες καλουπιών βάσει του όγκου παραγωγής, τα πρωτότυπα καλούπια, τα καλούπια παραγωγής και τα καλούπια υψηλής παραγωγής. Τα πρωτότυπα καλούπια χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενός νέου προϊόντος, με σκοπό την διερεύνηση των χαρακτηριστικών του πολυμερούς, της συρρίκνωσή του, του σχήματος και της θέσης των αυλών ροής του υλικού, των διαστάσεων του τελικού κομματιού, τις συνθήκες της διαδικασίας έγχυσης και τον κύκλο παραγωγής. Τα καλούπια αυτά είναι κατασκευασμένα από μικρού κόστους μαλακό χάλυβα ή αλουμίνιο και μπορούν να παράγουν από 25 έως 1000 τεμάχια. Οι αυλοί ψύξης και το σύστημα εξολκέων είναι απλά ή μπορεί να μην υπάρχουν. Έτσι, με τη δημιουργία των πρωτότυπων καλουπιών, εντοπίζονται και επιλύονται τα πιθανά προβλήματα που μπορούν να εμφανιστούν κατά την έγχυση, πριν την κατασκευή των τελικών καλουπιών για την μαζική παραγωγή του προϊόντος, μειώνοντας το κόστος ανακατασκευής των τελικών καλουπιών. Τα καλούπια παραγωγής χρησιμοποιούνται για την παραγωγή έως κομματιών, σε καθορισμένους χρόνους παραγωγής και είναι κατασκευασμένα από σκληρό χάλυβα. Διαθέτουν αυτόματο σύστημα εξολκέων για την απόρριψη των κομματιών και σύστημα για την ομοιόμορφη ψύξη των κομματιών, έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθεί ο κύκλος παραγωγής, διατηρώντας σταθερή ποιότητα στα κομμάτια. Τα καλούπια υψηλής παραγωγής χρησιμοποιούνται για την παραγωγή έως κομματιών και είναι κατασκευασμένα από πολύ σκληρό ανοξείδωτο χάλυβα για να αντέξουν τον όγκο παραγωγής χωρίς να φθαρούν. Λόγω του υλικού κατασκευής τους, είναι τα ακριβότερα και απαιτούν μεγάλο 31

32 χρόνο για την κατασκευή τους. Τα προϊόντα που παράγουν είναι συνήθως μιας χρήσεως, μικρού μεγέθους και είναι κατασκευασμένα από μικρού κόστους πολυμερές, έτσι ώστε να έχουν πολύ μικρό κύκλο παραγωγής. Επίσης, για την ελαχιστοποίηση του κύκλου παραγωγής, διαθέτουν αυτόματο σύστημα εξολκέων για την απόρριψη των κομματιών και σύστημα για την ομοιόμορφη ψύξη των κομματιών. Εκτός από το διαχωρισμό των καλουπιών βάσει του όγκου παραγωγής, τα καλούπια διακρίνονται και βάσει της διαδικασίας ανοίγματος. Οι βασικότεροι τύποι που υπάρχουν στη βιομηχανία, ανάλογα με το άνοιγμα των καλουπιών, είναι τα καλούπια δυο τμημάτων, τα καλούπια τριών τμημάτων και τα καλούπια με ένθετα. Τα καλούπια δύο τμημάτων είναι τα πιο συνηθισμένα και διαθέτουν μια διαχωριστική επιφάνεια, η οποία χωρίζει το κινητό από το ακίνητο τμήμα. Από αυτή την διαχωριστική επιφάνεια γίνεται η απόρριψη του κομματιού με την βοήθεια των εξολκέων. Εικόνα 2.12: Καλούπια δυο πλακών. Τα καλούπια τριών τμημάτων διαθέτουν δύο διαχωριστικές επιφάνειες. Η μια είναι για την απόρριψη του κομματιού, όπως συμβαίνει στα καλούπια των δύο τμημάτων. Η άλλη διαχωριστική επιφάνεια βρίσκεται στο ακίνητο μέρος των καλουπιών και ανοίγει για την απόρριψη της στερεοποιημένης ροής του υλικού. 32

33 Εικόνα 2.13: Καλούπια τριών πλακών. Τα καλούπια με ένθετα χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενός προϊόντος με πολύπλοκη γεωμετρία, όπου απαιτούνται περισσότερα καλούπια. Το άνοιγμα των καλουπιών γίνεται μέσω μιας αλληλουχίας κινήσεων για την απόρριψη του κομματιού. Εικόνα 2.14: Ένθετα καλούπια. Ένας άλλος διαχωρισμός των καλουπιών γίνεται βάσει της θερμοκρασίας της ροής του υλικού από το ακροφύσιο έως το κομμάτι. Έτσι, τα καλούπια διαχωρίζονται σε καλούπια με ζεστή ροή και σε καλούπια με κρύα ροή. Τα καλούπια με ζεστή ροή διατηρούν το υλικό σε ορισμένη θερμοκρασία μέσα στο σύστημα ροής, μέχρι να φτάσει στη μήτρα, με αποτέλεσμα να μην απαιτείται η απομάκρυνση του στερεοποιημένου υλικού 33

34 μέσα στις ροές, να βελτιώνεται η ποιότητα του τελικού αντικειμένου, να ελαχιστοποιείται ο κύκλος παραγωγής και η απαιτούμενη πίεση έγχυσης. Όμως, με αυτόν τον τρόπο αυξάνεται το κόστος της βάσης των καλουπιών, καθώς απαιτούνται επιπρόσθετα εξαρτήματα, όπως ακροφύσια σε κάθε ένωση της ροής με τη μήτρα, θερμαντικά στοιχεία και στοιχεία ελέγχου της θερμοκρασίας. Λόγω του κόστους της ζεστή ροής, χρησιμοποιείται σε μεγάλου όγκου παραγωγές ή στις περιπτώσεις όπου τα πλεονεκτήματα της ζεστής ροής καλύπτουν το επιπρόσθετο κόστος. Εικόνα 2.15: Ζεστή ροή υλικού Σύστημα ροής του υλικού Το σύστημα ροής του υλικού είναι ένα σύστημα αγωγών που μεταφέρουν το τηγμένο πολυμερές, από το ακροφύσιο προς την μήτρα των καλουπιών. Το σύστημα αποτελείται από τον κώνο εισαγωγής, τους δίαυλους διανομής και τη στένωση. Σε απλές περιπτώσεις, το σύστημα αποτελείται μόνο από τον κώνο εισαγωγής και τη στένωση, η οποία οδηγεί το πολυμερές κατευθείαν στη μήτρα. Το τηγμένο πολυμερές εισέρχεται στον κώνο εισαγωγής από το ακροφύσιο, περνάει από τους δίαυλους διανομής και μέσω της στένωσης καταλήγει στους κοίλους χώρους του καλουπιού. 34

35 Εικόνα 2.16: Σύστημα ροής του υλικού. Το σύστημα ροής του υλικού πρέπει να διαμορφωθεί με τέτοιο τρόπο, ώστε η ρευστή μάζα του υλικού να γεμίζει ταυτόχρονα και ομοιόμορφα τους κοίλους χώρους του καλουπιού, από τη συντομότερη διαδρομή και με τις μικρότερες απώλειες θερμότητας και πίεσης. Επίσης, το σύστημα ροής του υλικού, θα πρέπει να ψυχθεί ομοιόμορφα με το κομμάτι και να εξαχθεί μαζί με αυτό. Άρα, θα πρέπει να προβλεφθεί σύστημα ψύξης και σύστημα εξολκέων για την ψύξη και απομάκρυνση του συστήματος ροής. Οι δίαυλοι διανομής και οι στενώσεις κατασκευάζονται στη διαχωριστική επιφάνεια των καλουπιών, ενώ ο κώνος εισαγωγής κατασκευάζεται στο σταθερό ήμισυ των καλουπιών. Οι στενώσεις έχουν μικρότερη διάμετρο από τους δίαυλους διανομής για την ευκολότερη αποκοπή από το χυτό και είναι τοποθετημένες στα παχύτερα τοιχώματα του καλουπιού για να εξασφαλισθεί το ομοιόμορφο γέμισμα. Επίσης, οι στενώσεις πρέπει να είναι τοποθετημένες σε σημεία που δεν επηρεάζουν στην όψη του τελικού αντικειμένου, λόγω στο ότι δημιουργούν επιφανειακές ατέλειες. Ακόμα, θα πρέπει να τοποθετούνται έτσι ώστε η ροή του υλικού μέσα στη μήτρα να μην εγκλωβίσει αέρα, να μην δημιουργήσει νερά και ραφές από την ένωση του υλικού. Υπάρχουν διάφορες μορφές συστήματος ροής του υλικού για την επίτευξη των παραπάνω στόχων, ανάλογα με τη γεωμετρία του αντικειμένου και το είδος του υλικού. Οι κυριότεροι τύποι συστημάτων ροής είναι το σημειακό, το δισκοειδείς και της ακμής. Το σημειακό σύστημα ροής, χρησιμοποιείται στα καλούπια τριών πλακών και σε κομμάτια με κυκλική διατομή. Όσο αφορά το δισκοειδές σύστημα ροής, χρησιμοποιείται για τη 35

36 χύτευση κομματιών με μορφή κυκλικών δακτυλίων. Το σύστημα ροής της ακμής χρησιμοποιείται για διάφανα τεμάχια. Εικόνα 2.17: Τύποι συστήματος ροής σημειακό, ακμής και δισκοειδής Σύστημα ψύξης Μετά τη διαδικασία της έγχυσης πρέπει να αφαιρεθεί θερμότητα από τη μάζα του πλαστικού, ώστε το αντικείμενο, σε σχετικά μικρό χρόνο, να έχει ψυχθεί τόσο ώστε να μπορεί να απομακρυνθεί από το καλούπι χωρίς να παραμορφωθεί. Η ψύξη του κομματιού επιτυγχάνεται μέσω ενός συστήματος ψυκτικών αυλών, στους οποίους κυκλοφορεί συνήθως νερό. Για τη σωστή τοποθέτηση του συστήματος ψύξης θα πρέπει να εντοπισθούν οι περιοχές εκείνες που μπορεί να εμφανίσουν διαφορές θερμοκρασίας, συγκριτικά με τις υπόλοιπες, ώστε να επιτευχθεί ομοιόμορφη ψύξη στο χυτό, μειώνοντας την πιθανότητα εμφάνισης επιφανειακών ατελειών από ανομοιόμορφη ψύξη. Εικόνα 2.18: Παράδειγμα συστήματος ψύξης. 36

37 Ο αριθμός, η διάμετρος και η θέση των ψυκτικών αυλών, επιλέγεται βάσει του πάχους των τοιχωμάτων, έτσι ώστε να πραγματοποιείται η καλύτερη δυνατή ψύξη, διασφαλίζοντας όμως και την ακαμψία των καλουπιών. Η καλύτερη διατομή των ψυκτικών αυλών είναι η τετράγωνη, λόγω της μεγαλύτερες επιφάνειας που διαθέτει, παρέχοντας καλύτερο ψυκτικό αποτέλεσμα. Όμως, το κόστος κατασκευής τετράγωνων ψυκτικών αυλών είναι πολύ μεγάλο, διότι απαιτούνται δύο τμήματα για την κατασκευή τους και δεν εξασφαλίζουν την ακαμψία του καλουπιού και τη στεγανότητα των οπών. Για αυτό το λόγο, συνήθως χρησιμοποιούνται ψυκτικοί αυλοί με κυκλική διατομή. Η απόσταση D του κέντρου του ψυκτικού αυλού από την ακμή του καλουπιού είναι ίση με τη διάμετρο d των ψυκτικών αυλών. Η απόσταση P μεταξύ των κέντρων δυο ψυκτικών αυλών, είναι από 3d έως 5d. Εικόνα 2.19: Διαστάσεις και αποστάσεις ψυκτικών αυλών Σύστημα εξολκέων Το σύστημα εξολκέων χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση του χυτού κομματιού από το κινητό μέρος του καλουπιού. Το σύστημα αυτό, παρέχει ομοιόμορφη δύναμη για την εξαγωγή του κομματιού και στοχεύει στην απόρριψη του κομματιού αυτόματα χωρίς να το παραμορφώσει. Ο βασικότερος τύπος του συστήματος εξολκέων είναι οι πείροι εξολκέων. 37

38 Εικόνα 2.20: Σύστημα πείρων εξολκέων. Η σωστή πρόβλεψη της θέσης των εξολκέων, είναι πολύ σημαντική για το λόγο ότι ελαχιστοποιείται η πιθανή παραμόρφωση του κομματιού. Η μετωπική πλευρά του εξολκέα πρέπει να είναι εναρμονισμένη με τη μορφή του αντικειμένου, για το λόγο ότι οι εξολκείς δημιουργούν μικρά σημάδια στην επιφάνεια και για αυτό συνήθως τοποθετούνται σε εσωτερικές επιφάνειες του κομματιού. Επίσης, η επιλογή του σημείου τοποθέτησης των εξολκέων στις εσωτερικές επιφάνειες δεν πρέπει να είναι ευαίσθητα σημεία του προϊόντος, όπως για παράδειγμα στα λεπτότερα τοιχώματα του κομματιού. Εικόνα 2.21: Παράδειγμα επιφανειακών ατελειών από πείρους εξολκέων. Υπάρχουν διαφορετικές γεωμετρίες πείρων εξολκέα, η επιλογή της γεωμετρίας, του αριθμού και της θέσης των εξολκέων εξαρτώνται από τη γεωμετρία του προϊόντος. Στην περίπτωση που δεν επαρκεί το σύστημα των πείρων, χρησιμοποιούνται άλλοι τύποι εξολκέων, όπως είναι οι δακτυλιοειδείς εξολκείς και ο συμπιεσμένος αέρας. Το σύστημα του συμπιεσμένου αέρα 38

39 βοηθά στην απομάκρυνση του κομματιού γεμίζοντας με αέρα το κενό αέρος που δημιουργείται μεταξύ του χυτού και του πυρήνα. Εικόνα 2.22: Σύστημα εξολκέων συμπιεσμένου αέρα. Οι δακτυλιοειδής εξολκείς χρησιμοποιούνται με σκοπό την αποφυγή οποιασδήποτε επιφανειακής ατέλειας που προκαλείται από τους πείρους. Εικόνα 2.23: Σύστημα δακτυλιοειδών εξολκέων. 39

