Ontwerp Gericht OnderwijsBlok 2.A 2007-2008

Casus

Ontwerpen in polymere materialen

Tutor: H.H. Clements

OGO-groep 11:

H.P.M. Arntz 0615023R.C Buruma 0614885S.A.M. Coenen 0617468J.C. Groen 0609513T. Janssen 0607344E.J.G.J. Kikken 0610501J.J.D. Timmermans 0615794

Eindhoven, 24 september 2007

Inhoudsopgave

Inleiding.....................................................................................................................................2De bouwsteen...........................................................................................................................3

Materiaalkeuze......................................................................................................................4De krachtenanalyse...............................................................................................................5Moldflow................................................................................................................................5De definitieve bouwsteen......................................................................................................7

Evolutie matrijs..........................................................................................................................8De aanspuiting......................................................................................................................9De uitstoting........................................................................................................................10De duikboten.......................................................................................................................12De koeling...........................................................................................................................13

De productie............................................................................................................................14Conclusie................................................................................................................................15

Bijlage 1 (krachtenanalyse).................................................................................................16 Bijlage 2 (technische tekeningen)……………………………………………………………….18

1

Inleiding

Ieder opgroeiend kind, jongen of meisje heeft wel eens met LEGO® gespeeld of met één van haar vele varianten. Deze producten zien er allemaal erg simpel uit, maar er zit een flinke lading kennis achter.

Aan ons is de opdracht gegeven een bouwsteen te ontwerpen, waarmee constructies kunnen worden gebouwd en dat makkelijk te construeren is. Het tweede probleem is om het blokje zo goed mogelijk te spuitgieten. Zodra een bouwsteen hieraan voldoet, zal het pas gekocht en veelvuldig gebruikt worden door de consumenten. Om dit te bereiken zullen er verschillende zaken moeten worden uitgezocht. Na het bepalen van het ontwerp zal er een materiaal worden gekozen. Belangrijk is dat met de bouwsteen makkelijk gebouwd kan worden, er zal berekend moeten worden of dit met het gekozen materiaal ook zo is. Het moet niet zo zijn dat kinderen de kracht niet hebben om de bouwstenen aan elkaar te koppelen. Zodra alles van de bouwsteen is bepaald, moet het productie proces worden vastgesteld. Er zal een matrijs moeten worden ontworpen waarin het spuitgieten goed verloopt. Om de ontworpen matrijs te testen wordt gebruik gemaakt van een simulatie programma. Een dure matrijs laten aanpassen omdat het niet goed is ontworpen is een onnodige fout.

Zodra dit alles is bepaald ligt er een product klaar, dat van goede kwaliteit is.

2

De bouwsteen

Het model is gebaseerd op een verbindingstechniek met een klem en een staaf mechanisme. Met deze techniek als uitgangsprincipe is een eerste model ontstaan. Dit bestaat uit een vierkant, waarvan de vier zijvlakken, om en om van een staaf en klem voorzien zijn. Zo kan aan elk vierkant een volgend vierkant geklemd worden, met een willekeurige hoek tussen de 180 graden ten opzichte van het andere vierkant.

Het nummer 11 van de groep is op de bovenkant verwerkt. Na overleg is besloten om de 11 open te laten, zodat de staafzijde hierin kan geklemd worden. Dit kan in zowel aan de onder- en bovenkant, bij beide enen.

Na dit ontwerp, is de verbindingstechniek ter sprake gekomen. Om te zorgen voor een betere verbinding, is gekozen voor een dubbelzijdige klem, zodat de staaf volledig omsloten zou worden. De stevigheid van de verbinding is groter en voor de vrijheid van de binding heeft dit geen gevolgen. De bouwsteen komt er uit te zien als in figuur 1 is te zien.

