Datum 24 september 2007 Tutor: H. H. Clements Beusink



Dovnload 42.33 Kb.
Datum23.07.2016
Grootte42.33 Kb.






Datum 24 september 2007


Tutor: H.H. Clements
Beusink M. 0610628

Houben S.P.M. 0616741

Stultiëns S.P.A.B. 0553733

Suijkerbuijk D.W. 0607262

Tilburg S.P.W.M. van 0595731

Verstraelen G.J.T.J. 0609306

Wanders M. 0620608

Inhoudsopgave
Inleiding pag. 3
Hoofdstuk 1 Ontwerpkeuze pag. 4
Hoofdstuk 2 Materiaalkeuze pag. 5
Hoofdstuk 3 Matrijs


  • 3.1 Inleiding pag. 6

  • 3.2 Aanspuitingen pag. 7

  • 3.3 Lossingtechniek pag. 8

  • 3.4 Koeling pag. 10

Hoofdstuk 4 Moldflow pag. 11


Conclusie pag. 17
Bijlage Technische tekening pag. 18


Inleiding
Legoblokjes zijn bouwstenen die ingewikkelde constructies mogelijk maken via een eenvoudig en reversibel slim ontworpen systeem. De blokjes pasten 40 jaar geleden op elkaar en doen dat nu nog met dezelfde klemkracht. Dat heeft niet alleen met de koelsnelheid te maken, maar ook met krimp en kromtrekken. In deze casus is het de bedoeling dat elke groep een nieuw ontwerp maakt voor een blokje en hiervan een matrijsontwerp maakt. Het is de bedoeling dat er nagedacht wordt over de verbinding tussen de blokjes

Het blokje wordt vervaardigd uit een polymeer dat door middel van spuitgieten in een matrijs wordt gebracht. Naast het ontwerpen van de matrijs moet er ook een keuze worden gemaakt uit een viertal polymeren waaruit het blokje gemaakt wordt. Als extra is er een logo van de groep in het blokje verwerkt. In hoofdstuk 1 en 2 worden dit toegelicht.


Bij het ontwerpen van de matrijs moet op verschillende dingen worden gelet:

  • Waar wordt de aanspuiting van het polymeer gemaakt?

  • De lossingtechniek voor het blokje.

  • De koeling voor de matrijs.

Deze punten komen in hoofdstuk 3 aan bod.
Daarnaast is het de bedoeling te kijken naar de mogelijkheid om het blokje te maken met behulp van gasinjectie. In hoofdstuk 4 zal hier verder op in worden gegaan met behulp van het simulatieprogramma Moldflow.
In de bijlage bevindt zich de technische tekening van het gehele ontwerp. Deze kan gebruikt worden om de matrijs te bouwen.

Hoofdstuk 1 Ontwerpkeuze


Na verscheidene ideeën voor een blokje uitgediept te hebben, is er uiteindelijk besloten om een blokje te fabriceren dat de standaard vierkante vorm heeft, zoals bijna alle bouwstenen dat hebben. De keuze is daarop gevallen omdat het met bijvoorbeeld extremere vormen moeilijk is om een iets te bouwen dat nog ergens op lijkt. De uiteindelijke vorm is een kubus geworden met afgeschuinde ribben.

N
Figuur 1.1: Basisontwerp van het blokje
a deze keuze gemaakt te hebben, is er nagedacht over de verbinding tussen de bouwstenen. Wat is gemakkelijk te bouwen en op wat voor manier kun je de koppeling maken om zoveel mogelijk kanten op te bouwen? De keus is gevallen op een relatief simpele zwaluwstaartverbinding, met op drie zijden gleuven en op drie zijden een nopje. Er is gekozen het nopje zo te maken dat de bouwrichtingen iets uitgebreid worden. Om dit te realiseren is er bedacht het nopje niet vierkant te maken maar in de vorm van een achthoek. Op deze manier is het mogelijk de bouwsteen recht of onder een hoek van 45 graden bovenop de andere bouwsteen te bevestigen.