40 2.2.7 Εξαερισμός του καλουπιού Σκοπός του εξαερισμού του καλουπιού είναι να επιτρέψει την διαφυγή του αέρα που έχει παγιδευτεί μέσα στη μήτρα κατά το κλείσιμο των καλουπιών. Αν ο αέρας παγιδευτεί, τότε λόγω της πίεσης έγχυσης, συμπιέζεται και παράγει θερμότητα, η οποία υπερβαίνει την θερμοκρασία τήξης του πολυμερούς και το αλλοιώνει, αφήνοντας ατέλειες στην τελική επιφάνεια του κομματιού. Η θερμοκρασία αυτή μπορεί να φθείρει τα καλούπια και να προκαλέσει προβλήματα κατά την απόρριψη του κομματιού. Στην περίπτωση που η πίεση έγχυσης δεν είναι μεγάλη, ώστε να συμπιέσει και να θερμανθεί ο αέρας, δημιουργούνται κενά πλήρωσης. Ο εξαερισμός του καλουπιού γίνεται από πολύ μικρά ανοίγματα μεταξύ του πυρήνα και της κοιλότητας, από τις επιφάνειες επαφής των ενθέτων, όπως επίσης και από τους πείρους του συστήματος εξολκέων. Το κενό μεταξύ των επιφανειών πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο για την διαφυγή του αέρα και αρκετά μικρό για να μην διαφύγει το τηγμένο πολυμερές. Ο καλύτερος τρόπος για τον εξαερισμό του καλουπιού, είναι να απορροφηθεί ο παγιδευμένος αέρας από την μήτρα, μετά το κλείσιμο των καλουπιών. Έτσι, δεν δημιουργούνται τα προβλήματα του παγιδευμένου αέρα και μειώνεται η απαιτούμενη πίεση για την έγχυση. 40

41 3. Μέθοδοι παραγωγής καλουπιών Κατά το σχεδιασμό του προϊόντος θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ο τρόπος παραγωγής του αντικειμένου, έτσι ώστε να ενσωματωθούν στο προϊόν χαρακτηριστικά που απαιτούνται για τον ορθό τρόπο παραγωγής του. Για την παραγωγή αντικειμένων με τη χύτευση με έγχυση, το αντικείμενο θα πρέπει να ακολουθεί ορισμένους γεωμετρικούς κανόνες, ώστε να αποφεύγονται σφάλματα κατά την έγχυση και ατέλειες στο τελικό αντικείμενο, που προκαλούνται από την γεωμετρία του προϊόντος. Οι βασικότεροι γεωμετρικοί κανόνες, είναι ότι το αντικείμενο θα πρέπει να διαθέτει όσο το δυνατόν ομοιόμορφο πάχος τοιχωμάτων, χωρίς αιφνίδιες αλλαγές στη διατομή, όπως επίσης τα τοιχώματα του αντικειμένου θα πρέπει να διαθέτουν κλίσεις. Το σχεδιασμένο προϊόν πρέπει να ελεγχθεί και να αναλυθεί, για να διαπιστωθεί εάν τηρεί τους κανόνες και να εντοπιστούν τυχών σφάλματα, πριν το σχεδιασμό των καλουπιών. 3.1 Σχεδιασμός καλουπιών Ο σχεδιασμός των καλουπιών ξεκινάει μετά την ολοκλήρωση της σχεδίασης του προϊόντος. Οι διαστάσεις του σχεδιασμένου προϊόντος αντιπροσωπεύουν τις τελικές απαιτούμενες διαστάσεις, μετά την ολοκλήρωση της συρρίκνωσης του υλικού κατά την ψύξη. Για αυτό το λόγο, οι διαστάσεις του σχεδιασμένου αντικειμένου πρέπει να αυξηθούν κατά το ποσοστό συρρίκνωσης του υλικού. Αρχικά, πρέπει να καθοριστεί η διαχωριστική επιφάνεια, η οποία είναι απαραίτητη για τον διαχωρισμό των καλουπιών, έτσι ώστε να επιτρέπουν το άνοιγμά τους και την απόρριψη του κομματιού. Η διαχωριστική επιφάνεια πρέπει να τοποθετηθεί κατά την μεγαλύτερη επιφάνεια του κομματιού και να ακολουθεί την γεωμετρία της ακμής του, έτσι ώστε το σημάδι που δημιουργείται να μην επηρεάζει την τελική εμφάνιση του αντικειμένου. Ακόμα, δεν είναι απαραίτητο η διαχωριστική επιφάνεια να είναι κάθετη στο άνοιγμα των καλουπιών, μπορεί να είναι υπό γωνία. Για την δημιουργία πολύπλοκης γεωμετρίας χρησιμοποιούνται ένθετα καλούπια τα οποία δημιουργούν 41

42 περισσότερες από μια διαχωριστικές επιφάνειες και πρέπει να μετακινηθούν για την ελευθέρωση του κομματιού. Η ύπαρξη των ένθετων καλουπιών είναι πολύ συχνή για την παραγωγή πολυμερών αντικειμένων, αν και αυξάνουν το κόστος των καλουπιών. Μετά τον καθορισμό της διαχωριστικής επιφάνειας, σειρά έχει ο καθορισμός της πλευράς από όπου θα γίνει η απόρριψη του κομματιού με την βοήθεια των εξολκέων. Πολλά αντικείμενα διαθέτουν τέτοια γεωμετρία που είναι εύκολο να καθοριστεί η πλευρά αυτή. Αυτό συμβαίνει γιατί τα περισσότερα κομμάτια διαθέτουν μια κοίλη επιφάνεια, η οποία πρέπει να δημιουργηθεί από τον πυρήνα του καλουπιού, από τον οποίο πρέπει να παρασυρθεί και να απορριφθεί. Λόγω της συρρίκνωσης του υλικού κατά την ψύξη του, το κομμάτι προσκολλάται στον πυρήνα και έτσι παρασύρεται με αυτόν. Όμως, η προσκόλληση αυτή δεν πρέπει να είναι πολύ ισχυρή, για την εύκολη απόρριψη του κομματιού από τους εξολκείς. Για αυτό το λόγο, το κομμάτι πρέπει να έχει κλίσεις στις επιφάνειες που εφάπτονται με τον πυρήνα του καλουπιού. Στη συνέχεια, γίνεται ο καθορισμός της τοποθεσίας των αυλών ροής του υλικού, των αυλών ψύξης και της θέσης των εξολκέων. Το σύστημα αυλών ροής του υλικού τοποθετείται στην κοιλότητα του καλουπιού, έτσι ώστε να οδηγήσει το τηγμένο υλικό από το ακροφύσιο στη μήτρα. Το σύστημα ψύξης δημιουργείται συνήθως στην κοιλότητα του καλουπιού, όπου δεν εμποδίζεται από τους εξολκείς, με σκοπό να επιτευχθεί ομοιόμορφη ψύξη στο χυτό. Οι εξολκείς τοποθετούνται στον πυρήνα του καλουπιού, με σκοπό την απόρριψη του κομματιού μετά το άνοιγμα των καλουπιών. Τέλος, έχοντας καθορίσει τον όγκο που καταλαμβάνουν όλα τα παραπάνω, δημιουργείται η βάση των καλουπιών του πυρήνα και της κοιλότητας για την συγκράτησή τους. Η βάση πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη ώστε να χωρά και να συγκρατεί τα καλούπια. Ο αριθμός των μητρών που θα περιέχονται μέσα στη βάση, εξαρτάται από οικονομικούς παράγοντες. Όσο αυξάνεται ο αριθμός των μητρών, τόσο αυξάνεται το κόστος των καλουπιών, αλλά μειώνεται το κόστος λειτουργίας της μηχανής, καθώς αυξάνονται τα κομμάτια που παράγονται σε ένα κύκλο παραγωγής. Αυτό, έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της απαιτούμενης ενέργειας για την παραγωγή των κομματιών του κύκλου. Βέβαια, μετά από έναν αριθμό μητρών και πάνω, το 42

43 συνολικό κόστος, παραγωγής των καλουπιών και λειτουργίας της μηχανής, αυξάνεται λόγω του μεγέθους και της υπερβολικής αύξησης της πίεσης έγχυσης που απαιτείται για την πλήρωση όλων των μητρών. Εικόνα 3.1: Παράδειγμα σχεδιασμένων καλουπιών για πλαστικά κουτάλια. 3.2 Υλικά κατασκευής καλουπιών Τα καλούπια προορίζονται να παράγουν από μερικές χιλιάδες έως μερικά εκατομμύρια κομμάτια, άρα υφίστανται ιδιαίτερη καταπόνηση σε ακραίες συνθήκες εργασίας με μεγάλες δυνάμεις, ισχυρές πιέσεις και απότομες εναλλαγές θερμοκρασίας. Για αυτό το λόγο, το υλικό κατασκευής του καλουπιού αναδεικνύεται σε κρίσιμο παράγοντα για την οικονομική και τεχνική του απόδοση. Για την επιλογή του καταλληλότερου υλικού κατασκευής των καλουπιών, αρχικά πρέπει να γίνει καθορισμός των απαιτούμενων χαρακτηριστικών του τελικού προϊόντος, όπως επίσης θα πρέπει να γίνει καθορισμός των συνθηκών έγχυσης. Η τελική επιθυμητή επιφάνεια του προϊόντος είναι αυτή που καθορίζει την ποιότητα της επιφάνειας του πυρήνα και της κοιλότητας, ενώ η πίεση έγχυσης και θερμοκρασία τήξης του υλικού καθορίζουν την απαιτούμενη αντοχή του υλικού κατασκευής των καλουπιών. Ακόμα, λόγω των οπών για την ψύξη, για τους εξολκείς και για την στήριξη των καλουπιών, η αντοχή του καλουπιού μειώνεται, άρα η ποσότητα του υλικού γύρω από τις μήτρες πρέπει να είναι επαρκής. Βέβαια, η ποσότητα του υλικού γύρω από τις μήτρες, επηρεάζει το μέγεθος των καλουπιών του πυρήνα και της κοιλότητας, από τα οποία καθορίζονται οι διαστάσεις των πλακών των καλουπιών, οι οποίες με την σειρά τους, καθορίζουν το μέγεθος της μηχανής εγχύσεως. Όσο 43

44 αυξάνεται το μέγεθος της μηχανής έγχυσης, αυξάνεται και το κόστος παραγωγής. Το υλικό, επομένως, επιλέγεται βάσει της σκληρότητάς του για την αντίσταση στη φθορά και την ακεραιότητα της διαχωριστικής επιφάνειας, της θερμικής του αγωγιμότητας για τον ρυθμό ψύξης που επηρεάζει τον κύκλο παραγωγής και της κατεργαστικότητάς του για το κόστος κατεργασίας. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως για την κατασκευή των καλουπιών, είναι διάφοροι τύποι χάλυβα. Βέβαια, χρησιμοποιούνται και διαφορά κράματα μετάλλου, όπως κράματα νικελίου, τα οποία έχουν ειδικές ιδιότητες και χρησιμοποιούνται σε εξαιρετικές συνθήκες. Τα περισσότερα καλούπια είναι κατασκευασμένα από υψηλής ποιότητας χάλυβα, έτσι ώστε να είναι ικανά να αντέξουν τις υψηλές πιέσεις έγχυσης και θερμοκρασίας της διαδικασίας. Οι χάλυβες χρησιμοποιούνται γιατί μπορούν να μορφοποιηθούν σε οποιαδήποτε μορφή και με οποιαδήποτε τελική επιφάνεια, όπως επίσης, μπορούν να διαμορφωθούν σε μεγάλο εύρος σκληρότητας και θερμοκρασιών, ανάλογα με τις απαιτήσεις των συνθηκών έγχυσης και του τελικού κομματιού για κάθε περίπτωση χύτευσης πολυμερούς με έγχυση. Οι πλέον χρησιμοποιούμενοι χάλυβες για την κατασκευή των καλουπιών, είναι ο P-20 και ο H-13, οι οποίοι είναι υψηλής ποιότητας, πολύ σκληροί και σχεδόν χωρίς ελαττώματα. Οι ανοξείδωτοι χάλυβες, όπως ο 420 SS, χρησιμοποιούνται όταν απαιτείται βέλτιστη λείανση της επιφάνειας και μεγάλη αντίσταση στη διάβρωση. Άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται, είναι τα κράματα χαλκού για την επίτευξη ταχύτερης ψύξης και το αλουμίνιο για μικρού όγκου παραγωγές και για την ελαχιστοποίηση του κόστους. 3.3 Κατασκευή των καλουπιών Από τη στιγμή που έχει γίνει η σχεδίαση των καλουπιών και έχει επιλεχθεί το υλικό κατασκευής τους, σειρά έχει η κατασκευή των καλουπιών. Η κατασκευή του καλουπιού ξεκινά από ένα κομμάτι χάλυβα, από το οποίο πρέπει να αφαιρεθεί υλικό, ώστε να προκύψει το αποτύπωμα του προϊόντος, διαθέτοντας την επιθυμητή αντοχή και τελική επιφάνεια. Η διαδικασία κατασκευής των καλουπιών χωρίζεται στην αρχική μηχανουργική κατεργασία, στη θερμική κατεργασία, στην τελική μηχανουργική 44