Na verdere brainstorm bleek er geen volledige kubus gebouwd te kunnen worden. Het laatste vlak, het deksel, kan namelijk niet sluiten zonder geweld te gebruiken, door de toepassing van de klemmen en staven. Twee kubussen aan elkaar zonder tussenvlak is echter wel mogelijk. Verder bleek het zinvoller te zijn om de boven- en onderkant van het model plat tegen elkaar te verbinden. Als bouwsteen is het hele ontwerp dan namelijk beter te gebruiken. Dus is er overgestapt op een plus en min verbinding, waarbij de ene 1 uitsteekt en de andere 1 uitgespaard is. Als verbindingstechniek wordt een klikmechanisme gebruikt, zoals dat bekend is van LEGO®. Om de vrijheid van deze verbinding te verhogen, is aan de onderkant een vierkant uitgespaard, waar de enen zowel in x- als y-richting geplaatst kunnen worden. Hiervoor zal wel een 1 gespiegeld moeten worden, zie figuur 2.

Het ontwerp staat nu in grote lijnen vast. Om tot het uiteindelijke ontwerp te komen, zijn er nog een hoop andere keuzes gemaakt.

Het ontwerp zelf is nog een aantal plaatsen aangepast. Zo komen de klemmen en staven niet om en om te zitten, dus zoals op de bovenstaande figuren is weergegeven. Hiervoor is gekozen, opdat het aantal bouwmogelijkheden zo groot mogelijk is. Verder worden de klemmen opgesplitst in twee delen. Zo kost het minder kracht om de staaf in de klem te duwen. Tevens biedt dit een extra bouwmogelijkheid. Nu is het mogelijk om

3

Figuur 1 Eerste impressie bouwsteen

Figuur 2 De stapel-verbinding

twee aangesloten vierkanten vast te maken aan een extra vierkant wat precies tussen deze twee in zit, zoals bakstenen in een muur. De hoeken van het vierkant worden afgerond, zodat er voor de veiligheid geen scherpe punten aan zitten. Het klikmechanisme in twee enen, zal in de uitsparing geplaatst worden. Het plaatsen van een dunne wand rondom de uitstekende enen zal te kwetsbaar zijn, aangezien het geheel uitsteekt en zo gemakkelijk kan breken. Een dunne wand in de uitsparing is beschermd en dus minder kwetsbaar.De samenstelling van het geheel bestaat uit één materiaal, maar er wordt wel gekozen voor twee verschillende kleuren. De bedoeling is om het linker halfvlak van het vierkant wit te maken en het rechter halfvlak rood. De uitstekende enen zullen een tegengestelde kleur krijgen. Dus de linkereen wordt rood en de rechter wit. In verband met het matrijsontwerp, staat dit nog niet vast. Er is ook aan gekleurd gas gedacht, in principe zal dit uitvoerbaar moeten zijn, dit zal dan een erg leuk effect geven. Maar aangezien het product nergens grote ruimtes heeft is het niet nodig en rendabel om gasinjectie te gebruiken.De afmetingen van dit geheel zijn als volgt. Het vierkant zal 50x50x10 mm groot worden. Het geheel, inclusief de klemmen en staven, zal grofweg 70x70x10 mm worden. Eerst zal met Unigraphics het ontwerp gemodelleerd worden. Na een krachtenberekening in dit programma voor de klemkracht en de vorm van de klemmen, zal hier meer duidelijkheid over komen. Tevens zal de plaatsing van de twee aparte klemmen op één zijde nader bepaald moeten worden, om optimaal te kunnen bouwen met de vierkanten.

MateriaalkeuzeIeder materiaal heeft zijn eigen materiaaleigenschappen, het is de bedoeling dat het materiaal met de beste eigenschappen voor het bedachte model gekozen word.

Polystyreen heeft een kleine breukrek en is dus bros, omdat de ontworpen bouwsteen klemmen heeft die gebruik maken van de rek van het materiaal is polystyreen ongeschikt. Als de klemmen open gaan zullen ze waarschijnlijk afbreken als het product van polystyreen uitgevoerd wordt.

Polypropyleen heeft de eigenschap dat het veel last heeft van krimp, dit komt doordat polypropyleen een semi-kristallijne structuur heeft deze kristallen hebben namelijk een een grotere dichtheid dan de kristallen van de amorfe polymeren. Het is de bedoeling dat het een mooi strak product gaat worden dus polypropyleen valt ook af.

