UNIVERSITATEA TEHNICǍ DIN CLUJ-NAPOCAFacultatea de Construcţii de Maşini

PROIECT DE SEMESTRU

TEHNOLOGII

NECONVENŢIONALE

Îndrumător Student

Ş.l. dr. ing. Răzvan Păcurar Danciu Gabriel

Gr.1131/1

2015

1. Tema proiectului

Tehnologii Neconvenţionale Proiect de semestru

Denumire reper: Corp mixer de bucătărie, Seria de fabricaţie : 30 bucăţi; Material :Plastic,Răşini

Fig.1.1. Modelul 3D al piesei

Fig.1.2. Desenul 2D al piesei cu principalele trăsături de formă şi gabarit

2. Cuprins

1. Tema proiectului……………………………………………………………..………….22. Cuprins………………………………………………………………………………….3

2

Tehnologii Neconvenţionale Proiect de semestru

3. Tehnologia clasică de fabricaţie………………………………………………………..43.1 Itinerarul tehnologic de fabricaţie al matriţei……………………………………....43.2 Dificultăţi tehnologice de prindere / realizare a matriţei…………………………..6

4. Tehnologia de prototipizare ……………………………………………………………64.1.Introducere.Prezentarea tehnologiei de prototipizare rapidă Vacuum Casting…….6

4.2.Principiul de lucru al tehnologiei de prototipizare rapidă Vacuum Casting………..8 4.3 Parametri tehnologici de bază care influenţează tehnologia de prototipizare rapidă ……………………………………………………………………………………...…...9

4.4. Avantaje şi dezavantaje ale tehnologiei de prototipizare rapidă utilizate în vederea

realizării matriţei ……………………………………………………...……………….12

5. Comparaţii între tehnologia convenţională (TC) şi tehnologia de prototipizare rapidă

(PR) analizată…………………………………………………………………………..12

6. Concluzii finale………………………………………………………………………...137. Bibliografie…………………………………………………………………………….13Anexe

3.Tehnologia clasică de fabricaţie

3.1. Itinerarul tehnologic de fabricaţie al matriţei

În tabelul 3.1 este prezentat itinerarul tehnologic de fabricație a unei matrițe realizate printehnologii clasice de fabricație.

Tabel 3.1.Itinerarul tehnologic de realizare al matriţei

NR Operaţii Descriere operaţie

3

Tehnologii Neconvenţionale Proiect de semestru

1 Realizarea modelului master

Fabricarea de piese stratificate (LOM) este o metodă defabricație în care modelul 3D este construit prin adăugarea,lipirea și tăierea secțiunilor, într-un ciclu care se repetăîncepând cu primul strat și terminând cu ultimul strat dinsecţiunea superioară a piesei.

2. Pregătirea suprafeţelor active alemodelului.

Pentru realizarea matriţei se va pregăti o suprafaţă plană pecare se va monta modelul, în vederea realizării marginilormatriţei. După montarea modelului se va realiza un ultimcontrol dimensional al acestuia. Suprafaţa modelului care va ficopiată de către matriţă, trebuie să fie lustruită cu pastă delustruit, astfel încât să aibă un aspect neted. De calitateasuprafeţei modelului şi de pregătirea acesteia depinde calitateasuprafeţei active a matriţei şi implicit calitatea produselor.

3 Demularea suprafeţei pieseipentru extragerea modelului

Se utilizează un agent de demulare de tip ceară care se aplicăîn minim patru straturi şi se lasă trei ore pentru uscare; apoi seaplică un ultim strat de alcool polivinilic care se lasă să se usuce15- 20 min.

4

Aplicarea gel-coatului

Pentru realizarea stratului de gel se folosesc gelcoat-uri specialepentru matriţe şi se activează gelcoaturile cu peroxizi înproporţie de max 2%. Aplicarea stratului de gel se va realizaprin şpreiere în două straturi. Se aplică un strat de gelcoat degrosime cuprinsă între 400-600 µm, se verifică grosimeastratului aplicat şi se lasă 5 minute pentru a ieși aerul, apoi seaplică al doilea strat pe direcţie perpendiculară faţă de direcţiaaplicării primului strat, de grosime cuprinsă între 400-600µmastfel încât grosimea stratului final umed să fie cuprinsă între800-1000 µm. Stratul de gel-coat se lasă să polimerizeze între 3şi 6 ore .