45 κατεργασία και τη λείανση. Στην αρχική μηχανουργική κατεργασία, από το αρχικό κομμάτι αφαιρείται η πλειονότητα του υλικού του αποτυπώματος του κομματιού. Αυτό συμβαίνει, διότι κατά τη θερμική κατεργασία που ακολουθεί, επηρεάζονται οι διαστάσεις του καλουπιού και η κατάσταση της επιφάνειάς του, όπως επίσης, η κατεργασία μαλακού χάλυβα είναι ευκολότερη, οικονομικότερη και γρηγορότερη. Ο λόγος για τον οποίο τα καλούπια υπόκεινται σε θερμική κατεργασία, είναι για να αυξηθεί η σκληρότητα τους. Για την αρχική μηχανουργική κατεργασία χρησιμοποιούνται ψηφιακά καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές (CNC), τόρνου, φρέζας και διάτρησης. Οι εργαλειομηχανές τόρνου χρησιμοποιούνται για την κατασκευή αντικειμένων με κυλινδρική γεωμετρία, ενώ η εργαλειομηχανές διάτρησης, χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία οπών. Η εργαλειομηχανή που χρησιμοποιείται ευρέως για την αρχική μηχανουργική κατεργασία είναι η εργαλειομηχανή φρέζας, η οποία έχει την ικανότητα δημιουργίας πολύπλοκης γεωμετρίας. Εικόνα 3.2: Μηχανουργικές κατεργασίες. Όσο αφορά τη θερμική κατεργασία, το υλικό θερμαίνεται σε μια συγκεκριμένη υψηλή θερμοκρασία, μέσα σε ένα κλίβανο, παραμένει σε αυτή την θερμοκρασία για ένα συγκεκριμένο χρόνο και στη συνέχεια ψύχεται με ένα συγκεκριμένο ρυθμό, έως τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ο ρυθμός ψύξης είναι συνήθως μικρός (απότομη ψύξη) για τη μεγαλύτερη σκληρότητα και ποικίλει ανάλογα με την επιθυμητή σκληρότητα του χάλυβα. Η τελική μηχανουργική κατεργασία πραγματοποιείται με σκοπό την απόδοση της τελικής επιφάνειας του αποτυπώματος του προϊόντος στο καλούπι. Λόγω του ότι το υλικό έχει αποκτήσει μεγαλύτερη σκληρότητα από τη θερμική του κατεργασία, απαιτούνται ακόμα πιο σκληρά κοπτικά εργαλεία για την κατεργασία με φρέζα, το οποίο σε μερικές περιπτώσεις δεν είναι 45

46 αποδοτικό. Για την κατεργασία των σκληρών χαλύβων, χρησιμοποιείται η κατεργασία με ηλεκτροδιάβρωση. Στην ηλεκτροδιάβρωση, αφαιρείται υλικό από το κομμάτι χάλυβα με την χρήση ηλεκτροδίου και ηλεκτρικού ρεύματος. Τα ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα από άνθρακα ή από χαλκό, τα οποία είναι καλοί αγωγοί του ρεύματος. Το σχήμα τους είναι το αντίθετο από αυτό που επιθυμείται να αφαιρεθεί και η μορφή τους έχει προκύψει από την κατεργασία τους με αριθμητικά καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές. Το ηλεκτρόδιο είναι συνδεδεμένο με την τάση του ρεύματος και βυθίζεται σε δεξαμενή με διηλεκτρικό υγρό, η οποία περιέχει το κομμάτι προς επεξεργασία. Το διηλεκτρικό υγρό απομακρύνει το διαβρωμένο υλικό. Εικόνα 3.3: Διαδικασία ηλεκτροδιάβρωσης. Μετά την τελική μηχανουργική κατεργασία, σειρά έχει η λείανση των καλουπιών, ώστε να προσδοθεί η απαιτούμενη τελική επιφάνεια. Η λείανση του καλουπιού είναι σημαντική για την ποιότητα του προϊόντος και για τη διάρκεια ζωής των καλουπιών. Για τη λείανση των καλουπιών χρησιμοποιούνται ψηφιακά καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές φρέζας, όπου στη θέση του κοπτικού εργαλείου τοποθετούνται λειαντικοί τροχοί. Τέλος, σημαντικό ρόλο σε όλα τα στάδια κατασκευής των καλουπιών, έχει ο έλεγχος των διαστάσεων, με σκοπό τον εντοπισμό σφαλμάτων πριν την ολοκλήρωση της κατασκευής τους. Ο έλεγχος των διαστάσεων μπορεί να γίνει κατά τη διάρκεια των κατεργασιών με αισθητήρες μέτρησης ή μετά το τέλος κάθε κατεργασίας μέσω οπτικών μηχανών μέτρησης, οι οποίες είναι χρονοβόρες, όμως εξασφαλίζουν την ανταπόκριση της γεωμετρίας στις απαιτήσεις του σχεδίου. 46

47 4. Δημιουργία εικονικών καλουπιών Για τη σωστή δημιουργία των εικονικών καλουπιών του ενδιάμεσου πολυμερούς κελύφους της φορητής συσκευής αναπαραγωγής ήχου, απαιτείται από το κέλυφος να έχει σχεδιαστεί με τέτοια γεωμετρία που να υπακούει στις οδηγίες διαμόρφωσης χυτών τεμαχίων με έγχυση, ώστε να αποφευχθούν σφάλματα κατά την παραγωγή του κελύφους. Για να διαπιστωθεί ότι το κέλυφος υπακούει σε αυτές τις οδηγίες, όπως επίσης ότι παράγεται με ικανοποιητικό τρόπο, πριν τη δημιουργία των καλουπιών, πραγματοποιούνται έλεγχοι και αναλύσεις του κελύφους. Οι έλεγχοι που πραγματοποιήθηκαν αφορούν το πάχος των τοιχωμάτων του κελύφους, ώστε να διαπιστωθεί εάν το κέλυφος διαθέτει ομοιόμορφο πάχος, χωρίς αιφνίδιες αλλαγές στη διατομή για την ομοιόμορφη ψύξη του χυτού. Ακόμα, έγινε έλεγχος των κλίσεων των επιφανειών που βρίσκονται παράλληλα στη διεύθυνση ανοίγματος των καλουπιών, για τη σωστή εξαγωγή του χυτού από το καλούπι. Ένας ακόμα έλεγχος που πραγματοποιήθηκε, αφορά των εντοπισμό της διαχωριστικής επιφάνειας των καλουπιών, ώστε να εντοπιστεί ο αριθμός των τμημάτων των καλουπιών. Οι αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν αφορούν την εύρεση της βέλτιστης τοποθεσίας της εισαγωγής του υλικού, τις βέλτιστες συνθήκες πίεσης, θερμοκρασίας και ροής της έγχυσης και την ικανότητα ψύξης του χυτού χωρίς την χρήση ψυκτικών αυλών. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τους ελέγχους και τις αναλύσεις, γίνεται ο σχεδιασμός των καλουπιών του πολυμερούς κελύφους της συσκευής. Τα αποτελέσματα των ελέγχων και των αναλύσεων φανερώνουν ότι η γεωμετρία του κελύφους υπακούει στις οδηγίες διαμόρφωσης χυτών τεμαχίων με έγχυση και παράγεται με ικανοποιητικό τρόπο, χωρίς να προκαλούνται σφάλματα κατά την έγχυση. Για τη δημιουργία των εικονικών καλουπιών του πολυμερούς κελύφους της φορητής συσκευής αναπαραγωγής ήχου χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Pro-Engineer, στο οποίο έχει γίνει και ο σχεδιασμός τις συσκευής, επομένως δεν απαιτήθηκε μετατροπή των αρχείων. 47

48 4.1 Δημιουργία καλουπιών Για τη δημιουργία των καλουπιών, αρχικά αυξήθηκαν οι διαστάσεις του κελύφους κατά το ποσοστό συρρίκνωσης του υλικού κατασκευής ABS, το οποίο είναι 0,005%. Έτσι, οι διαστάσεις των καλουπιών αυξάνονται κατά την συρρίκνωση του υλικού, ώστε το κέλυφος, μετά την ψύξη του υλικού, να αποκτήσει τις τελικές επιθυμητές διαστάσεις. Στη συνέχεια, δίνεται η διεύθυνση ανοίγματός των καλουπιών, η οποία είναι παράλληλη με την περιμετρική επιφάνεια του κελύφους και δημιουργείται ένας όγκος γύρω από το κέλυφος, ο οποίος αντιπροσωπεύει τον όγκο που καταλαμβάνουν τα καλούπια. Οι διαστάσεις αυτού του όγκου είναι περίπου 88 x 44 x 34mm και αποφασίστηκαν έτσι ώστε να περιέχει το κέλυφος και τα υπόλοιπα απαραίτητα συστήματα, δηλαδή το σύστημα ψύξης και εξολκέων, όπως επίσης, να παρέχεται η απαιτούμενη αντοχή. Από τον όγκο αυτό αφαιρείται ο όγκος που καταλαμβάνει το κέλυφος, ώστε να δημιουργηθεί η μήτρα μέσα στην οποία θα ρεύσει το τηγμένο υλικό Δημιουργία διαχωριστικής επιφάνειας και ένθετων καλουπιών Σειρά έχει η δημιουργία της διαχωριστικής επιφάνειας των καλουπιών, η οποία βάσει του ελέγχου της διαχωριστικής επιφάνειας, δημιουργείται ακολουθώντας την ακμή της κάτω εξωτερικής επιφάνειας, προεκτείνεται έως τις πλαϊνές επιφάνειες του όγκου και καλύπτει τα πάνω ανοίγματα. Εικόνα 4.1: Ο όγκος των καλουπιών και η διαχωριστική επιφάνεια. 48

49 Όμως, όπως προκύπτει από τον έλεγχο της διαχωριστική επιφάνεια, δεν μπορούν να δημιουργηθούν οι οπές για τις θύρες εξόδου και τα κλιπ για τη σύνδεση του κελύφους με το επάνω και κάτω μεταλλικό κέλυφος. Για αυτό το λόγο, απαιτείται η δημιουργία ένθετων καλουπιών, ώστε να προκύψει η επιθυμητή γεωμετρία. Επομένως, δημιουργούνται τέσσερα ένθετα καλούπια, ένα για τη δημιουργία των οπών των θυρών εξόδου και τα κλιπ αυτής της πλευράς, δύο για τη δημιουργία των κλιπ των κατά μήκους πλευρών και ένα για τη δημιουργία των κλιπ της κατά πλάτους πλευρά. Εικόνα 4.2: Ένθετα καλούπια. Μετά την δημιουργία των ένθετων καλουπιών γίνεται ο διαχωρισμός του υπόλοιπου όγκου σε δυο τμήματα, τον πυρήνα και την κοιλότητα με την χρήση της διαχωριστικής επιφάνειας. Έτσι, για την κατασκευή του κελύφους απαιτούνται συνολικά έξι τμήματα καλουπιών, ο πυρήνας, η κοιλότητα και τα τέσσερα ένθετα καλούπια Δημιουργία συστήματος ροής, ψύξης και εξολκέων Η εισαγωγή του υλικού στην μήτρα, σύμφωνα με την ανάλυση για την εύρεση της βέλτιστης τοποθεσίας της εισαγωγής του υλικού, υποδεικνύεται στο κέντρο της σύνδεσης των κατά μήκος πλευρών. Άρα, στο τμήμα της κοιλότητας των καλουπιών δημιουργείται ο κώνος εισαγωγής του υλικού στη μήτρα. Μετά την εξαγωγή του χυτού από το καλούπι, αυτός ο κώνος θα πρέπει να αποκοπεί με μηχανουργικό τρόπο. 49

50 Εικόνα 4.3: Εισαγωγή του υλικού. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την ανάλυση για την ομοιόμορφη ψύξη του κελύφους, κρίθηκε απαραίτητη η δημιουργία ψυκτικών αυλών κατά το μήκος της συσκευής, όπου εντοπίσθηκε μεγαλύτερη διαφορά θερμοκρασίας. Οι ψυκτικοί αυλοί βρίσκονται στο τμήμα της κοιλότητας των καλουπιών, με τέτοιο τρόπο ώστε να μην μειώνεται η αντοχή του καλουπιού και να επιτυγχάνεται η καλύτερη απομάκρυνση της θερμοκρασίας. Εικόνα 4.4: Σύστημα ψύξης. Για την απόρριψη του χυτού από το καλούπι δημιουργήθηκαν στον πυρήνα τέσσερις οπές για τους εξολξείς, οι οποίοι τοποθετήθηκαν στο πάχος 50

51 του κελύφους, στο ύψος των εσωτερικών πλευρών στήριξης, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η εξαγωγή του χυτού χωρίς να υπάρχει παραμόρφωση. Εικόνα 4.5: Οπές των εξολκέων. 4.2 Παρουσίαση των τμημάτων των καλουπιών Με την ολοκλήρωση της δημιουργίας όλων των απαραίτητων συστημάτων για τη λειτουργία των καλουπιών, εκτελείται η εξαγωγή των τμημάτων των καλουπιών που θα δημιουργούν την επιθυμητή γεωμετρία. Εικόνα 4.6: Τα καλούπια και το έτοιμο χυτό. 51

52 Εικόνα 4.7: Το καλούπι του πυρήνα με τα ένθετα. Εικόνα 4.8: Το καλούπι της κοιλότητας. 4.3 Δημιουργία των πλακών των καλουπιών Τέλος, δημιουργήθηκαν οι πλάκες που συγκρατούν τα καλούπια, οι οποίες διαθέτουν οπές για τους πείρους συγκράτησης. Οι πλάκες διαχωρίζονται στο ύψος της διαχωριστικής επιφάνειας, στο κινητό μέρος και το ακίνητο μέρος. Το ακίνητο μέρος συγκρατεί την κοιλότητα του καλουπιού και διαθέτει οπή για την εισαγωγή του υλικού ενώ το κινητό μέρος συγκρατεί τον πυρήνα με τα ένθετα και διαθέτει τους εξολκείς, οι οποίοι διαπερνούν τις πλάκες έως τη μήτρα. Το μέγεθος των πλακών είναι το μικρότερο δυνατό που μπορεί να συγκρατήσει και να συμπιέσει τα καλούπια με ασφάλεια, ώστε να μην υπάρχει σπατάλη στην κατασκευή τους. 52

53 Εικόνα 4.9: Διάφανη απεικόνιση των πλακών των καλουπιών. 4.4 Υλικό κατασκευής των καλουπιών Σύμφωνα με τις αναλύσεις γεμίσματος της μήτρας των καλουπιών, εντοπίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες έγχυσης, βάσει της γεωμετρίας του κελύφους και του υλικού κατασκευής του (ABS). Οι βέλτιστες συνθήκες που προκύπτουν υποδεικνύουν τη θερμοκρασία τήξης στους 241,38 ο C, τη θερμοκρασία που πρέπει να βρίσκονται οι μήτρες στους 71,11 ο C, την πραγματική πίεση εγχύσεως στα 20,42 ΜΡa και τη μέγιστη πίεση εγχύσεως στα 180 MPa. Βάσει των βέλτιστων συνθηκών έγχυσης προτείνεται το υλικό κατασκευής των καλουπιών να είναι ο χάλυβας P-20 (Παράρτημα Α). Για να διαπιστωθεί ότι τα καλούπια αντέχουν αυτές τις συνθήκες έγχυσης, με αυτό το υλικό κατασκευής των καλουπιών απαραίτητη είναι η ανάλυση της αντοχής τους, πριν την κατασκευή τους. 53