O


Figuur 1.2: Uiteindelijk model
m op een aparte en originelen manier het logo van de groep in het blok te maken, is er bedacht om er een Romeinse ‘X’ in te brengen, dat staat voor groep tien. Maar het zou geen uitdaging zijn dit logo er bovenop te spuiten of in de matrijs te verwerken. Dus is er besloten de X in de kubus te verwerken. Op deze manier moet er met een dubbelmatrijs gewerkt worden die na het spuiten van de X omgedraaid wordt om de hoekjes erbij te spuiten, ook worden er twee verschillende materialen gebruikt om de X vorm te geven.


Figuur 1.3: Vooraanzicht ‘X’ vorm

Hoofdstuk 2 Materiaalkeuze

Het blokje wordt vervaardigd met behulp van spuitgieten. Er zijn hiervoor vier verschillende materialen beschikbaar:




  1. Amorf PS (Poly)styreen

  2. Amorf PC (Poly)carbonaat

  3. Amorf maar gekleurd ABS Acrylon-Butadieen-Styreen

  4. Semicrystallijn PP (Poly)porpyleen

Om te bepalen welke materialen het meest geschikt zijn, is gekeken naar de eigenschappen.


PS: - polystyreen is amorf en glashelder, hard en stijf

- het is een goedkoop materiaal


- het is bros en gevoelig voor oplosmiddelen
Door copolymerisatie kunnen de slagvastigheid en de warmtebestendigheid sterk verbeterd worden met butadiëen en acrylnytril. Hierdoor verkrijgt men ABS.
PC: - polycarbonaat is amorf
- het heeft uitstekende optische eigenschappen (doorzichtig)
- het is praktisch onbreekbaar, ook bij lage temperaturen (- 100°C)
- het heeft een goede warmtebestendigheid (130°C)

- is een duurder materiaal dan de anderen


PP: - polypropeen is meestal opaak
- het heeft een goede temperatuursbestendigheid en een grote taaiheid
- bij temperaturen onder 0° C wordt het bros

- door semikristallijn grotere krimp

- is slecht bestand tegen UV-straling
Het polystyreen is te bros om er een blokje van te maken. Het kan gemakkelijk op de hoekpunten of de zwaluwstaartverbindingen afbrokkelen. Polypropeen is ook niet goed geschikt doordat er grote krimp kan optreden. Het meest geschikte materiaal is ABS omdat dit zeer taai en slagvast is. Hiervan wordt het blokje gemaakt. Het ABS krijgt de vorm van een ‘X’ wat staat voor het logo van de groep. Tevens wordt polycarbonaat gebruikt. Dit wordt op de hoeken gespoten omdat het doorzichtig is. Hierdoor is de ‘X’ te zien.

Hoofdstuk 3 Matrijs
3.1 Inleiding
De ontworpen matrijs bestaat in totaal uit 5 delen (zie figuur 3.1 en 3.2), genummerd van links naar rechts;