5Formarea matriţei

După polimerizarea gelcoat-lui se aplică un strat de răşinăpoliesterică pe pereții matriței. Stratul de răşină trebuie să fieomogen, fără bule de aer. Se aplică primul strat de material, defibră de sticlă M225 (225 g/m2), şi se impregnează manual curăşină poliesterică, lăsându-se un timp de 20-24 ore să sepolimerizeze. Se aplică un strat de mat de fibre de sticlă M300(300 g/m2), şi se impregnează manual cu răşină poliesterică,lăsându-se un timp de 20-24 ore să se polimerizeze. Seimpregnează în acelaşi mod, minim 5 straturi de material dearmare din mat de fibre de sticlă M450 (450 g/m2), pentrufiecare strat timpul de polimerizare de 20-24 ore trebuind a firespectat. La confecţionarea matriţelor este necesar să seobţină o grosime a peretelui matriței de aproximativ 6 mm.

6 Polimerizarea totală a matriței

După ultimul strat aplicat se lasă un timp de două săptămânimatriţa realizată pentru post-polimerizarea răşinii. Respectareaacestui itinerar tehnologic este obligatorie pentru a asiguramatriţei rezistenţă, astfel ca în timpul utilizării, aceasta să nusufere deformări.

7 Consolidarea După curațarea matriţei se face o consolidare a matriţei cu

4

Tehnologii Neconvenţionale Proiect de semestru

matriţei ranforsări (din lemn, din PAFS sau din ţeavă rectangulară,funcţie de cât de rezistentă se doreşte a fi matrița), care sefixează la exteriorul matriţei cu chituri poliesterice. Pesteranforsări se aplică încă un strat de mat M 450 şi seimpregnează cu răşină. O ultimă etapă care se realizează în vedereaconsolidării matriței constă în aplicarea unui strat de răşină protector care estelasat să polimerizeze.

8 Extragerea modeluluişi finisarea

matriţei

După întărire matriţa este extrasă de pe model (decofrare) cugrijă, folosind pene de extracţie flexibile din material plastic,astfel încât suprafaţa activă a matriţei să nu sufere zgârieturisau defecte de orice natură.Finisarea matriţei constă în operaţii de decupare a marginilor,de debavurare şi șlefuire a lor prin procesul de eroziuneelectrochimică, prin prelucrarea găurilor pentru asamblareaelementelor matriţei, etc.

9 Realizarea matriţeide închidere

Matriţa de închidere se va executa prin copiere după matriţaexterioară. Pentru a asigura între cele două matriţe spaţiul deformare având grosimea proiectată se va folosi ceară calibrată.Matriţa exterioară se va acoperi cu ceară , iar spaţiile rămaseneacoperite se vor umple cu plastilină. Pe ceara calibrată şi pemarginea matriţei exterioare se aplică răşina şi se formeazămatriţa de închidere respectând itinerarul tehnologic prezentatpentru realizarea matriţei prezentat in tabelul 3.1.

10 Realizarea canalelor pentrugarniturişi a orificiilorpentru injecţie şividare.

Pentru matriţele utilizate la procedeul de formare prin injecţiesub vid, se vor realiza orificiile pentru injecţie şi vidare care sevor prelucra prin găurire (cu ajutorul procesului de burghieresau eroziune electrochimică). Se montează, cu chit poliesteric şifibră de sticlă, ştuţurile care asigură, după asamblarea matriţei,racordarea la instalaţiile de vid şi de injecţie. Pe margineamatriţei exterioare, de formare prin injecţie, cu ajutorulprocesului de burghiere, în planul de separare, sunt prevăzutedouă canale care sunt realizate în timpul prelucrării matriței,aceste 2 canale constând in 2 țevi PVC,care ulterior suntîndepărtate. În aceste canale se fixeaxă prin lipire, garnituri deetanşare din cauciuc flexibil pentru procesul de vidare.