54 5. Αναλύσεις τάσεων και θερμοκρασίας των εικονικών καλουπιών Για να διαπιστωθεί ότι τα καλούπια που θα παράγουν το κέλυφος της φορητής συσκευής αναπαραγωγής ήχου αντέχουν υπό την βέλτιστη θερμοκρασία τήξης και τη μέγιστη πίεση εγχύσεως με υλικό κατασκευής τον χάλυβα Ρ-20, πραγματοποιήθηκαν αναλύσεις τάσεων για την πίεση και τη θερμοκρασία τήξης. Οι αναλύσεις αυτές πραγματοποιήθηκαν στο λογισμικό Pro-Engineer, στο οποίο έχει γίνει και η δημιουργία των καλουπιών του πολυμερούς κελύφους. Λόγω της συμμετρίας των καλουπιών σε επίπεδο παράλληλο με τις κατά μήκος πλευρές, κρίθηκε σκόπιμο να εκτελεστούν οι αναλύσεις τάσεων και θερμοκρασίας στη μισή γεωμετρία των καλουπιών. Με αυτόν τον τρόπο, μειώνονται οι ανάγκες για υπολογιστική επεξεργασία των δεδομένων και ο χρόνος εκτέλεσης των υπολογισμών. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τις αναλύσεις ισχύουν και για το άλλο μισό, αρκεί να τεθούν σωστές περιοριστικές συνθήκες στη συμμετρική τομή. 5.1 Αναλύσεις τάσεων στην μέγιστη πίεση εγχύσεως Σκοπός των αναλύσεων τάσεων είναι η εύρεση των μέγιστων τάσεων που αναπτύσσονται στα καλούπια όταν το υλικό έχει την πίεση εγχύσεως στα 20,42 ΜΡa. Το φορτίο των 20,42 MPa εφαρμόζεται ομοιόμορφα πάνω στις επιφάνειες επαφής του υλικού με το καλούπι υπό τη μορφή πίεσης. Η ομοιόμορφη εφαρμογή του φορτίου δεν υφίσταται στην πραγματικότητα, καθώς υπάρχει πτώση της πίεσης από τη στιγμή που το υλικό ρέει στα τοιχώματα του καλουπιού. Όμως, στις αναλύσεις εφαρμόζεται η ακραία περίπτωση, όπου η πίεση παραμένει σταθερή σε όλες τις επιφάνειες επαφής του υλικού με το καλούπι. Ακόμα, γίνονται αναλύσεις αντοχής στα καλούπια χρησιμοποιώντας τη μέγιστη πίεση εγχύσεως στα 180 MPa, η οποία είναι η ακραία περίπτωση που μπορούν να βρεθούν τα καλούπια. Χρησιμοποιώντας αυτές τις φορτίσεις στα καλούπια και προσομοιώνοντας τις περιοριστικές 54

55 συνθήκες, εκτελούνται οι αναλύσεις και προκύπτουν τα αποτελέσματα τάσεων και μετατοπίσεων του υλικού κατασκευής των καλουπιών Ανάλυση τάσεων στην πίεση εγχύσεως στην κοιλότητα Οι επιφάνειες που επιλέχτηκαν για την εφαρμογή της φόρτισης στην κοιλότητα είναι οι επιφάνειες με τις οποίες έρχεται σε επαφή το υλικό έγχυσης με το καλούπι. Αυτές οι επιφάνειες είναι οι επιφάνειες εισαγωγής του υλικού, τα εσωτερικά τοιχώματα του καλουπιού και οι επιφάνειες του πάχους του κελύφους. Εικόνα 5.1: Οι επιφάνειες τοποθέτησης της φόρτισης στην κοιλότητα. Λόγω του ότι η κοιλότητα των καλουπιών συγκρατείται από τις πλάκες των καλουπιών, θεωρείται ότι περιμετρικά στις επιφάνειες επαφής του καλουπιού με τις πλάκες περιορίζεται κάθε βαθμός ελευθερίας. Άρα, στις περιμετρικές επιφάνειες του καλουπιού εφαρμόζεται περιοριστική συνθήκη πάκτωσης. Στην επιφάνεια της συμμετρικής τομής εφαρμόζεται περιοριστική συνθήκη συμμετρίας, η οποία αφήνει την επιφάνεια να κινηθεί ελεύθερα πάνω στο επίπεδο συμμετρίας, χωρίς να μπορεί να απομακρυνθεί από αυτό. 55

56 Εικόνα 5.2: Οι επιφάνειες τοποθέτησης των περιοριστικών συνθηκών στην κοιλότητα. Εκτελώντας στατική ανάλυση έχοντας το φορτίο των 20,42 MPa και τις περιοριστικές συνθήκες, με αυτόματη δημιουργία των στοιχείων και ένα βήμα βελτίωσης της ακρίβειας της λύσης, προκύπτουν τα εξής αποτελέσματα (Εικόνα 5.3). Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται με τη χρήση χρωματικής κλίμακας, όπου με κόκκινο χρώμα παρουσιάζονται οι περιοχές που εμφανίζεται η μέγιστη αναπτυσσόμενη τάση και με μπλε αποχρώσεις η ελάχιστη. Η μέγιστη αναπτυσσόμενη τάση εμφανίζεται σε αναμενόμενες ακμές και είναι MPa, η οποία είναι κατά πολύ μικρότερη από την αντοχή του υλικού που είναι στα ΜPa. Έτσι, δεν συνιστάται κάποια αλλαγή στην κοιλότητα λόγω της πίεσης εγχύσεως. Εικόνα 5.3: Κατανομή των τάσεων (von Mises) στην κοιλότητα σε MPa. Επίσης, από την ανάλυση προκύπτει η μετατόπιση που θα υποστεί το καλούπι από την εφαρμογή της πίεσης εγχύσεως (Εικόνα 5.4). Τα αποτελέσματα των μετατοπίσεων παρουσιάζονται με χρωματική κλίμακα, όπου με κόκκινο χρώμα υποδεικνύεται η μέγιστη μετατόπιση και με μπλε η μηδενική. Η μέγιστη μετατόπιση εμφανίζεται σε αναμενόμενες επιφάνειες του 56

57 τοιχώματος της κοιλότητας και είναι της τάξεως των 0, mm, η οποία είναι μια πολύ μικρή τιμή για να επηρεάσει την διαδικασία έγχυσης. Εικόνα 5.4: Κατανομή μετατοπίσεων στην κοιλότητα σε mm. Στη συνέχεια, εκτελώντας στατική ανάλυση έχοντας το φορτίο των 180 MPa, το οποίο εφαρμόζεται στις ίδιες επιφάνειες με το φορτίο των 20,42 MPa και με τις ίδιες περιοριστικές συνθήκες, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα στις ακραίες συνθήκες που μπορεί να βρεθούν τα καλούπια (Εικόνα 5.5). Η μέγιστη αναπτυσσόμενη τάση είναι 811,6 MPa, η οποία είναι οριακά μικρότερη από την αντοχή του υλικού που είναι στα ΜPa. Ακόμα και στην περίπτωση των ακραίων συνθηκών, οι οποίες δεν πρόκειται να εμφανιστούν, το υλικό δεν αστοχεί. Εικόνα 5.5: Κατανομή τάσεων (von Mises) με τις ακραίες συνθήκες σε MPa. Επίσης, η μέγιστη αναπτυσσόμενη τάση εμφανίζεται τοπικά στην ακμή ενός στοιχείου και μειώνεται με γρήγορο ρυθμό, έως την απέναντι ακμή του στοιχείου (Εικόνα 5.6), με μέσο όρο μέγιστης αναπτυσσόμενης τάσης τα 240 MPa. Αυτό σημαίνει ότι απαιτούνται περισσότερα στοιχεία σε αυτό το σημείο για να διαπιστωθεί εάν η αναπτυσσόμενη τάση θα εμφανιστεί με αυτό το μέγεθος ή αυτό οφείλεται στην ακρίβεια της ανάλυσης. Όμως, δεν 57

58 πραγματοποιείται νέα ανάλυση με περισσότερα στοιχεία, γιατί οι συνθήκες είναι ακραίες και η τάση δεν ξεπερνά το όριο αντοχής του υλικού. Εικόνα 5.6: Διακριτοποίηση των στοιχείων της κοιλότητας. Η μέγιστη μετατόπιση που θα υποστεί το καλούπι από την εφαρμογή των ακραίων συνθηκών είναι 0,01255 mm (Εικόνα 5.7). Η οποία παραμένει αρκετά μικρή, ώστε να μην επηρεάσει τη διαδικασία έγχυσης, ακόμα και στις ακραίες συνθήκες. Εικόνα 5.7: Κατανομή μετατοπίσεων με τις ακραίες συνθήκες σε mm Ανάλυση τάσεων στην πίεση εγχύσεως στον πυρήνα Οι επιφάνειες που επιλέχτηκαν για την εφαρμογή της φόρτισης στον πυρήνα, όμοια με την περίπτωση της κοιλότητας, είναι οι επιφάνειες με τις οποίες έρχεται σε επαφή το υλικό έγχυσης με το καλούπι. Αυτές οι επιφάνειες είναι τα τοιχώματα του καλουπιού και οι επιφάνειες του πάχους του κελύφους. 58

59 Εικόνα 5.8: Οι επιφάνειες τοποθέτησης της φόρτισης στον πυρήνα. Επίσης, οι περιοριστικές συνθήκες τοποθετήθηκαν με όμοιο τρόπο, όπως και στην περίπτωση της κοιλότητας. Έτσι, υπάρχει πάκτωση περιμετρικά στις επιφάνειες επαφής του καλουπιού με τις πλάκες συγκράτησης και περιοριστική συνθήκη συμμετρίας από το επίπεδο συμμετρίας. Εικόνα 5.9: Οι επιφάνειες τοποθέτησης των περιοριστικών συνθηκών στον πυρήνα. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τη στατική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε με το φορτίο των 20,42 MPa (Εικόνα 5.10), φανερώνουν με κόκκινο χρώμα τη μέγιστη αναπτυσσόμενη τάση και με μπλε την ελάχιστη. Η τιμή της μέγιστης αναπτυσσόμενης τάσης είναι 194,1 MPa, η οποία είναι μικρότερη από την αντοχή του υλικού που είναι στα ΜPa. Έτσι, δεν συνιστάται κάποια αλλαγή στον πυρήνα λόγω της πίεσης εγχύσεως. 59

60 Εικόνα 5.10: Κατανομή τάσεων (von Mises) του πυρήνα σε MPa. Η μέγιστη μετατόπιση που προκύπτει από την ανάλυση του πυρήνα και θα υποστεί το καλούπι από την εφαρμογή της πίεσης εγχύσεως (Εικόνα 5.11), παρουσιάζεται με κόκκινο και με μπλε η μηδενική. Η μέγιστη μετατόπιση εμφανίζεται στις ακμές των κατά πλάτος πλευρών και είναι της τάξεως των 0, mm, η οποία είναι μια πολύ μικρή τιμή για να επηρεάσει την διαδικασία έγχυσης. Εικόνα 5.11: Κατανομή μετατοπίσεων του πυρήνα σε mm. Στη συνέχεια, εκτελώντας στατική ανάλυση έχοντας το φορτίο των 180 MPa, το οποίο εφαρμόζεται στις ίδιες επιφάνειες με το φορτίο των 20,42 MPa και με τις ίδιες περιοριστικές συνθήκες, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα στις ακραίες συνθήκες που μπορεί να βρεθούν τα καλούπια (Εικόνα 5.12). Η μέγιστη αναπτυσσόμενη τάση είναι 1711 MPa, η οποία ξεπερνά την αντοχή του υλικού που είναι στα ΜPa. 60

61 Εικόνα 5.12: Κατανομή τάσεων (von Mises) στον πυρήνα με τις ακραίες συνθήκες σε MPa. Όμως, η μέγιστη αναπτυσσόμενη τάση εμφανίζεται τοπικά στην ακμή ενός στοιχείου και μειώνεται με γρήγορο ρυθμό, έως την απέναντι ακμή του στοιχείου (Εικόνα 5.13), με μέσο όρο αναπτυσσόμενης τάσης τα 684 MPa, η οποία είναι μικρότερη από την αντοχή του υλικού που είναι στα ΜPa. Εικόνα 5.13: Διακριτοποίηση των στοιχείων του πυρήνα. Η μέγιστη μετατόπιση που θα υποστεί το καλούπι από την εφαρμογή των ακραίων συνθηκών είναι 0,01713 mm (Εικόνα 5.14). Η μετατόπιση αυτή είναι αρκετά μικρή, ώστε να μην επηρεάσει τη διαδικασία έγχυσης, ακόμα και στις ακραίες συνθήκες. 61

62 Εικόνα 5.14: Κατανομή μετατοπίσεων με τις ακραίες συνθήκες σε mm. 5.2 Αναλύσεις θερμοκρασίας Σκοπός των αναλύσεων θερμοκρασίας είναι η εύρεση των μέγιστων τάσεων που αναπτύσσονται στα καλούπια από την εφαρμογή της θερμότητας που εκλύεται από το τηγμένο υλικό που ρέει στη μήτρα. Αυτές οι μέγιστες τάσεις αναπτύσσονται τη στιγμή που η θερμοκρασία του υλικού εγχύσεως είναι η μέγιστη στους 241,38 ο C, η οποία είναι η ακραία περίπτωση που μπορούν να βρεθούν τα καλούπια. Η θερμοκρασία εφαρμόζεται ομοιόμορφα πάνω στις επιφάνειες επαφής του υλικού με το καλούπι. Η ομοιόμορφη εφαρμογή της θερμοκρασίας δεν υφίσταται στην πραγματικότητα, καθώς υπάρχει πτώση της θερμοκρασίας από τη στιγμή που το υλικό ρέει στα τοιχώματα του καλουπιού. Όμως, στις αναλύσεις εφαρμόζεται η ακραία περίπτωση, όπου η θερμοκρασία παραμένει σταθερή σε όλες τις επιφάνειες επαφής του υλικού με το καλούπι. Χρησιμοποιώντας αυτή τη φόρτιση στα καλούπια και προσομοιώνοντας τις οριακές συνθήκες, εκτελούνται οι αναλύσεις και προκύπτουν τα αποτελέσματα διάχυσης της θερμότητας και τάσεων του υλικού κατασκευής των καλουπιών Ανάλυση διάχυσης της θερμότητας στην κοιλότητα Οι επιφάνειες που επιλέχτηκαν για την εφαρμογή της θερμοκρασίας στην κοιλότητα είναι οι επιφάνειες με τις οποίες έρχεται σε επαφή το υλικό έγχυσης με το καλούπι, όπως ακριβώς και στην ανάλυση τάσεων. Αυτές οι επιφάνειες είναι οι επιφάνειες εισαγωγής του υλικού, τα εσωτερικά τοιχώματα του καλουπιού και οι επιφάνειες του πάχους του κελύφους. 62