Blijven polycarbonaat en ABS nog over. Polycarbonaat kwam beter uit de krachtenanalyse met NX dit was vooral te danken aan zijn hogere vloeispanning.Polycarbonaat staat ook bekend als buigzaam en nagenoeg onbreekbaar, geschikt voor klemverbindingen dus. De prijs is echter wel aanzienlijk hoger, maar dan is de afweging te maken tussen duurzaamheid en prijs. De keuze voor duurzaamheid is dan al snel gemaakt.

E-modulus (MPa)

Teksterkte (MPa) Rek bij breuk %

Prijs (€/kg) Vloeispanning (MPa)

PP 1100-1600 30-70 150-700 0,5-1,25 3PS 3000-3600 45-60 3-4 0,5-1,25 25PC 2000-2200 60-65 80-150 5-9 62ABS 1600-3000 20-50 15-30 1,25-3 45

4

Tabel 1 De eigenschappen van de beschikbare polymeren(Polymeren van keten tot kunstof, A.K. van der Vegt, L.E. Govaert 2003-2005)

De krachtenanalyseAangezien de te maken bouwsteen gebruik maakt van klemverbindingen is het noodzakelijk om de klemsystemen op kracht te analyseren, zodat duidelijk wordt of het klemsysteem de krachten aan kan. Wanneer het systeem het begeeft moet het nog enigszins aangepast worden.Bij de krachtenanalyse is gewerkt met het programma Unigraphics, hierbij werden krachten aangebracht om de klemsystemen zoals te zien is in de afbeeldingen aan de rode pijlen (zie bijlage 1 (krachtenanalyse)). Dit wordt gedaan met de applicatie strength-wizard.In de strength-wizard is het niet mogelijk om de klemmen een maximale uitwijking te geven en dan te kijken wat hierbij de kracht en spanning is. Er moet dus via trial and error gekeken worden bij welke kracht de gewenste uitwijking van de klem wordt bereikt en of hierbij de vloeispanning niet wordt overschreden. De klemmen moeten in totaal maximaal 1 mm uitwijken (per helft 0,5 mm) en alle wanden moeten maximaal 0,3 mm uitwijken, dit verklaart de displacements in de afbeeldingen.

Resultaten krachtenanalyseDoormiddel van deze methode zijn nog een aantal aanpassingen in de beide klemmen doorgevoerd zodat de vloeispanning niet meer bereikt wordt bij het inklemmen. De krachten die op de verschillende klemdelen komen te staan zijn grofweg:

De klem: 70 N (35 N per helft)Wand klein: 30 NWand groot: 120 N

Dit zijn nogal grote krachten die bij het bouwen dus door een kind geleverd moet worden. Hoewel de klemmen zo ongeveer gekopieerd zijn qua maten van een praktijktoepassing, later zelfs nog aangepast zodat de benodigde kracht aanzienlijk kleiner hoefde te zijn.Andere mogelijkheid voor de hoge waardes is dat de kracht in de werkelijkheid heel anders aangrijpt dan dat dit in Unigraphics te modelleren is. De kracht op de wanden loopt bijvoorbeeld langs het oppervlak van de wanden omlaag maar kon enkel gemodelleerd worden als een statische kracht frontaal verdeeld over het oppervlak. De kracht kon ook niet op een deel van het oppervlak geplaatst worden, terwijl de enen maar 3 mm hoog zijn en het rechte stuk van de wanden (waar de enen in komen) 4 mm. Het kost natuurlijk veel meer kracht om het wandje over de gehele 4 mm te belasten dan over 3 mm aan het uiteinde. Plus dat het maar een analyse is, in de praktijk is het altijd anders.