11 Pregătireasuprafeţei activea matriței

După realizarea matriţelor, suprafaţa activă a matriţei trebuiefinisată manual cu hîrtie abrazivă sau prin procesul de răzuirecare se poate executa manual sau automat, astfel încât să seasigure în final o suprafaţă lucioasă a suprafeței active amatriței. Pentru aceasta se vor şlefui suprafeţele active alematriței cu hârtie abrazivă, de granulaţie fină de la 300 până la2000 granulație, după care se vor lustrui părțile active alematriței cu pastă de lustruit.

5

Tehnologii Neconvenţionale Proiect de semestru

12 Tratarea matriţei După îndepărtarea impurităţilor rămase în urma finisării, care seface prin spălare cu un spray de curățare/agent curățarepolimeri şi uscare a suprafeţelor, se aplică pe suprafeţele activeceară demulantă în 4 straturi succesive cu ajutorul unor lavetedin bumbac şi se lustruiesc suprafeţele cu şifon. Tratareamatriţei se face în scopul asigurării extragerii produselor dinmatriţă. Acest tratament constă în:

3.2. Dificultăţi tehnologice de prindere / realizare a matriţei

Dificultă i întîmpinate în ceea ce priveşte realizarea matri ei se ț ț întâlnesc la fabricarea formei

matri ei care se efectuează manual, iar timpul necesar realizării formei matri ei este unul destulț ț

de ridicat, având în vedere i respectarea timpilor necesarii uscării straturilor de ră ini depuse.ș ș

O altă dificultate se întâmpină la extragerea modelului master din matri ă pentru a nu deterioraț

sau zgîria suprafa a matri ei. Finisarea matri ei prezintă o altă dificultate care apare în procesulț ț ț

de realizare al matri ei deoarece trebuie avută mare grijă sa nu se deterioreze matri a iț ț ș

suprafa a acesteia. În realizarea formei corpului de mixer de bucătărie o dificultate de fabricaț ieț

se întîmpină de asemenea la realizarea formei curbate a mînerului acestuia după cum se poate

observa prezentat în imaginea din Figura 3.1 .Realizarea mânerului mixerului din 2 bucă i de plastic sau ră ini, fabricate prin injec ie deț ș ț

material plastic i apoi îmbinarea acestora pentru a forma mânerul reprezintă o solu ie pentruș ț

fabricarea mânerului.

Fig. 3.1. Dificultă i de fabrica ieț ț

4.Tehnologia de prototipizare rapidă

6

Tehnologii Neconvenţionale Proiect de semestru

4.1. Introducere.Prezentarea tehnologiei de prototipizare rapidă Vacuum Casting

Turnarea sub vid este una dintre cele mai interesante şi spectaculoase aplicaţii de utilizare a

modelelor RP la dezvoltarea de produse noi care folose te un model stereolitografiat i o formăș ș

din silicon, care permite producerea unor piese turnate din poliuretan. În func ie deț

complexitatea prototipului se pot realiza de la 15 la 25 de bucă i folosind o formă de silicon .ț

O formă din silicon este plasată în interiorul camerei de vid i este umplută cu poliuretanș

printr-un canal de alimentare. În timpul acestui proces, aerul din structura materialului din

silicon este eliminat din interiorul formei din silicon.[1]

Fig 4.1 Piese realizate prin procesul Vacuum Casting de catre firma Schneider-International-[2]

În imaginile din Figura 4.1 sunt prezentate exemple de piese realizate de către firma

Schneider-International folosind ca procedeu Vacuum Casting. Se poate observa în prima

imagine, că la realizarea acestor piese destul de complexe s-au putut folosi inserții metalice

care pot avea diferite roluri. De exemplu în cazul acestui capac există inserate niște piulițe care

au rol în consolidarea piesei a pereților sau a marginilor acesteia. Se observă că ambele tipuri

de produse prezentate în Figura 4.1 au o formă geometrică destul de complexă care prin

tehnologiile clasice este mai greu de realizat, necesitând costuri mai mari,respectiv un timp de

realizare a piesei mai ridicat.