63 Εικόνα 5.15: Οι επιφάνειες τοποθέτησης της θερμοκρασίας τήξης στην κοιλότητα. Λόγω στο ότι η κοιλότητα των καλουπιών συγκρατείται από τις πλάκες των καλουπιών, θεωρείται ότι περιμετρικά στις επιφάνειες επαφής του καλουπιού με τις πλάκες, η θερμότητα διαχέεται στις πλάκες με το ρυθμό του υλικού των πλακών, το οποίο είναι ο χάλυβας Ρ-20. Άρα, στις περιμετρικές επιφάνειες του καλουπιού εφαρμόζεται οριακή συνθήκη διάχυσης της θερμότητας. Η αρχική θερμοκρασία του καλουπιού, όπως προκύπτει από τις βέλτιστες συνθήκες έγχυσης είναι στους 71,11 ο C. Αυτή η θερμοκρασία εισάγεται στην οριακή συνθήκη διάχυσης. Εικόνα 5.16: Οι επιφάνειες εφαρμογής των οριακών συνθηκών στην κοιλότητα. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την ανάλυση διάχυσης της θερμότητας μέσα στην κοιλότητα παρουσιάζονται με χρωματική κλίμακα και φανερώνουν τον τρόπο με τον οποίο διαχέεται η θερμότητα μέσα στο καλούπι. Με γκρι χρώμα παρουσιάζονται οι επιφάνειες με την υψηλότερη θερμοκρασία, δηλαδή τους 241,38 ο C και με μπλε η επιφάνειες με την αρχική θερμοκρασία των καλουπιών, δηλαδή τους 71,11 ο C. 63

64 Βάσει των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από την ανάλυση της διάχυσης της θερμότητας (Εικόνα 5.17) διαπιστώνεται ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας, χωρίς απότομες αλλαγές. Άρα, στην ανάλυση των τάσεων που προκαλούνται από τη θερμότητα, επιλέγεται η μέση τιμή της διαφοράς της μέγιστης και της ελάχιστης θερμοκρασίας, δηλαδή 156,245 ο C. Εικόνα 5.17: Κατανομή θερμοκρασίας στην κοιλότητα σε ο C. Για τον εντοπισμό των τάσεων που προκαλούνται από την θερμότητα, εκτελείται στατική ανάλυση ενός περάσματος, με τις ίδιες περιοριστικές συνθήκες που χρησιμοποιήθηκαν στις αναλύσεις πίεσης εγχύσεως, αλλά με θερμική φόρτιση ολόκληρου του καλουπιού στους 156,245 ο C. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν υποδεικνύουν τα σημεία που αναπτύσσονται οι μέγιστες τάσεις λόγω της θερμότητας (Εικόνα 5.18). Με κόκκινο χρώμα παρουσιάζονται οι μέγιστες τάσεις που αναπτύσσονται από τη θερμοκρασία και με μπλε οι ελάχιστες. Η μέγιστη αναπτυσσόμενη τάση εμφανίζεται τοπικά σε ακμές στοιχείων και μειώνεται με γρήγορο ρυθμό, έως την απέναντι ακμή του στοιχείου, με μέσο όρο αναπτυσσόμενης τάσης τα 320 MPa, η οποία είναι μικρότερη από την αντοχή του υλικού που είναι στα ΜPa. Αν και στην ακμή εμφανίζεται πολύ μεγάλη τάση (3144 MPa) αυτό οφείλεται στην γραμμική ανάλυση και στη μη ακριβή μοντελοποίηση της γεωμετρίας (ορθή γωνία). 64

65 Εικόνα 5.18: Κατανομή θερμικών τάσεων (von Misses) στην κοιλότητα σε MPa. Για να διαπιστωθεί ο τρόπος με τον οποίο διαχέεται η θερμότητα όταν είναι σε λειτουργία οι ψυκτικοί αυλοί, πραγματοποιήθηκε μια ακόμα θερμική ανάλυση. Στην ανάλυση αυτή, προστέθηκε η οριακή συνθήκη στους αυλούς ψύξης των 30 ο C και μειώθηκε η θερμοκρασία του υλικού στους 156,245 ο C, η οποία είναι η μισή θερμοκρασία της διαφοράς της μέγιστης από την ελάχιστη θερμοκρασία που δέχονται τα καλούπια. Εικόνα 5.19: Επιφάνειες οριακής συνθήκης ψυκτικών αυλών. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την ανάλυση διάχυσης της θερμότητας μέσα στην κοιλότητα, όταν είναι σε λειτουργία οι ψυκτικοί αυλοί φανερώνουν τον τρόπο με τον οποίο διαχέεται η θερμότητα μέσα στο καλούπι (Εικόνα 5.20). Με γκρι χρώμα παρουσιάζονται οι επιφάνειες με την θερμοκρασία των 156,245 ο C και με μπλε η επιφάνειες με την θερμοκρασία των ψυκτικών αυλών, δηλαδή τους 30 ο C. 65

66 Και σε αυτή την ανάλυση παρατηρείται ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας χωρίς απότομες αλλαγές, οι οποίες δεν θα προκαλέσουν πρόβλημα στα καλούπια. Εικόνα 5.20: Κατανομή θερμοκρασίας με τους ψυκτικούς αυλούς σε ο C Ανάλυση διάχυσης της θερμότητας στον πυρήνα Οι επιφάνειες που επιλέχτηκαν για την εφαρμογή της θερμοκρασίας στον πυρήνα είναι οι επιφάνειες με τις οποίες έρχεται σε επαφή το υλικό έγχυσης με το καλούπι. Αυτές οι επιφάνειες είναι τα τοιχώματα του καλουπιού και οι επιφάνειες του πάχους του κελύφους. Εικόνα 5.21: Οι επιφάνειες τοποθέτησης της θερμοκρασίας τήξης στον πυρήνα. Όμοια με την ανάλυση διάχυσης της θερμότητας στην κοιλότητα του καλουπιού, στην ανάλυση του πυρήνα εφαρμόζεται οριακή συνθήκη διάχυσης της θερμότητας στις περιμετρικές επιφάνειες του καλουπιού με αρχική θερμοκρασία καλουπιού στους 71,11 ο C. 66

67 Εικόνα 5.22: Οι επιφάνειες διάχυσης της θερμότητας του πυρήνα. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την ανάλυση διάχυσης της θερμότητας μέσα στον πυρήνα, όπως και στην ανάλυση της κοιλότητας φανερώνουν τον τρόπο με τον οποίο διαχέεται η θερμότητα μέσα στο καλούπι (Εικόνα 5.23). Με γκρι χρώμα παρουσιάζονται οι επιφάνειες με την υψηλότερη θερμοκρασία, δηλαδή τους 241,38 ο C και με μπλε η επιφάνειες με την αρχική θερμοκρασία των καλουπιών, δηλαδή τους 71,11 ο C. Βάσει των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από την ανάλυση της διάχυσης της θερμότητας, όπως και στην κοιλότητα, διαπιστώνεται ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας, χωρίς απότομες αλλαγές. Άρα, στην ανάλυση των τάσεων που προκαλούνται από τη θερμότητα επιλέγεται η μέση τιμή της διαφοράς της μέγιστης και της ελάχιστης θερμοκρασίας, δηλαδή 156,245 ο C. Εικόνα 5.23: Κατανομή θερμοκρασίας στον πυρήνα σε ο C. Για τον εντοπισμό των τάσεων που προκαλούνται από την θερμότητα εκτελείται στατική ανάλυση, με τις ίδιες περιοριστικές συνθήκες που χρησιμοποιήθηκαν στις αναλύσεις πίεσης εγχύσεως, αλλά με θερμική φόρτιση ολόκληρου του καλουπιού στους 156,245 ο C. Όμως, η μέγιστη 67

68 αναπτυσσόμενη τάση εμφανίζεται τοπικά σε ακμές στοιχείων και μειώνεται με γρήγορο ρυθμό, έως την απέναντι ακμή του στοιχείου (Εικόνα 5.24), με μέσο όρο αναπτυσσόμενης τάσης στα 270 MPa μικρότερη από την αντοχή του υλικού που είναι στα ΜPa. Εικόνα 5.24: Κατανομή θερμικών τάσεων (von Mises) στον πυρήνα σε MPa. 5.3 Συμπεράσματα αναλύσεων Βάσει των αναλύσεων που πραγματοποιήθηκαν στα τμήματα των καλουπιών για την αντοχή τους στην μέγιστη πίεση εγχύσεως και στην μέγιστη θερμοκρασία εγχύσεως, διαπιστώθηκε ότι δεν θα υπάρξει αστοχία του υλικού των καλουπιών κατά την διαδικασία χύτευσης του πολυμερούς με έγχυση. Μετά την ολοκλήρωση των αναλύσεων, τα καλούπια είναι έτοιμα να περάσουν στο στάδιο της κατασκευής. Το πρώτο στάδιο της κατασκευής των καλουπιών, όπως έχει αναφερθεί στην παράγραφο της κατασκευής των καλουπιών του κεφαλαίου των μεθόδων παραγωγής των καλουπιών (Παράγραφος 3.3), είναι η μηχανουργική κατεργασία. Για την προσομοίωση της κατεργασίας των καλουπιών απαιτείται η επισκόπηση των εργαλείων και των εργαλειομηχανών CNC μηχανουργικής αφαίρεσης μεταλλικού υλικού, με σκοπό την επιλογή της καταλληλότερου τρόπου κατασκευής, βάσει της γεωμετρίας των καλουπιών. 68

69 6. Επισκόπηση εργαλείων και εργαλειομηχανών CNC Για τη κατασκευή των καλουπιών απαιτείται η αφαίρεση υλικού από ένα μεταλλικό αρχικό τεμάχιο, ώστε να προσδοθεί στο κατεργαζόμενο τεμάχιο η επιθυμητή μορφή, οι απαιτούμενες διαστάσεις και η ποιότητα των επιφανειών, ώστε να ανταποκρίνεται στις λειτουργικές απαιτήσεις για τις οποίες προορίζεται. Ο τρόπος με τον οποίο δημιουργείται η επιθυμητή γεωμετρία είναι οι κατεργασίες αφαίρεσης μετάλλου. Η μέθοδος αφαίρεσης μετάλλου είναι μια διαδικασία όπου ένα εργαλείο με σχήμα σφήνας, εισχωρεί στο κατεργαζόμενο τεμάχιο για να αφαιρέσει προοδευτικά μια προκαθορισμένη στρώση όγκου μετάλλου. Το υλικό ακριβώς μπροστά από το εργαλείο διαμορφώνεται και παραμορφώνεται κάτω από υψηλή πίεση και αφαιρείται υπό τη μορφή μεταλλικών αποβλήτων. Η κοπή επιτυγχάνεται με τη βοήθεια κατάλληλου κοπτικού εργαλείου, το οποίο πρέπει να έχει μεγαλύτερη σκληρότητα από το κατεργαζόμενο τεμάχιο και της συναφούς εργαλειομηχανής, η οποία προσδίδει την απαιτούμενη για την κοπή ισχύ και εκτελεί τις αναγκαίες κινήσεις του κομματιού και του εργαλείου. Εικόνα 6.1: Διαδικασία αφαίρεσης υλικού. Οι θεμελιώδεις κινήσεις που παρέχει κάθε εργαλειομηχανή είναι η πρωτεύουσα κίνηση και η κίνηση προώσεως. Αυτές οι κινήσεις δίνονται είτε στο εργαλείο, είτε στο κομμάτι από την εργαλειομηχανή, με τη διαφορά ότι η πρωτεύουσα κίνηση είναι περιστροφική κίνηση, ενώ η κίνηση προώσεως είναι μεταφορική. 69

70 Οι συνθήκες κοπής μετάλλων περιλαμβάνουν τρεις σημαντικές μεταβλητές, το ρυθμό αφαίρεσης υλικού, τη ζωή του εργαλείου και την τελική επιφάνεια. Οι επιλογές στις συνθήκες κοπής πρέπει να εξισορροπούν αυτές τις τρεις μεταβλητές και να εξασφαλίζουν το ελάχιστο κόστος, τον μέγιστο ρυθμό παραγωγής και την καλύτερη επιθυμητή τελική επιφάνεια ανάλογα με την κατεργασία. Η μελέτη του αποβλήτου δίνει τη δυνατότητα εξαγωγής συμπερασμάτων για το φαινόμενο της κοπής. Το απόβλητο σχηματίζεται σε διάφορα μεγέθη και παίρνει ποικίλες μορφές, ανάλογα με την περίπτωση κατεργασίας. Τα βασικά είδη του αποβλήτου είναι το ασυνεχές, το συνεχές και το συνεχές με ψευδόκοπη. Εικόνα 6.2: Τα βασικά είδη του αποβλήτου. Κατά το σχηματισμό του ασυνεχούς αποβλήτου το μέταλλο θραύεται περιοδικά και το απόβλητο τεμαχίζεται. Το ασυνεχές απόβλητο παρουσιάζεται συνήθως στην κατεργασία ψαθυρών μετάλλων, όπως είναι ο χυτοσίδηρος, γενικά σε χαμηλές ταχύτητες κοπής και σε μεγάλες προώσεις. Έχει το πλεονέκτημα της εύκολης απομάκρυνσης, όμως χειροτερεύει η τραχύτητα της επιφάνειας. Κατά το σχηματισμό του συνεχούς αποβλήτου το μέταλλο υφίσταται συνεχή πλαστική παραμόρφωση σε διάτμηση και το απόβλητο έχει τη μορφή ταινίας, η οποία κινείται πάνω στην επιφάνεια του κοπτικού εργαλείου. Το συνεχές απόβλητο δημιουργείται κατά την κοπή όλκιμων μετάλλων και κραμάτων, κυρίως σε υψηλές ταχύτητες κοπής. Η ύπαρξη συνεχούς αποβλήτου σχετίζεται με ευνοϊκές συνθήκες κοπής και οδηγεί σε καλύτερης ποιότητας επιφάνεια, όμως το μήκος του αποβλήτου μπορεί να είναι τόσο μεγάλο, ώστε να δυσχεραίνει την απομάκρυνσή του. Το πρόβλημα αυτό 70