MoldflowEr moest voor het blokje het meest geschikte aanspuitpunt(en) gevonden worden. In moldflow kan dat gevonden worden door een aantal mogelijke aanspuitpunten te proberen en dan te kijken bij welke het blokje het beste is opgevuld, moldflow vormt namelijk een beeld van het gedrag van het ingespoten materiaal. Uit moldflow bleek dat er het beste in een van de hoeken kan worden ingespoten en het liefst tegen de wand aan. Door tegen de wand aan te spuiten vormt zich een soort ‘prop’ die zich dan uitspreid over het blokje en de boel gelijkmatig opvult. Het werken met meerdere aanspuitpunten (om dezelfde holte op te vullen) kan het best voorkomen worden, omdat waar de vloeifronten elkaar raken er luchtbellen en zwakke plekken kunnen ontstaan. Uit analyse van de resultaten bleek ook al snel dat het gebruik van GAIM niet erg veel nut heeft bij ons ontwerp. Het is namelijk maar een centimeter dik en heeft een aantal dunne uitsteeksels. Dit lijd er toe dat er maar iets van maximaal 10% gas ingespoten kon worden. Het effect is verwaarloosbaar en we hebben besloten geen gebruik te maken van GAIM.

Uit de analyses bleek ook dat de dunne wanden van het klemsysteem bij de enen, te dun waren bij de eerste versies van het model, zie figuur 3. De wanden werden of niet goed opgevuld, of het duurde zo lang dat de temperatuur te laag werd. Dus werden in het model de wanden in dikte aangepast.

5

Omdat het blokje in twee kleuren uitgevoerd word, met de enen in tegengestelde kleur als de achtergrond, word er als het ware steeds maar een half blokje gespoten. De eerste test zonder runner zag er goed uit. Het inspuitpunt ligt in de hoek (aangegeven met gele pijl) tussen een klem en een buis. In ongeveer 4 seconden is het blokje gevuld, waarbij de temperatuur van het polymeer binnen de grenzen van vast en vloeibaar blijft. Zoals je in figuur 4 kan zien word de klem het dichts bij het inspuitpunt als laatste volledig gevuld, maar omdat de temperatuur nog hoog genoeg is geeft dat geen problemen. Omdat de temperatuur nog redelijk hoog is als het blokje volledig gevuld is en we niet met het gas nog nadruk kunnen geven, zal er een zekere mate van krimp plaatsvinden tijdens het afkoelen. Om dat tegen te gaan moet het blokje geleidelijk worden afgekoeld.

Hierna is het blokje met de runner zoals die in de matrijs loopt getest.De inspuittijd is wat langer, ongeveer acht seconden, zie hiervoor figuur 5. Maar hoewel de temperatuur daardoor wat lager word tijdens het opvullen zal dat geen problemen opleveren. Ook de krimp van het blokje blijft binnen de perken het wordt nergens hoger dan 0.5% dit is te zien in figuur 6.

6

Figuur 3 Onopgevulde wanden

Figuur 4 De temperatuur aan het vloeifront

De definitieve bouwsteenHet uiteindelijke model komt er als volgt uit te zien, zie figuur 7

7

Figuur 5 Vultijd

Figuur 6 Krimp

Figuur 7 De definitieve bouwsteen

Evolutie matrijs

Aangezien het model een symmetrielijn heeft over de diagonaal, ligt het al snel voor de hand om de matrijs te laten draaien en het product in twee stappen te laten spuiten. In eerste instantie was het plan om het in 4 stappen te laten doen, waarbij de enen in de laatste 2 stappen bovenop het complete blok gespoten zouden worden. Aangezien het niet mogelijk is om de voormatrijs in hoeken van 90 graden te laten draaien, werd er gekozen voor een 2

stappen continue productie waarbij de voormatrijs 180 graden draait rond een symmetriepunt. Dit is mogelijk omdat de voor- en achtermatrijs beiden puntsymmetrisch zijn in het aanspuitpunt in het midden, zoals te zien is in figuur 9. De enen zouden nu wel tegelijkertijd mee gespoten moeten worden. Hiervoor is een brugconstructie bedacht, zodat de enen in een keer meegespoten kunnen worden (figuur 8). Met behulp van de stempels en de inserts is het toch mogelijk. De puntsymmetrie zorgde wel voor een hoop problemen, want alles moet gespiegeld zijn. Alles wat namelijk in het rechterdeel van