Acest procedeu de Rapid prototyping are desigur i unele limitări cum ar fi:ș

-nu este adecvat în cazul seriilor mari de piese de fabricat ,datorită flexibilită ii limitate aț

materialul plastic în procesul de turnare

7

Tehnologii Neconvenţionale Proiect de semestru

-necesită o aliniere foarte bună a celor 2 bucă i din care este formată matri a din cauciuc,atunci ț ț

când se realizează îmbinarea acestora.

Timpul standard de utilizare a matri ei din cauciuc siliconic este de până la 10 turnări în maiț

pu in de 10 zile.ț

Precizia standard ine de nivelul de toleran ă standard ± 0.3 % , cu o toleran ă minimă de ± 0.3ț ț ț

mm în cazul dimensiunilor mai mici de 100 mm [3]

Grosimea minimă a peretelui matri eiț este de cel pu in 0.5 mm pentru a asigura umplereaț

corectă a matri ei. ț

Dimensiunile maxime ale matri ei sunt limitate de dimensiunile camerei de vacuum (1900 xț

900 x 750mm ). Aceste dimensiuni se iau în considerare func ie de ma ina utilizată pentruț ș

realizarea procesului i funcţie de volumul produsului ( volumul maxim : 10 litri ).ș

Turnarea sub vid este o metodă rapidă, precisă şi necostisitoare de fabricare a pieselor

complexe din materiale plastice, în serii de 30-50 bucăţi. Această metodă de fabricaţie

reproduce cu fidelitate detaliile de formă şi calitatea suprafeţelor modelului RP utilizat ca

model master. [3]

4.2. Principiul de lucru al tehnologiei de prototipizare rapidă Vacuum Casting

Fig.4.2. Schema principiului de lucru a tehnologiei neconvenționale Vacuum Casting [4]

În figura 4.2 este prezentată schema de principiu a tehnologiei Vacuum Casting, unde se poate

observa că există o formă din silicon care este plasată în interiorul unei camere de vid care este

umplută cu poliuretan, rășină sau plastic printr-un canal de alimentare (reţea de turnare). În

8

Matrița din cauciuc siliconic

Tijă pentru agitare

Recipient cu material A

Recipient cu material B

Tehnologii Neconvenţionale Proiect de semestru

timpul acestui proces, pompa de vid scoate tot aerul din materialul gata de turnat din interiorul

formei din silicon. Aceasta permite realizarea unor piese care să reproducă cu fidelitate

detaliile de formă şi calitatea suprafeţelor modelului RP utilizat ca model master.

Folosind acest proces era posibil să se realizeze piese standard fără inserții metalice, precum și

piese fasonate ( prezoane sau alte inserții metalice care dau piesei finale o rezistență mai mare)

pot fi integrate în prototipul sau piesa finală perfect în timpul procesului de turnare .

4.3. Parametri tehnologici de bază care influenţează tehnologia de prototipizare rapidă

Parametri tehnologici de bază care influenţează tehnologia de prototipizare rapidă Vacuum

casting sunt: viteza de amestec, temperatura din incinta camerei de vidat, etc.[5]. Influenţa

acestor parametri asupra preciziei de realizare a unei micro-ro i din ate turnate a fost analizatăț ț

de către un grup de cercetători din cadrul Departamentului de Inginerie Mecanică, din cadrul

Universită ii Na ionale din Singaporeț ț .

Fig 4.3 Procedeu de turnare sub vid pentru micro – turnarea micro-ro ii din ate [ț ț 6]

Studiul i experimentul prezentat de către acest grup de cercetători în cadrul articolului intitulatș

„Micro-mould fabrication for a micro-gear via vacuum casting, care a fost publicat în cadrul

“Journal of Materials Processing Technology” în anul 2007 face referin ă la realizarea prinț

Vacuum Casting a unei micro-ro i care face parte dintr-un ansamblu al unui bra robotic,ț ț

9

Tehnologii Neconvenţionale Proiect de semestru

utilizând acest proces sub o altă formă mai exact, adică prin micro-turnare în micro-matri e dinț

cauciuc siliconic utilizând ca material ră ina de tipul MCP 6130.ș

În figura 4.3 este prezentat procedeul de turnare sub vid pentru micro-turnare, iar în figura 4.4

este prezentată micro-matri a din cauciuc siliconic.ț

Fig.4.4 Micro-matrița din cauciuc siliconic [6]