1.Uitstootpakket 1

2.Uitstootpakket 2

3.Achtermatrijs

4.Voormatrijs

5.Bedieningspakket



Figuur 3.1: Zijaanzicht en bovenaanzicht complete matrijs





Figuur 3.2: 3D Aanzichten van gedemonteerde matrijs

3.2 Aanspuitingen
Het blokje wordt gemaakt van twee componenten: ABS en polycarbonaat. Dit vereist meerdere aanspuitingen omdat het polycarbonaat op de vier hoeken van het blokje komt. Deze hoeken zijn niet met elkaar verbonden en hebben daarom elk hun eigen aanspuiting nodig.
I
Figuur 3.3: Aanspuitkanalen ABS
n eerste instantie leek het voor de hand liggend de aanspuiting in het midden van een vlak te plaatsen en op meerdere plekken verspreid over het blokje. Al snel werd duidelijk dat dit niet een goede keuze was. Er zijn te veel aanspuitingen die door de matrijs lopen. Om een evenwichtige hoeveelheid door elke aanspuiting te realiseren dient de matrijs overal een constante temperatuur te hebben. In de praktijk is dit echter niet haalbaar. Dus één aanspuitpunt is de logische conclusie. Het is uitgesloten midden op een vlak aan te spuiten. Het polymeer vormt een zogenaamde jetting (hersenstructuur) in het blokje. Het polymeer dient zich op te hopen tegen de wand en zich zo door het blokje te verspreiden. Daarnaast speelt de zwaartekracht een belangrijke rol. Wanneer het polymeer van bovenaf wordt ingebracht kan het gaan klonteren en zo naar beneden druppelen. Dit is niet gewenst. Het is dus noodzakelijk dat het polymeer van onderaf en tegen een wand wordt ingespoten.
Naast het polymeer wordt ook nog gas ingespoten. Dit om het polymeer extra druk mee te geven zodat alle hoeken van het blokje goed gevuld worden. Het gas zorgt er ook voor dat de krimp van het polymeer tot een minimum beperkt blijft. Door het gas via dezelfde aanspuiting als het ABS te brengen wordt ervoor gezorgd dat gas binnenin het polymeer komt en het zo naar buiten drukt. Het gas kan hierdoor niet aan de buitenkant komen met als gevolg dat de vorm van het blokje niet meer gerealiseerd kan worden. De gasaanvoer zorgt wel voor een klein gat in het oppervlak. Dit is niet te voorkomen. Hierdoor is het uitgesloten dat de aanspuiting van ABS en gas op een vlak komt te liggen waar naderhand nog het polycarbonaat tegenaan moet komen. Het gat zou gevuld worden met dat polymeer wat niet de bedoeling is.
Bovenstaande aspecten elimineren alle vlakken van het blokje uitgezonderd het onderste nopje voor de aanspuiting van ABS en gas.


N
Figuur 3.4: Aanspuitkanalen voor PC


adat het ABS gestold is en de matrijs gedraaid is kunnen de hoeken van het blokje gevormd worden met het polycarbonaat. Zoals eerder vermeld zijn de hoeken gescheiden van elkaar waardoor er vier aanspuitingen nodig zijn. Ook hier gelden de bovengenoemde redenen zodat de aanspuiting dicht tegen de rand ingebracht moet worden. Verder dienen de aanspuitkanalen dezelfde afmetingen te hebben, zodat de hoeken onder gelijke druk en tijd gevuld worden.

3.3 Lossingtechniek
Zoals eerder vermeld, bestaat de matrijs uit vijf delen die. Voordat de voor- en achtermatrijs gescheiden kunnen worden, opent eerst het bedieningspakket van de voormatrijs zodat de schuiven rond het nopje naar buiten bewegen (zie figuur 3.5), hierdoor kunnen de voor en achter matrijs geopend worden zodanig dat het blokje in de achtermatrijs blijft hangen en zonder dat het nopje in de voormatrijs blijft steken.

D


Figuur 3.5: Schuifjes rond nopje in voormatrijs, links: hele matrijsdeel, rechts: bovenste deel ingezoomd en deels transparant
e aanspuitingen blijven ook in de achtermatrijs hangen omdat er op elk hoekpunt een taps toelopende cilinder geplaatst is die in de achtermatrijs klemt. Nu de matrijs gescheiden is en het blokje nog vast zit door de zwaluwstaart in de achtermatrijs, kunnen de aanspuitingen gelost worden, dit gebeurd door uitstootpakket 2. (zie figuur 3.6)

D
Figuur 3.6: Uitstoters (in rood)


e uitstoot pinnen zijn zo geplaatst dat ze de vastzittende cilinders uitstoten. Omdat de aanspuitingen via “duikboten” aan het blokje bevestigt zijn, zullen deze afgesneden worden door de scherpe

rand van de matrijs.

Het lossen van de blokjes is ingewikkelder. Ten eerste omdat het onderste blokje “de X” moet blijven zitten, maar wanneer die naar bovengedraaid wordt om de hoeken te spuiten moet het geheel wel gelost kunnen worden. Daarom hebben we gekozen om het blokje uit te stoten op de doorzichtige hoeken zodat de uitstootstangen de “X”niet raken en die gewoon blijft zitten.