71 αντιμετωπίζεται με τη χρήση γρεζοθραύστη, ο οποίος αναγκάζει τη θραύση του αποβλήτου. Η παραγωγή του συνεχούς αποβλήτου με ψευδοκοπή σχηματίζεται όπως και το συνεχές απόβλητο, με τη διαφορά ότι ένα σώμα από ισχυρά παραμορφωμένο και σκληρυμένο μέταλλο, προσκολλάται πάνω στο κοπτικό εργαλείο, δημιουργώντας την ψευδόκοψη. Η κοπή πραγματοποιείται με το προσκολλημένο υλικό και όχι με την επιφάνεια του κοπτικού εργαλείου, έχοντας σαν αποτέλεσμα, τη χειροτέρευση της τραχύτητας της επιφάνειας του κομματιού, μείωση της ζωής του εργαλείου κοπής και επίδραση στη διαστατική ακρίβεια του κομματιού. Ο σχηματισμός της ψευδόκοψης αποδίδεται στο συνδυασμό των τάσεων και των συνθηκών τριβής και θερμοκρασίας στη διεπιφάνεια αποβλήτου και κοπτικού εργαλείου. Για την επίλυση του προβλήματος πρέπει να αυξηθεί η ταχύτητα κοπής, το οποίο συνεπάγεται και αύξηση της θερμοκρασίας. 6.1 Κοπτικά εργαλεία Υλικά κοπτικών εργαλείων Υπάρχουν πολλά υλικά κοπτικών εργαλείων που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία. Το καλύτερο εργαλείο για μια κατεργασία είναι αυτό που έχει επιλεχθεί προσεκτικά και πραγματοποιεί την κατεργασία γρήγορα, αποδοτικά και οικονομικά. Ένα κοπτικό εργαλείο, για να παράγει ποιοτικά και οικονομικά κομμάτια, θα πρέπει να διατηρεί τη σκληρότητά του στις υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά την κοπή, την ανθεκτικότητά του ώστε να μην θρυμματίζεται κατά την κατεργασία και την αντοχή του στη φθορά για να επιτευχτεί η επιθυμητή ζωή του εργαλείου, πριν αυτό χρειαστεί να αντικατασταθεί. Τα κυριότερα υλικά των κοπτικών εργαλείων είναι, ο χάλυβας, τα χυτευτά κράματα, τα σκληρομέταλλα, τα κεραμικά, τα διαμάντια και οι λειαντικές σκόνες. 71

72 Εικόνα 6.3: Εμβέλεια ιδιοτήτων διάφορων ομάδων κοπτικών υλικών. Τα καθαρά χαλύβδινα εργαλεία (Carbon Tool Steels), έχουν περιεκτικότητα σε άνθρακα από 0,60% έως 1,50% και χρησιμοποιούνται σε χαμηλές ταχύτητες κοπής, χαμηλές προώσεις και μικρό βάθος κοπής, όπως επίσης, για την κατεργασία μαλακών υλικών. Αυτό συμβαίνει γιατί έχουν χαμηλή αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και αποσταθεροποιούνται στους 120 ο C με 200 ο C. Τα ταχυχαλύβδινα (HSS, High Speed Steels), εργαλεία εκτός από τον άνθρακα, περιέχουν μεγάλο ποσοστό προσθηκών, όπως το χρώμιο, το βολφράμιο, το βανάδιο, το μολυβδαίνιο και το κοβάλτιο, τα οποία σκληραίνουν το χάλυβα και αυξάνουν την αντοχή στη θερμότητα. Τα χυτευτά κράματα (Cast Alloys), είναι μη σιδηρούχα κράματα κοβαλτίου και χρωμίου με προσθήκη βολφραμίου και άνθρακα, με σκοπό την δημιουργία εργαλείων κοπής με ανώτερη σκληρότητα από τα ταχυχαλύβδινα. Τα χυτευτά κράματα, παρέχουν μεγάλη αντίσταση στην τριβή και χρησιμοποιούνται στην κοπή υλικών κακής ποιότητας ή σε υλικά με σκληρές προσμίξεις. Τα σκληρομέταλλα (Carbides), είναι προϊόντα της κονιομεταλλουργίας και συνθέτονται από καρβίδια του βολφραμίου σε συνδυασμό με καρβίδια του τιτανίου και του τανταλίου, με συνδετικό υλικό κοβαλτίου. Τα σκληρομέταλλα, διατηρούν την σκληρότητά τους σε υψηλές θερμοκρασίες, σε αντίθεση με τα κοπτικά εργαλεία χυτής μεταλλουργίας, τα οποία έχουν μεγάλη εξάρτηση στην 72

73 θερμική κατεργασία για την απόκτηση της σκληρότητας και καταστρέφονται με την επαναθερμανση κατά την κοπή, λόγω τριβής. Τα κεραμικά κοπτικά εργαλεία (Ceramics), είναι μη μεταλλικά υλικά και υπερτερούν στην διατήρηση της σκληρότητας σε υψηλές θερμοκρασίες, έναντι των ταχυχαλύβδινων και των σκληρομετάλλων. Όμως, είναι ψαθυρά υλικά με μικρή δυσθραυστότητα και χρησιμοποιούνται για την κατεργασία πολύ σκληρών υλικών σε υψηλές ταχύτητες κοπής. Το διαμάντι αποτελεί υπέρσκληρο υλικό κοπτικών εργαλείων και χρησιμοποιείται όταν απαιτείται μεγάλη διαστατική ακρίβεια και ελαφρά φινιρίσματα επιφανειών. Είναι η σκληρότερη γνωστή ουσία με το μικρότερο συντελεστή θερμικής διαστολής. Όμως, το διαμάντι είναι ατόφιος άνθρακας και έχει έλξη για τον άνθρακα των σιδηρούχων μετάλλων, για αυτό χρησιμοποιούνται μόνο σε μη σιδηρούχα μέταλλα. Οι λειαντικές σκόνες είναι κόκκοι λειαντικών ουσιών πάνω σε λειαντικούς τροχούς (σμυριδοτροχούς) με σκοπό τη λείανση. Τα ταχυχαλύβδινα και τα σκληρομεταλλικά κοπτικά εργαλεία είναι αυτά που χρησιμοποιούνται σε μεγαλύτερη έκταση για τις κατεργασίες αφαίρεσης υλικού. Αυτό συμβαίνει γιατί όσο αυξάνεται η αντοχή στην σκληρότητα του υλικού, τόσο αυξάνεται και το κόστος του. Εικόνα 6.4: Διάφορα κοπτικά εργαλεία κατεργασιών. 73

74 6.1.2 Φθορά κοπτικών εργαλείων Η ζωή του κοπτικού εργαλείου είναι ο πιο σημαντικός οικονομικός παράγοντας στην κοπή μετάλλων και επηρεάζεται από την ταχύτητα κοπής και την ταχύτητα παραγωγής. Η μείωση της ταχύτητας κοπής αυξάνει τη ζωή του εργαλείου, όμως μειώνει την ταχύτητα παραγωγής. Ενώ αντίθετα, η αύξηση της ταχύτητας κοπής αυξάνει την ταχύτητα παραγωγής αλλά απαιτούνται περισσότερες αλλαγές των φθαρμένων κοπτικών εργαλείων, το οποίο συνεπάγεται αύξηση του κόστους. Η φθορά στο κοπτικό εργαλείο προκαλείται από τις υψηλές θερμοκρασίες και από την τριβή που αναπτύσσεται μεταξύ του εργαλείου, του κομματιού και του αποβλήτου. Οι θερμοκρασίες αναπτύσσονται από τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας, που καταναλώνεται στη περιοχή κοπής, σε θερμότητα λόγω της τριβής. Το απόβλητο προκαλεί τριβή στην επιφάνεια του εργαλείου και η κατεργασμένη επιφάνεια προκαλεί τριβή στο κάτω τμήμα της μύτης του εργαλείου. Οι υψηλές θερμοκρασίες προκαλούν οξείδωση του υλικού του εργαλείου, η οποία αυξάνει τον ρυθμό της φθοράς του. Εικόνα 6.5: Συνήθης κατανομή θερμότητας στην ζώνη κοπής. Για να τη μείωση της υψηλής θερμοκρασίας, χρησιμοποιούνται ψυκτικά υγρά κατά την κοπή. Επίσης, τα υγρά κοπής βοηθούν στην απομάκρυνση του αποβλήτου από την περιοχή της κοπής. Τα υγρά κοπής συνήθως χρησιμοποιούνται σε κατεργασίας σκληρών υλικών και σε κατεργασίες με χαμηλές ταχύτητες κοπής. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας των υλικών των κοπτικών εργαλείων επιτρέπει σε αυτά να εργάζονται σε υψηλότερες 74

75 θερμοκρασίες, χωρίς να είναι απαραίτητη η χρήση ψυκτικών υγρών, αλλά με τη χρήση πεπιεσμένου αέρα, για να απομακρύνονται τα απόβλητα. Υπάρχουν αρκετές ενδείξεις της φθοράς των κοπτικών εργαλείων κατά την κατεργασία που μπορούν να εντοπιστούν πριν την αστοχία του εργαλείου, όπως η κατανάλωση μεγαλύτερης ενέργειας, η τραχύτητα της κατεργασμένης επιφάνειας και η αλλαγή της γεωμετρίας του απόβλητου. Η τριβή του αποβλήτου πάνω στο κοπτικό εργαλείο το φθείρει, δημιουργώντας κρατήρα στην επιφάνειά του. Η φθορά δημιουργείται κάτω από υψηλή ταχύτητα κοπής και όταν κατεργάζονται σκληρά υλικά. Εικόνα 6.6: Φθορά κρατήρα. Η τριβή του εργαλείου με την κατεργασμένη επιφάνεια του κομματιού φθείρει την ακμή του κοπτικού εργαλείου. Αυτή η φθορά εμφανίζεται σε όλα τα εργαλεία και δεν μπορεί να αποφευχθεί. Εικόνα 6.7: Φθορά ακμής. 6.2 Εργαλειομηχανές αφαίρεσης μεταλλικού υλικού Για την μηχανουργική κατεργασία αφαίρεσης μεταλλικού υλικού υπάρχει μεγάλη ποικιλία ειδών εργαλειομηχανών και επιπλέον πληθώρα τύπων σε κάθε είδος. Ο διαχωρισμός των εργαλειομηχανών γίνεται σύμφωνα με τη βασική κατεργασία κοπής για την οποία η κάθε μια από αυτές είναι 75

76 μελετημένη, σχεδιασμένη και κατασκευασμένη. Επομένως, υπάρχουν οι εργαλειομηχανές τόρνου για την τόρνευση, οι εργαλειομηχανές φρέζας για το φρεζάρισμα και οι εργαλειομηχανές δράπανου για τη διάτρηση. Μια εργαλειομηχανή αποτελείται από δομικά στοιχεία, από στοιχεία μετάδοσης κίνησης, από εξαρτήματα προσδέσεων των εργαλείων κοπής και του κομματιού και από στοιχεία ελέγχου των λειτουργιών. Οι βασικές λειτουργίας που εκτελεί μια εργαλειομηχανή αφαίρεσης μεταλλικού υλικού είναι να παρέχει την απαραίτητη για την κατεργασία ισχύ, να διαθέτει μέσα για την στερεά και ασφαλή συγκράτηση του κοπτικού εργαλείου και του κομματιού, να εκτελεί και να ελέγχει τις απαραίτητες κινήσεις κατά την κοπή, να επιτυγχάνει μεγάλη διαστατική ακρίβεια και να είναι αξιόπιστη και οικονομική. Ο έλεγχος της εργαλειομηχανής έχει εξελιχθεί και εκτελείται πλέον μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή. Αυτές οι εργαλειομηχανές ονομάζονται ψηφιακά καθοδηγούμενες με ηλεκτρονικό υπολογιστή (Computerized Numerical Control - CNC). Οι εργαλειομηχανές CNC περιέχουν λογικά κυκλώματα που μπορούν να πραγματοποιήσουν την κίνηση του εργαλείου κοπής και του κομματιού, σύμφωνα με αριθμητικές εντολές ενός κώδικα. Οι εντολές του κώδικα περιέχουν συντεταγμένες για την κίνηση του εργαλείου και του κομματιού, όπως επίσης και πληροφορίες για τον έλεγχο των συστημάτων της εργαλειομηχανής, όπως είναι η ταχύτητα περιστροφής, η χρήση του ψυκτικού υγρού και η αλλαγή του κοπτικού εργαλείου. Έτσι, με την χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή οι κατεργασίες αυτοματοποιούνται, ο έλεγχος λαμβάνει χώρα από απόσταση, επιτυγχάνεται μεγάλη ακρίβεια διαστάσεων σε πολλές επαναλήψεις, παρέχεται η δυνατότητα διόρθωσης των εντολών του κώδικα, καθώς επίσης μειώνεται ο χρόνος παραγωγής και το κόστος. Επίσης, η χρήση του ηλεκτρονικού υπολογιστή επιτρέπει την προσομοίωση της κατεργασίας, ελαχιστοποιώντας την πιθανότητα λαθών στην κίνηση και την λειτουργία της εργαλειομηχανής κατά την διάρκεια της πραγματικής κατεργασίας. Η εξέλιξη των εργαλειομηχανών CNC οδήγησε στην δημιουργία κέντρων κατεργασίας. Τα κέντρα κατεργασίας είναι εργαλειομηχανές CNC, οι οποίες υποστηρίζουν πολλά είδη κατεργασίας, συνήθως φρεζάρισμα, διάτρηση και τόρνευση. Η ευελιξία των κέντρων κατεργασίας επιτρέπει την αντικατάσταση 76