În cadrul experimentului realizat toate cavită ile micro- ro ilor din ate turnate în micro- matri eț ț ț ț

au fost din punct de vedere dimensional corecte şi apropiate de cele folosite drept modele

master realizate prin fotolitografie UV, cu o abatere dimensională mai mică cu 3 % fa ă deț

componentele realizate în prealabil. În figura 4.5 sunt prezentate desenul 2D i modelul 3D alș

micro-ro ii din ate realizate cu ajutorul softului Solid Works.ț ț

Fig 4.5 Desen 2D i model 3D al micro- ro ii din ate ș ț ț [6]

Astfel în urma corecturilor aduse din punct de vedere dimensional cu ajutorul programelor

CAD, micro- ro ile din ate au fost realizate cu succes în condi ii de vid în matri e din cauciucț ț ț ț

siliconic din materiale ca ră ina i ceară, acest lucru demonstrând astfel că micro – matri eleș ș ț

fabricate au fost capabile să producă astfel de micro-piese la nivel func ional.ț Acest lucru se

poate observa prezentat în figura 4.6 unde este prezentată piesa finită care a fost realizată prin

micro-turnare.Observând imaginea mărită din dreapta figurii 4.6 care a fost analizată cu

10

Tehnologii Neconvenţionale Proiect de semestru

ajutorul unui microscop (Microscopul cu polarizare Pol-1) s-a putut constata că de i piesaș

ob inută prin micro-turnare are dimensiuni foarte mici, aceasta a rezultat într-o stare foarteț

bună, neprezentând defecte de turnare.

Fig 4.6. Micro-roată dințată [7]

În continuare grupul de cercetători din cadrul Departamentului de Inginerie Mecanică au

utilizat pentru ob inerea micro-ro ii din ate i un alt tip de material cum ar fi ceara. ț ț ț ș Ca i înș

cazul ră inii, realizarea micro-ro ii din ate a reprezentat un succes, aşa cum se poate observaș ț ț

prezentat şi în figura 4.7. Realizarea acestei micro-ro i din ate care cu greu se poate observa cuț ț

ochiul liber a îndeplinit în final toate caracteristicile mecanice i dimensionale necesare uneiș

bune func ionări a acestei micro-ro i din ate.ț ț ț

Fig 4.7 Micro- roată din ată ț din ceară [7]

În urma experimentului realizat de către acest grup de cercetători din cadrul

Departamentului de Inginerie Mecanică de la Universitatea Na ională din Singapore, s-a pututț

constata că micro-turnarea sub vid a unei micro-ro i din ate este posibilă deoarece până înț ț

prezent realizarea unei astfel de micro-piese era posibilă, dar doar prin tehnologii clasice,iar

timpul necesar realizării acestor piese era unul foarte mare cu costuri de producţie de asemenea

foarte mari. De asemenea, ob inerea unor detalii foarte bine evidenţiate nu era foarte posibilăț

datorită dimensiunilor foarte mici ale acestor micro-roţi. Acest proces de micro-turnare a unei

micro-ro i din ate folosind ca procedeu de fabricare metoda Vacuum Casting a putut fi realizatț ț

11

Tehnologii Neconvenţionale Proiect de semestru

cu succes, în condi iile în care cu ajutorul tehnologiilor clasice, realizarea acestor piese dinț

materiale ca ceara sau ră ina erau destul de dificil sau chiar imposibil de fabricat [7]ș

4.4. Avantaje şi dezavantaje ale tehnologiei de prototipizare rapidă utilizate în vederea

realizării matriţei

Tabel 4.4 Avantaje și dezavantaje ale tehnologiei de prototipizare rapidă Vacuum casting

PR Avantaje Dezavantaje

Vacuum Casting

-timpul de fabricaţie al matriţelor este scurt costuri ridicate atât a materialelor utilizatecât şi a maşinilor speciale necesare.