Ten tweede zit de zwaluwstaart nog klem. Om het blokje te lossen moet eerst de schuif (figuur 3.7 A) die in de zwaluwstaart zit omhoog, dit gebeurd in de zelfde beweging met de uitstoters die de aanspuitingen lost. Hierdoor hoeft er niet een extra matrijsdeel gemaakt te worden die enkel de schuiven opent. Op uitstootpakket 2 zitten twee schuine pinnen die de schuiven in de zwaluwstaarten omhoog duwen (figuur 3.7 B). Uitstootpakket 1 schuift daarna dicht en duwt het blokje tegen het polycarbonaat eruit met twee pinnen. (zie figuur 3.7 C)








Figuur 3.7: A B C


3.4 Koeling
Om te zorgen dat de matrijs niet oververhit raakt moet er koeling toegepast worden. De koeling moet er ook voor zorgen dat de warmte in de matrijs zo uniform mogelijk is, om interne spanningen en vervorming te voorkomen.
D
e kanalen in de matrijs liggen twee aan twee, met tegengestelde stroomrichtingen (zie figuur 3.8), dit is om te zorgen dat aan beide kanten koeling plaatsvindt. Hierdoor vindt er tussen de kanalen ook warmtewisseling plaats, en wordt de matrijs uniform gekoeld.


Figuur 3.8: Koelsysteem door de matrijs

Het probleem bij het leggen van de kanalen in de achtermatrijs is de grote hoeveelheid gaten voor de uitstoters. Hier kunnen uiteraard geen koelkanalen doorheen lopen, dus wordt de plaatsingvrijheid drastisch verminderd.
Het grootste nadeel van dit systeem is dat er maar liefst 40 water aansluitingen zijn, dit is eventueel te verminderen door aan de zijkanten van de matrijs een extra blok te plaatsen die de kanalen met elkaar verbindt.

Hoofdstuk 4 Moldflow
Er is gekozen om met Moldflow een analyse te doen om te kijken hoe het spuitgietproces reageert op het ontworpen blokje. Moldflow geeft een duidelijke analyse van de manier waarop de matrijs zich vult. Ook is te zien hoeveel krimp er optreed en welke druk er heerst. Helaas is Moldflow er niet toe in staat jetting zichtbaar te maken, waardoor het niet duidelijk is of alles daadwerkelijk klopt. Toch is hiermee ook rekening gehouden in ons ontwerp. De aanspuitingen zijn niet in de loze ruimte gericht maar onder een hoek tegen een wand aan. Op deze manier wordt voorkomen dat de bouwsteen een hersenstructuur krijgt.
De bouwsteen kan op meerdere manieren gespoten worden, zo kan er bijvoorbeeld gekozen worden om het blokje met of zonder gasinjectie te spuitgieten. Er is gekozen de inspuitkanalen volledig mee te modelleren zodat er een duidelijk beeld ontstaat van de drukval en benodigde gasdruk.
Omdat het blokje uit twee componenten bestaat, moeten er dus ook twee aparte analyses worden gemaakt. Het belangrijkste is overigens dat het blokje (de X) goed wordt gespoten, omdat daar alle verbindingen opzitten. Als deze niet goed wordt gespoten is de kans heel groot dat de verbindingen niet passen of juist een heel losse passing hebben, zodat het bouwwerk instort als een kaartenhuis. Als het blokje zonder gasinjectie wordt gespoten is er duidelijk te zien dat de maximale krimp 10% is (zie figuur 4.1). Dat is erg veel en kan vervelende effecten tot gevolg hebben. De meeste krimp treedt namelijk op, op de plekken waar het polymeer wordt ingespoten.


Figuur 4.1: Krimp blokje bij geen gasinjectie in procenten van het totale volume

Krimp kan worden verminderd door gas te injecteren. Dat wil zeggen dat nadat het polymeer in de matrijs is gespoten, gas geïnjecteerd wordt en zo een soort ballon ontstaat. Dit gas wordt onder een hoge druk geïnjecteerd en houdt het polymeer op druk totdat het polymeer gestold is. Dit gas drukt het polymeer tegen de wanden van de matrijs en minimaliseert zo krimp. Hierdoor kan krimp bij 150 MPa tot ongeveer 1.5% worden teruggedrongen en bij 250 MPa tot minder dan 1%. Als de druk nog verder wordt opgevoerd kan het zelfs zo zijn dat er negatieve krimp ontstaat, wat wil zeggen dat het blokje dus uitzet.