de matijs beweegt, moet ook in het linkerdeel (na draaiing) kunnen bewegen. Zo zijn de runnerbanen bijvoorbeeld alleen in de achtermatrijs verwerkt. De stempels en de runners zijn beide dubbel uitgevoerd, om een continu proces mogelijk te maken. Daarnaast zijn de uitstootpennen ook zo gepositioneerd dat het proces continue kan doorgaan. Met een hoop aanpassingen in het matrijsontwerp, viel uiteindelijk dus toch alles op zijn plaats.

8

Figuur 8 Brugconstructie

Het totale proces is, vanaf stap 7, continu. Beiden kanten van de matrijs worden benut, waardoor het rendement optimaal is.

De aanspuitingDe aanspuiting van ons 2-kleurig blokje wordt gedaan door 2 aanpuitingen, beide vanuit de voormatrijs. Zie figuur 10 voor de benamingen.Eerste aanspuitingDe eerste aanspuiting heeft een runner die door de gehele dikte van de voormatrijs loopt, om zo uit te komen in een kanaal dat loopt op de deellijn van de twee matrijzen. Deze runner is halfrond gemaakt, zodat er alleen gefreesd hoeft te worden in de voormatrijs en de 180 graden draaibaarheid van de achtermatrijs niet verloren gaat. Deze zou namelijk onmogelijk gemaakt worden, aangezien een 180 graden draaiing van deze eerste runner ervoor zou zorgen dat er ongewenst ook een deel vloeibaar polymeer in de tweede spuitstap geïnjecteerd zou worden.

9

Figuur 9 Bovenaanzicht achtermatrijs en onderaanzicht achtermatrijs

Tweede aanspuitingDe tweede aanspuiting injecteert op de deellijn, hierdoor kon er een halfronde runner door de voormatrijs geleid worden en de draaibaarheid, zoals bij runner 1, behouden blijven.

De uitstotingDe uitstoting is gerealiseerd d.m.v. een uitstoterpakket dat een de achtermatrijs bevestigd is. Dit pakket gebruikt stalen pennen om door de achtermatrijs heen te stoten en het product en alle runners uit de achtermatrijs te verwijderen.Om dit systeem te laten werken moest er een manier bedacht worden om ervoor te zorgen dat de runners en de blokken in de achtermatrijs gehecht blijven wanneer de twee matrijsdelen splitsen.

BlokBij de blokken is dit opgelost d.m.v. inserts die in de klemmen van het polymeerblokje kunnen bewegen en zo het blok vasthouden in de achtermatrijs, zie figuur 11. Deze delen blijven in het blokje geschoven wanneer de twee matrijsdelen van elkaar bewegen, dit zorgt ervoor dat het blokje in het matrijsdeel met de uitstoters blijft zitten en dat het halve blokdeel dat nog niet uitgestoten dient te worden in de matrijs blijft zitten tijdens de 180 graden draaiing.Verder functioneren deze inserts ook als gietdeel voor de klemmen van het blokje, aangezien deze klemmen niet gegoten konden worden in een onbeweegbare matrijs, deze zou de klemmen namelijk kapot trekken bij het openen van de twee matrijsdelen.

RunnerVerder moest er ook voor gezorgd worden dat de runners in de achtermatrijs achterbleven, zodat deze op de juiste wijze uitgestoten konden worden door de uitstoterpinnen. Dit is gerealiseerd door middel van conische uitsteeksels bovenop de runners (figuur 12), die door hun vorm blijven steken in de achtermatrijs en zo de runner lostrekken van de voormatrijs en verankeren in de achtermatrijs. Deze uitsteeksels worden dan later uitgestoten door uitstootpennen die zich erboven bevinden in de achtermatrijs.