- număr mic de etape necesare privindelaborarea și fabricaţia produsului finit

manipularea maşinilor speciale necesită o instruire specială a personalului care seocupa cu procesul de producţie

-are o aplicabilitate pe o scară din ce în cemai mai largă

În concluzie, după cum se poate observa şi din Tabelul 4.1, procedeul de prototipizare rapidă

Vacuum Casting se dovede te a fi un proces, nu foarte costisitor, având un timp de realizare aș

pieselor relativ scăzut. Acest proces este un proces de fabrica ie a pieselor care pe viitor va fiț

folosit pe o scară mai largă de către multe întreprinderi i fabrici din sectorul industrial.ș

5. Comparaţii între tehnologia convenţională (TC) şi tehnologia de prototipizare

rapidă (PR) analizată

Tabel 5.Comparații între tehnologia convențională și cea de prototipizare rapidă analizată

PR / TC Avantaje Dezavantaje

PR

-este o tehnologie de fabrica ie nu foartețcostisitoare

- nu este cunoscută deocamdată la fel demult ca i tehnologiile clasiceș

-realizarea piesei necesită un timp scurt nu este avantajoasă pentru o serie mare de fabrica ieț

- această metodă de fabricaţie reproduce cufidelitate detaliile de formă şi calitateasuprafeţelor modelului RP utilizat ca master.

TC

- realizarea matri elor nu presupune un cost de țproducţie ridicat

-timpul de fabrica ie este mai mare decat țcel al tehnologiei de prototipizare rapidă- necesită o S.D.V.-istică complexă

În concluzie, după cum se poate observa din Tabelul 5.1, tehnologia de prototipizare rapidă

Vacuum Casting începe sa câ tige cât mai mult teren în defavoarea celei conven ionale. Existăș ț

12

Tehnologii Neconvenţionale Proiect de semestru

însă un dezavantaj major, în sensul în care această metodă nu este încă foarte cunoscută la

nivel global.

6.Concluzii finale

Turnarea sub vid este una dintre cele mai interesante i spectaculoase aplica ii de utilizare aș ț

modelelor RP în procesul de dezvoltare al produselor noi. Turnarea sub vid este o tehnică

modernă care i-a dovedit oportunitatea i eficien a în această etapă de dezvoltare a produselorș ș ț

noi, mai ales în cazul seriilor mici de fabrica ie. În aceste condi ii turnarea sub vid oferă oț ț

metodă rapidă, precisă i necostisitoare de fabricare a pieselor complexe din material plasticș

sau ră ini, în serii de 30 până la 50 de bucă i.ș ț

7.Bibliografie

[1]http://www.schneider-international.net/en/prototyping/prototyping/plastic/vacuum-

casting/ -Data acesării:10.04.2015

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_casting_%28elastomers%29–Data

acesării:20.04.2015

[3] http://www.renishaw.com/en/vacuum-casting--15266- Data acesării:27.04.2015

[4] http://www.mtt-group.com/nylon-vacuum-casting.html Data acesării:-01.06.2015

[5]http://manufacturing.materialise.com/vacuum-casting-technical-specifications-0

Data acesării:-11.06.2015

[6]http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924013607004487-Data

acesării:21.06.2015

[7]http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780080965321005033-Data

acesării:29.06.2015

Anexele care însoţesc proiectul vor fi listate, în aceeaşi ordine în care sunt menţionate aceste

surse în cadrul capitolului Bibliografic de la final, şi se va trece cu pixul pe fiecare document /

print screen/ pdf/ articol (listat integral, nu doar prima pagină!) / carte (coperta + doar paginile

de unde s-au preluat informaţii în acest caz ), pe prima pagină unde începe Anexa respectivă:

13

Tehnologii Neconvenţionale Proiect de semestru

[1] Anexa 1

[2] Anexa 2

[3] Anexa 3

şi asa mai departe conform bibliografiei până la sursa bibliografică nr. [7]

Proiectul trebuie predat şi în format electronic pe CD (corp proiect + toate cele [7] anexe care îl

însoţesc – în acest caz, cărţile (în cazul în care nu sunt scanate) pot fi predate în format complet

(nu doar paginile care au fost consultate şi utilizate pentru redactarea proiectului!)

14