Figuur 4.2: Krimp blokje met gasinjectie van 250 MPa

De hoeveelheid gas die gebruikt wordt om de krimp tegen te gaan hoeft niet erg groot te zijn. Wanneer het blokje wordt gelost als het gas nog onder druk staat, kan het blokje exploderen, wat uiteraard niet wenselijk is. De druk van het gas moet dus voor het lossen van het blokje verdwenen zijn. Als de druk van het gas groter is, resulteert dit een grotere gasbel. Ook kan ervoor gekozen worden het switchoverpiont (polymeer gas wisselpunt) te veranderen. Hierdoor vormt zich een grotere gasbel en wordt er minder polymeer verbruikt. Na enige malen proberen met verschillende waardes, is er gekozen voor de automatische stand in Moldflow. Deze bepaald dus zelf wat het beste switchoverpoint is.


Figuur 4.3: Gasbel in blokje bij druk van 250 MPa







Figuur 4.4: Volume van het gas in % van het gehele volume ten opzichte van de tijd

Omdat het blokje uit twee componenten bestaat, is er een dubbele matrijs nodig. Er is een hele constructie nodig om alle vier de hoeken tegelijk te vullen met polycarbonaat. Bij de eerste simulaties in Moldflow ging het spuitgietproces niet goed vanwege een te hoge drukval in de kanalen van de aanspuiting. De maximale machinedruk van 180 MPa wordt bereikt, waardoor het blokje te vroeg stolt. Ook met een gasinjectie van 500 MPa lukte het niet alle vier de hoeken in een keer te spuiten.






Figuur 4.5: Spuitgietproces bij te dunne aanspuitkanalen maximale polymeerdruk 180MPa, maximale gasinjectiedruk 500 MPa

Om dit probleem op te lossen is met Unigraphics de matrijs aangepast, zodat alle holtes gevuld worden. Het probleem is te verhelpen door de injectiekanalen groter te maken.


B


Figuur 4.6: Verbrede aanspuit kanalen. De hoeken worden nu wel volledig goed gespoten bij een polymeerdruk van 152 MPa

ij het spuitgieten van de hoeken is er voor gekozen om geen gebruik te maken van spuitgieten met gasinjectie. Ten eerste omdat het volume erg klein is en ten tweede omdat het een mooier effect geeft wanneer er in het transparante polycarbonaat geen gasbellen zitten. Tijdens het spuitgieten loopt de druk nu op tot 152 MPa.
De krimp van deze hoeken valt erg mee, en ligt rond de 1 %. Het toevoegen van gas om de krimp tegen te gaan is dan ook overbodig. (zie figuur 4.7).


Figuur 4.7: De krimp van de hoeken is zeer gering, toevoeging van gas zou hier weinig effect hebben



Conclusie
Er is een blokje ontworpen wat voldoet aan de gestelde eisen. Voor dit blokje is een matrijs gemaakt en er is gekeken naar hoe het spuitgietproces in zijn werk ging.
Het ontwerpen van de matrijs ging gepaard met veel problemen. Dit komt onder andere doordat de matrijs 180 graden gedraaid moet worden om de doorzichtige hoeken te spuiten. Daarnaast is het plaatsen van de uitstoters lastig omdat er veel aanspuitkanalen zijn. Het polymeer dient uit de kanalen verwijderd te worden maar doordat vooral de aanspuiting van de ´X´ complex is, zijn er veel uitstoters nodig. Hiervoor moet wel ruimte zijn in de matrijs.
Met Moldflow is het spuitgietproces geanalyseerd. Het was niet vanzelfsprekend dat het blokje volledig gevuld zou worden met de polymeren. Door de aanspuitpunten te variëren en het al dan niet toevoegen van gasinjectie onder verschillende drukken zijn meerdere simulaties uitgevoerd. Na lang experimenteren is gekozen om het ABS van onderaf in het blokje te spuiten. Hierbij is gasinjectie gebruikt om de krimp tot een minimum te beperken. Het inspuiten van de hoeken bleek in eerste instantie niet te lukken. De benodigde druk overschreed de maximale druk die de machine kan leveren. Dit is opgelost door de vier aanspuitkanalen te verbreden. Dit proces vindt plaats onder een hogere druk dan nodig is bij de aanspuiting van het ABS. Dit is nodig omdat de kanalen langer zijn en meerdere hoeken maken zodat er grotere drukverliezen zijn.

Bijlage Technische tekening





De database wordt beschermd door het auteursrecht ©opleid.info 2017
stuur bericht

    Hoofdpagina