77 ενός αριθμού ξεχωριστών εργαλειομηχανών από μία, παρέχοντας αύξηση της παραγωγικότητας, βελτίωση της ακρίβειας, ταχύτερη κατασκευή και μείωση του κόστους. Έτσι, μπορούν να εκτελεστούν όλες οι απαραίτητες κατεργασίες σε ένα κομμάτι, με μόνο ένα στήσιμο της μηχανής Εργαλειομηχανές τόρνευσης Η τόρνευση είναι μια κατεργασία αφαίρεσης μετάλλου για την παραγωγή κυλινδρικών επιφανειών παράλληλα ή κάθετα με τον άξονα του κομματιού. Η πρωτεύουσα κίνηση δίνεται στο κομμάτι, το οποίο συγκρατείται σε ένα περιστρεφόμενο σφιγκτήρα και η κίνηση προώσεως δίνεται στο εργαλείο κοπής, το οποίο προωθείται ακτινωτά, αξονικά ή και με τους δύο τρόπους ταυτόχρονα, για να παράγει την επιθυμητή επιφάνεια. Το κοπτικό εργαλείο έρχεται σε επαφή με το κομμάτι μόνο με ένα σημείο του, για αυτό το λόγο ονομάζεται κοπτικό εργαλείο ενός σημείου. Εικόνα 6.8: Διάφορες κατεργασίες τόρνου. Η πολυπλοκότερη παράμετρος των συνθηκών κοπής κατά την τόρνευση είναι η διατήρηση σταθερής ταχύτητα κοπής. Για να είναι σταθερή η ταχύτητα κοπής κατά την πρόωση του εργαλείου κάθετα στον άξονα του κομματιού, θα πρέπει να είναι ανάλογη της διαμέτρου, δηλαδή να μειώνεται καθώς η μύτη του εργαλείου πλησιάζει τον άξονα του κομματιού. 77

78 Εικόνα 6.9: Παράδειγμα τόρνευσης Εργαλειομηχανές φρεζαρίσματος Το φρεζάρισμα είναι μια κατεργασία αφαίρεσης μεταλλικού υλικού όπου, ανάλογα με τις δυνατότητες της εργαλειομηχανής στους άξονες περιστροφής του κομματιού και του κοπτικού εργαλείου, μπορούν να παραχθούν πολύπλοκες γεωμετρίες. Η πρωτεύουσα κίνηση δίδεται στο κοπτικό εργαλείο, το οποίο διαθέτει πολλές κύριες κόψεις ή δόντια, ενώ στο κομμάτι δίνεται η κίνηση προώσεως. Η διατομή του αποβλήτου μεταβάλλεται συναρτήσει του χρόνου κοπής του κάθε δοντιού, καθώς κάθε δόντι δεν κόβει συνεχώς αλλά μόνο όταν έρχεται σε επαφή με το κομμάτι κατά την περιστροφική κίνηση του κοπτικού εργαλείου. Εικόνα 6.10: Παράδειγμα φρεζαρίσματος. 78

79 Οι κατεργασίες φρεζαρίσματος διακρίνονται σε περιφερικό, μετωπικό και στο φρεζάρισμα με κονδύλι. Με το μετωπικό φρεζάρισμα κατεργάζονται επιφάνειες κάθετες προς τον άξονα του κοπτικού εργαλείου, το οποίο διαθέτει δόντια με κόψεις περιφερειακά και μετωπικά. Με το περιφερικό φρεζάρισμα κατεργάζονται επίπεδες επιφάνειες παράλληλες προς τον άξονα περιστροφής του κοπτικού εργαλείου, το οποίο διαθέτει δόντια με κόψεις μόνο περιφερειακά. Στο φρεζάρισμα με κονδύλι κατεργάζονται διάφορες επιφάνειες μετωπικές ή περιφερικές, καθώς το κοπτικό εργαλείο διαθέτει τη γεωμετρία του περιφερικού εργαλείου, με κάθετη διεύθυνση προς το κομμάτι, όπως στο μετωπικό φρεζάρισμα. Εικόνα 6.11: Οι κατεργασίες φρεζαρίσματος, περιφερικό, μετωπικό και με κονδύλι. Κατά την κατεργασία φρεζαρίσματος η κίνηση προώσεως του κομματιού μπορεί να είναι αντίρροπη ή ομόρροπη προς την πρωτεύουσα περιστροφική κίνηση του κοπτικού εργαλείου. Εικόνα 6.12: Αντίρροπο και ομόρροπο φρεζάρισμα. 79

80 Στο αντίρροπο φρεζάρισμα το κοπτικό εργαλείο περιστρέφεται αντίθετα από την διεύθυνση της πρόωσης καθώς το κομμάτι κινείται προς το εργαλείο από την μεριά όπου τα δόντια κινούνται προς τα πάνω. Το πάχος του απόβλητου στην αρχή της κοπής του ενός δοντιού είναι το μικρότερο δυνατό και σταδιακά αυξάνεται, όπου στο τέλος της κοπής του ενός δοντιού είναι το μεγαλύτερο δυνατό. Χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις όπου απαιτείται από το κατεργαζόμενο κομμάτι να έχει τραχιά επιφάνεια, ώστε να αυξάνεται η ζωή του εργαλείου, καθώς τα δόντια έρχονται σε επαφή με το κομμάτι κάτω από την επιφάνεια του κομματιού. Στο ομόρροπο φρεζάρισμα το κοπτικό εργαλείο περιστρέφεται σύμφωνα με την διεύθυνση της πρόωσης του κομματιού προς κατεργασία. Το κομμάτι έρχεται σε επαφή με το εργαλείο από την μεριά που τα δόντια κινούνται προς τα κάτω. Το απόβλητο στην αρχή της κοπής του ενός δοντιού είναι το μεγαλύτερο δυνατό και σταδιακά μειώνεται στο μικρότερο δυνατό στο τέλος της κοπής του ενός δοντιού. Το ομόρροπο φρεζάρισμα χρησιμοποιείται στις περισσότερες περιπτώσεις, γιατί αποδίδει καλύτερες επιφάνειες και μεγαλύτερη ζωή του εργαλείου Εργαλειομηχανές διάτρησης Η διάτρηση είναι μια απλή, γρήγορη και οικονομική μέθοδος για την διάνοιξη κυλινδρικών οπών ή τη διεύρυνση και μορφοποίηση υπαρχόντων οπών με ελικοειδές κοπτικό εργαλείο. Η πρωτεύουσα κίνηση και η κίνηση προώσεως δίνεται συνήθως στο κοπτικό εργαλείο. Πάνω στους έλικες του εργαλείου ρέει το απόβλητο, το πάχος του οποίου είναι ίσο με το μήκος της λωρίδας του εργαλείου που εισχωρεί στο αντικείμενο. Οι κατεργασίες δημιουργίας οπών μπορούν να εκτελεσθούν και από τις εργαλειομηχανές τόρνευσης και φρεζαρίσματος. Η επαφή του εργαλείου στο κομμάτι είναι συνεχής έως ότου τελειώσει η κατεργασία, το οποίο σημαίνει σταθερές δυνάμεις και θερμοκρασίες. Για αυτό το λόγο, η διάτρηση είναι παρόμοια με την τόρνευση. 80

81 Εικόνα 6.13: Παράδειγμα διάτρησης. Για την μορφοποίηση υπαρχόντων οπών χρησιμοποιούνται οι κατεργασίες γλύφανσης, εμβάθυνσης, σπειρώματος, κεντραρίσματος και ισοπέδωσης του άκρου οπής. Η γλύφανση χρησιμοποιείται για την αύξηση της διαμέτρου μιας οπής, αποδίδοντας λεία τελική εσωτερική επιφάνεια. Η σπειροτόμηση χρησιμοποιείται για την δημιουργία εσωτερικού σπειρώματος στην οπή. Με την εμβύθιση παράγεται μεγαλύτερη διάμετρος στην αρχή της οπής, για την τοποθέτηση της κεφαλής του κοχλία. Παραλλαγή της κατεργασίας εμβύθισης είναι η εμβύθιση με γωνία, η οποία χρησιμοποιείται για την παραγωγή απαιτούμενων κλίσεων για την τοποθέτηση γωνιακών κεφαλών κοχλία. Το κεντράρισμα χρησιμοποιείται πριν την κατασκευή της οπής, δημιουργώντας ένα σημείο ώστε το εργαλείο να κεντραριστεί. Η ισοπέδωση του άκρου της οπής χρησιμοποιείται για την δημιουργία επίπεδης επιφάνειας πάνω από την οπή. 81

82 Εικόνα 6.14: Κατεργασίες διάτρησης γλύφανση, σπειροτόμηση, εμβύθιση, εμβύθιση με γωνία, κεντράρισμα, ισοπέδωση του άκρου οπής. 82

83 7. Εικονική κατασκευή των καλουπιών Από τη στιγμή που έχει διαπιστωθεί, βάσει των αναλύσεων τάσεων και θερμοκρασίας των καλουπιών, ότι τα καλούπια δεν θα αστοχήσουν κατά τη διαδικασία χύτευσης με έγχυση για την παραγωγή του πολυμερούς κελύφους της φορητής συσκευής αναπαραγωγής ήχου, σειρά έχει η κατασκευή τους. Όπως έχει αναφερθεί και στο τρίτο κεφάλαιο στην παράγραφο κατασκευής των καλουπιών (3.3), η διαδικασία κατασκευής των καλουπιών διακρίνεται στην αρχική μηχανουργική κατεργασία, στη θερμική κατεργασία, στην τελική μηχανουργική κατεργασία και τη λείανση. Στην αρχική μηχανουργική κατεργασία από το αρχικό κομμάτι αφαιρείται η πλειονότητα του υλικού του αποτυπώματος του κομματιού, στη συνέχεια θερμαίνεται για να αποκτήσει μεγαλύτερη σκληρότητα, ακολούθως, προσδίδεται η τελική επιφάνεια του καλουπιού στην τελική μηχανουργική κατεργασία, μέσω της ηλεκτροδιάβρωσης και τέλος πραγματοποιείται λείανση για να αποκτήσουν τα καλούπια την επιθυμητή τελική επιφάνεια. Σε αυτό το κεφάλαιο αναλύεται η προσομοίωση της αρχικής μηχανουργικής κατεργασίας των καλουπιών του πυρήνα και της κοιλότητας, με σκοπό να δημιουργηθούν εικονικά η κατεργασίες που θα κατασκευάζουν τα καλούπια, ώστε να καθοριστεί η οικονομικότερη και αποδοτικότερη αλληλουχία των κατεργασιών, όπως επίσης να γίνει η παραγωγή του κώδικα της εργαλειομηχανής CNC του θα παράγει τα καλούπια. Τα ένθετα καλούπια δεν υπόκεινται στην αρχική μηχανουργική κατεργασία, καθώς λόγω της γεωμετρίας τους, η αφαίρεση υλικού που πρέπει να γίνει είναι σε βάθος 0,3mm, το οποίο πραγματοποιείται στην τελική μηχανουργική κατεργασία της ηλεκτροδιάβρωσης. Με τη βοήθεια του λογισμικού Pro-Engineer γίνεται η προσομοίωση της αρχικής μηχανουργικής κατεργασίας που υπόκεινται τα καλούπια για την κατασκευή τους και παράγεται ο κώδικας της εργαλειομηχανής που θα τα παράγει. 83

84 7.1 Αρχική μηχανουργική κατεργασία των καλουπιών Η αρχική μηχανουργική κατεργασία των καλουπιών πραγματοποιείται μέσω των ψηφιακά καθοδηγούμενων εργαλειομηχανών CNC. Βάσει της γεωμετρίας των καλουπιών, η αρχική μηχανουργική κατεργασία για την παραγωγή τους πραγματοποιείται με εργαλειομηχανή φρεζαρίσματος. Για την εικονική κατεργασία των καλουπιών απαιτείται η εισαγωγή του τελικού κομματιού και η δημιουργία του αρχικού μεταλλικού όγκου, στον οποίο θα εφαρμοστούν οι κατεργασίες ώστε να προκύψει το τελικό κομμάτι. Επίσης, απαιτείται ο ορισμός της εργαλειομηχανής με την οποία θα πραγματοποιηθεί η κατεργασία, ο ορισμός του μηδενικού σημείου, το οποίο είναι το σημείο αναφοράς όλων των αποστάσεων και ο ορισμός του επιπέδου επαναφοράς του κοπτικού εργαλείου μετά την κοπή. Για τον ορισμό κάθε κατεργασίας απαιτείται η δημιουργία κοπτικού εργαλείου κατάλληλης γεωμετρίας, η επιλογή των επιφανειών κατεργασίας και ο καθορισμός των παραμέτρων κοπής. Οι παράμετροι κοπής σχετίζονται με τις κινήσεις του κοπτικού εργαλείου και των συνθηκών κοπής. Οι κυριότεροι παράμετροι για τον ορισμό μιας κατεργασίας είναι η πρόωση, το βάθος κοπής που εκτελεί το εργαλείο σε κάθε πέρασμα, το παράλληλο βήμα μεταξύ των περασμάτων του κοπτικού, η γωνία κοπής, η ποσότητα του υλικού που θα παραμείνει στο κομμάτι για την μετέπειτα κατεργασία, οι στροφές του κοπτικού εργαλείου, ο τρόπος λειτουργίας του ψυκτικού υγρού και η ανοχή των πολυγώνων στις καμπύλες επιφάνειες. Οι παραπάνω παράμετροι αποφασίζονται βάσει των δυνατοτήτων της εκάστοτε εργαλειομηχανής, του κοπτικού εργαλείου, των αναπτυσσόμενων δυνάμεων και θερμοκρασιών κατά την κοπή. Για την κατεργασία του χάλυβα Ρ-20 που είναι το υλικό κατασκευής των καλουπιών απαιτείται από το κοπτικό εργαλείο να διαθέτει μεγάλη σκληρότητα. Το υλικό των κοπτικών εργαλείων που θα χρησιμοποιηθούν για την κατεργασία των καλουπιών προτείνεται να είναι από σκληρομέταλλα. Οι κατεργασίες δημιουργούνται έτσι ώστε πρώτα να γίνεται αφαίρεση μεγάλου όγκου υλικού στο μικρότερο δυνατό χρόνο, δίνοντας λιγότερη σημασία στη ζωή του εργαλείου και την τελική επιφάνεια. Στη συνέχεια, ακολουθούν κατεργασίες αφαίρεσης του εναπομείναντος υλικού από τις προηγούμενες κατεργασίες. 84

85 7.1.1 Εικονική κατεργασία του πυρήνα Για να δημιουργηθούν οι εικονικές κατεργασίες που θα κατασκευάζουν των πυρήνα δημιουργήθηκε ο μεταλλικός αρχικός όγκος με μήκος και πλάτος ίδιο του τελικού κομματιού και ύψος 25mm. Επίσης, δημιουργήθηκε η εργαλειομηχανή φρεζαρίσματος με μηδενικό σημείο την κάτω αριστερή γωνία του κομματιού και με επίπεδο επαναφοράς του κοπτικού εργαλείου ένα εκατοστό επάνω από των μεταλλικό αρχικό όγκο. Εικόνα 7.1: Ο αρχικός μεταλλικός όγκος, το μηδενικό σημείο και το επίπεδο επαναφοράς. Στη συνέχεια, για την πραγματοποίηση των κατεργασιών δημιουργήθηκαν πέντε κοπτικά εργαλεία διαφορετικών διαμέτρων, ανάλογα με τον όγκο του υλικού που πρέπει να αφαιρεθεί σε κάθε κατεργασία. Η ποσότητα του υλικού που θα παραμείνει στο κομμάτι από την αρχική μηχανουργική κατεργασία, ώστε να αφαιρεθεί με την ηλεκτροδιάβρωση είναι 0,2mm. Εικόνα 7.2: Τα κοπτικά εργαλεία του πυρήνα. 85

86 Η πρώτη κατεργασία που δημιουργήθηκε αφορά την αφαίρεση όγκου από ολόκληρη την πάνω επιφάνεια του μεταλλικού όγκου, έως την πάνω επιφάνεια του τελικού κομματιού. Για την κατεργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε το κοπτικό εργαλείο με διάμετρο 12mm, με βάθος κοπής 5mm και βήμα 6mm. Εικόνα 7.3: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της επάνω επιφάνειας. Η επόμενη κατεργασία που δημιουργήθηκε αφορά την αφαίρεση όγκου περιμετρικά της επιφάνειας του πυρήνα, έως την κάτω επιφάνεια του τελικού κομματιού. Για την κατεργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε το κοπτικό εργαλείο με διάμετρο 20mm και με βάθος κοπής 3mm. Εικόνα 7.4: Πορεία εργαλείου στην περιμετρική κατεργασία. Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε η κατεργασία που αφορά την αφαίρεση όγκου από τα καμπύλα τμήματα της κάτω επιφάνειας του τελικού κομματιού. 86

87 Για την κατεργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε το κοπτικό εργαλείο με διάμετρο 6mm και με βήμα 1,3mm. Εικόνα 7.5: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της κάτω καμπύλης επιφάνειας. Έπειτα, δημιουργήθηκε η κατεργασία που αφορά την αφαίρεση όγκου από την πάνω καμπύλη επιφάνεια του τελικού κομματιού. Για την κατεργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε το κοπτικό εργαλείο με διάμετρο 3mm και με βήμα 1,5mm. Εικόνα 7.6: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της πάνω καμπύλης επιφάνειας. Η τελευταία κατεργασία που δημιουργήθηκε αφορά την αφαίρεση όγκου από τις επιφάνειες των εγκοπών για τα ένθετα καλούπια. Για την κατεργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε το κοπτικό εργαλείο με διάμετρο 7mm και με βήμα 2,5mm. 87

88 Εικόνα 7.7: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία των εγκοπών των ενθέτων. Για την εικονική αναπαράσταση της πορείας των κοπτικών εργαλείων και τον εντοπισμό πιθανής λανθασμένης κατεργασίας, όλες οι κατεργασίες ενώθηκαν και παράχθηκε η εικονική κατεργασία του κομματιού. Έτσι, η κατεργασία του πυρήνα ξεκινά με την αφαίρεση μεταλλικού υλικού από την πάνω επιφάνεια του μεταλλικού όγκου, στη συνέχεια γίνεται η αφαίρεση του περιφερικού όγκου, ακολούθως γίνεται η κατεργασία των καμπύλων επιφανειών και τέλος πραγματοποιείται η κατεργασία για την δημιουργία των εγκοπών των ένθετων καλουπιών. Εικόνα 7.8: Αποσπάσματα από την εικονική κατεργασία του πυρήνα. 88

89 Από την εικονική προσομοίωση της κατεργασίας δεν εντοπίζεται λανθασμένη κίνηση του κοπτικού εργαλείου, δηλαδή δεν αφαιρείται η γεωμετρία του τελικού αντικειμένου και παραμένει το πάχος των 0,2 mm για την τελική μηχανουργική κατεργασία. Αυτό, φανερώνεται από τα χρώματα των εικονικών κατεργασιών, με κίτρινο χρώμα παρουσιάζεται το εναπομείναντα υλικό των 0,2mm. Με μοβ χρώμα θα φανερωνόταν η τελική επιφάνεια του καλουπιού και με γαλάζιο οι επιφάνειες που αφαιρείται υλικό ενώ δεν θα έπρεπε. Τέλος, με πράσινο χρώμα παρουσιάζονται οι επιφάνειες του αρχικού μεταλλικού όγκου από τον οποίο αφαιρείται υλικό. Σημειώνεται ότι δεν δημιουργήθηκε κατεργασία για την δημιουργία των πλευρών στήριξης της ηλεκτρονικής πλακέτας της φορητής συσκευής αναπαραγωγής ήχου, των κλιπ για τη σύνδεση του πολυμερούς κελύφους με το επάνω και κάτω μεταλλικό κέλυφος και των οπών για τους εξολκείς, για το λόγο ότι έχουν πολύ μικρές διαστάσεις και δεν υπάρχει αντίστοιχο κοπτικό εργαλείο για την πραγματοποίηση της κατεργασίας. Το υλικό από αυτά τα σημεία θα αφαιρεθεί στην τελική μηχανουργική κατεργασία της ηλεκτροδιάβρωσης Εικονική κατεργασία της κοιλότητας Για να δημιουργηθούν οι εικονικές κατεργασίες που θα κατασκευάζουν την κοιλότητα, όπως και για την κατασκευή του πυρήνα, δημιουργήθηκε ο μεταλλικός αρχικός όγκος με μήκος και πλάτος ίδιο του τελικού κομματιού και ύψος 25mm. Επίσης, δημιουργήθηκε η εργαλειομηχανή φρεζαρίσματος με μηδενικό σημείο την κάτω αριστερή γωνία του κομματιού και με επίπεδο επαναφοράς του κοπτικού εργαλείου ένα εκατοστό επάνω από των μεταλλικό αρχικό όγκο. Εικόνα 7.9: Ο αρχικός μεταλλικός όγκος, το μηδενικό σημείο και το επίπεδο επαναφοράς. 89

90 Στη συνέχεια, για την πραγματοποίηση των κατεργασιών δημιουργήθηκαν τέσσερα κοπτικά εργαλεία διαφορετικών διαμέτρων, ανάλογα με τον όγκο του υλικού που πρέπει να αφαιρεθεί σε κάθε κατεργασία. Η ποσότητα του υλικού που θα παραμείνει στο κομμάτι από την αρχική μηχανουργική κατεργασία, ώστε να αφαιρεθεί στην τελική μηχανουργική κατεργασία είναι 0,2mm. Εικόνα 7.10: Τα κοπτικά εργαλεία της κοιλότητας. Η πρώτη κατεργασία που δημιουργήθηκε για την κατεργασία της κοιλότητας αφορά την αφαίρεση όγκου εσωτερικά των τοιχωμάτων της κοιλότητας του μεταλλικού όγκου, έως την επιφάνεια της κοιλότητας του τελικού κομματιού. Για την κατεργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε το κοπτικό εργαλείο με διάμετρο 8mm, με βάθος κοπής 6mm και βήμα 1mm. Εικόνα 7.11: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία του εσωτερικού όγκου. 90

91 Η επόμενη κατεργασία που δημιουργήθηκε αφορά την αφαίρεση των υπολειμμάτων του υλικού που παρέμειναν από την πρώτη κατεργασία στα τοιχώματα της κοιλότητας. Για την κατεργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε το κοπτικό εργαλείο με διάμετρο 8mm και με βάθος κοπής 3mm. Εικόνα 7.12: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία των τοιχωμάτων. Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε κατεργασία που αφορά την αφαίρεση των υπολειμμάτων του υλικού που παρέμειναν από την πρώτη κατεργασία στην καμπύλη επιφάνεια της κοιλότητας. Για την κατεργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε το κοπτικό εργαλείο με διάμετρο 3mm, με βάθος κοπής 6mm και βήμα 2mm. Εικόνα 7.13: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της καμπύλης επιφάνειας. Έπειτα, δημιουργήθηκε η κατεργασία που αφορά την αφαίρεση όγκου για τη δημιουργία της εσοχής του μικρότερου ένθετου καλουπιού. Για την κατεργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε το κοπτικό εργαλείο με διάμετρο 3mm, με βάθος κοπής 3mm και με βήμα 3mm. 91

92 Εικόνα 7.14: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της εσοχής για το ένθετο καλούπι. Η επόμενη κατεργασία που δημιουργήθηκε για κοιλότητα είναι η αφαίρεση μεταλλικού όγκου από τη γεωμετρία της σύνδεσης των κατά μήκος πλευρών. Για την κατεργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε το κοπτικό εργαλείο με διάμετρο 3mm και με βήμα 1,5mm. Εικόνα 7.15: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της γεωμετρίας της σύνδεσης. Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε κατεργασία που αφορά την αφαίρεση υλικού από την πάνω επιφάνεια της κοιλότητας. Για την κατεργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε το κοπτικό εργαλείο με διάμετρο 3mm και βήμα 1,5mm. Εικόνα 7.16: Πορεία εργαλείου στην κατεργασία της επάνω επιφάνειας. 92

93 Για τη δημιουργία της κατεργασίας των οπών για τους ψυκτικούς αυλούς δημιουργήθηκε μια κατεργασία διαμπερών οπών, με κοπτικό εργαλείου διαμέτρου 4mm και μια κατεργασία για την διεύρυνση των οπών με κοπτικό εργαλείο διαμέτρου 6mm. Εικόνα 7.17: Πορεία εργαλείου για την κατεργασία των διαμπερών οπών. Εικόνα 7.18: Πορεία εργαλείου για την κατεργασία διεύρυνσης των οπών. Για την εικονική αναπαράσταση της πορείας των κοπτικών εργαλείων και τον εντοπισμό πιθανής λανθασμένης κατεργασίας, όλες οι κατεργασίες ενώθηκαν και παράχθηκε η εικονική κατεργασία του κομματιού. Έτσι, η κατεργασία της κοιλότητας ξεκινά με την αφαίρεση μεταλλικού υλικού από την κοιλότητα, στη συνέχεια γίνεται η αφαίρεση των υπολειμμάτων του υλικού που παρέμειναν από την πρώτη κατεργασία στα τοιχώματα και στην καμπύλη επιφάνεια, ακολούθως γίνεται η κατεργασία της εσοχής για το μικρότερο ένθετο καλούπι και της σύνδεσης των κατά μήκος πλευρών, έπειτα γίνεται η κατεργασία της επάνω επιφάνειας του αρχικού μεταλλικού όγκου και τέλος πραγματοποιούνται οι κατεργασίες για την δημιουργία των οπών για τους ψυκτικούς αυλούς. 93

94 Εικόνα 7.19: Αποσπάσματα από την εικονική κατεργασία της κοιλότητας. Από την εικονική προσομοίωση των κατεργασιών της κοιλότητας δεν εντοπίζεται λανθασμένη κίνηση του κοπτικού εργαλείου, δηλαδή δεν αφαιρείται η γεωμετρία του τελικού αντικειμένου (γαλάζιο χρώμα) και παραμένει το πάχος των 0,2 mm (κίτρινο χρώμα) για την τελική μηχανουργική κατεργασία. Σημειώνεται ότι δεν δημιουργήθηκε κατεργασία για την δημιουργία των κλιπ για τη σύνδεση του ενδιάμεσου κελύφους με το κάτω μεταλλικό κέλυφος και την οπή για την εισαγωγή του υλικού στο καλούπι, για το λόγο ότι έχουν πολύ μικρές διαστάσεις και δεν υπάρχει αντίστοιχο κοπτικό εργαλείο για την πραγματοποίηση της κατεργασίας. Το υλικό από αυτά τα σημεία θα αφαιρεθεί στην τελική μηχανουργική κατεργασία της ηλεκτροδιάβρωσης. 94

95 7.1.3 Παραγωγή του κώδικα της εργαλειομηχανής Η παραγωγή του κώδικα της εργαλειομηχανής είναι το τελευταίο στάδιο της εικονικής δημιουργίας των κατεργασιών κοπής της αρχικής μηχανουργικής κατεργασίας των καλουπιών. Τελειώνοντας τις κατεργασίες κοπής οι διαδρομές των εργαλείων πρέπει να ενωθούν και να μεταφραστούν στον κώδικα της εργαλειομηχανής. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί κωδικοποιητές, καθώς υπάρχουν και πολλές διαφορετικές εργαλειομηχανές. Για αυτό το λόγο, πρέπει να βρεθεί ο σωστός κωδικοποιητής για την κάθε εργαλειομηχανή που χρησιμοποιείται. Μετά τη δημιουργία των κατεργασιών του πυρήνα και της κοιλότητας έγινε η παραγωγή του κώδικα της εργαλειομηχανής που θα πραγματοποιήσει την κοπή. Ο κώδικας της εργαλειομηχανής περιέχει συντεταγμένες για την κίνηση του εργαλείου και του κομματιού, όπως επίσης και πληροφορίες για τον έλεγχο των συστημάτων της εργαλειομηχανής, όπως είναι η ταχύτητα περιστροφής, η χρήση του ψυκτικού υγρού και η αλλαγή του κοπτικού εργαλείου. Για την κατασκευή των καλουπιών έγινε η παραδοχή ότι έστω η εργαλειομηχανή χρησιμοποιεί τον κώδικα G. Εικόνα 7.20: Απόσπασμα του κώδικα της εργαλειομηχανής. 7.2 Λοιπές κατεργασίες Μετά την ολοκλήρωση της αρχικής μηχανουργικής κατεργασίας, τα καλούπια τοποθετούνται σε κλίβανο θερμότητας για να πραγματοποιηθεί η θερμική τους κατεργασία, με σκοπό την αύξηση της σκληρότητάς τους. Από τη στιγμή που τα καλούπια έχουν υποστεί και τη θερμική κατεργασία, 95