10

Figuur 10 Benaming runners en duikboten

11

Figuur 11 De inserts in de klemmen

Figuur 12 Conisch uitsteeksel bovenop de runner

De duikbotenVerder is bij beide runners gebruik gemaakt van een zogenaamde duikboot, die ervoor zorgt dat er op de juiste plaats en met de juiste diameter wordt aangespoten. De hoek van 45 graden die deze duikboot maakt met de zijwand van het blokje heeft als functie dat de duikboot, wanneer de matrijs opent, netjes afgesneden wordt van het blokje d.m.v. een scherpe wand waarlangs deze dan omhoog bewogen wordt, figuur 13 toont dit alles.

12

Figuur 13 De duikboten

De koelingDe matrijs is voorzien van koeling om de krimp van het blokje te beperken en ook een snellere productie mogelijk te maken, door de verminderde afkoeltijd vóór het uitstoten.In de voormatrijs is er een ‘raamwerk’ van kanalen gemaakt om een zo gelijkmatig mogelijke koeling te realiseren, zie figuur 14. Verder is er één koelwater ingang en één koelwater uitgang, die aan de linker- resp. rechterzijde van de matrijs zitten, om een zo gelijk mogelijke koelwatertemperatuur over de twee spuitstations te bereiken.

In de achtermatrijs waar, door uitstootmechanismes, minder plaats voor koelkanalen voor handen is, is gekozen voor een driehoekig koelpatroon (figuur 15) aangezien het te koelen object een globaal driehoekige vorm heeft. Ook zijn de twee koeldriehoeken van elkaar gescheiden en hebben ze beide één in- en uitgang om verlies aan koelend oppervlak te compenseren met koeler water.

13

Figuur 14 Koeling voormatrijs

Figuur 15 Driehoekig koelpatroon achtermatrijs

De productie

De beginconditie is dat de voor- en achtermatrijs tegen elkaar aan zitten. Uitstootpakket 1 en 2 staan in de bovenste positie. Stempel 1 staat in de onderste positie. Dit betekent dat alle inserts naar buiten gericht staan, zodat er geen polymeer in een klemvorm gespoten kan worden. Figuur 16 dient ter verduidelijking van het komende.

1. Inspuiting polymeer voor het eerste halfblok via de achterkant van de achtermatrijs (lichtgrijs), waardoor het halfblok gevuld wordt.

2. Koeling via de voor- achtermatrijs van het halfblok.3. De voormatrijs trekt zich terug. Het halfblok zal hierin blijven zitten, aangezien de

inserts nog naar buiten staan.4. Uitstootpakket 1 (rood) met de uitstootpennen beweegt naar beneden en duwt de

runner uit de matrijs (de andere pennen duwen in de matrijs zelf en dus niet tegen het blokje zelf)

5. De voormatrijs draait 180 graden en beweegt zich weer tegen de achtermatrijs. 6. Stempel 1 (geel) zal zich terugtrekken, zodat er ruimte ontstaat om het hele blok op

te vullen. Stempel 2 (geel) zal zich in de onderste positie bewegen. Stempel 2 staat dan weer op de zelfde als stempel 1 stond.

7. Inspuiting polymeer voor beide blokken. Het ontstane halfblok wordt via de aanspuiting aan de zijkant van de achtermatrijs aangevuld zodat het hele blok klaar is. Tegelijkertijd wordt een halfblok gespoten, zoals in stap 1 beschreven is.

8. Koeling via de voor- en achtermatrijs van beide blokken.9. De voormatrijs trekt zich wederom terug. 10. Beide uitstootpakketten bewegen zich nu naar beneden. Allereerst zullen de inserts

naar binnen schuiven (oranje). Beide blokken zijn nu ‘vrij’. Het uitstootpakket met de uitstootpennen beweegt naar beneden waardoor het complete blok eruit geduwd wordt, inclusief beide runners. Net als stap 4 zal het halve blok in de voormatrijs blijven zitten.

11. De voormatrijs draait -180 graden, terug in de originele positie.12. Het continue proces begint weer opnieuw maar nu beginnend met stap 7

14

Figuur 16 De matrijs

Conclusie

Het door ons ontworpen model is een bouwsteen met vele mogelijkheden. Met een grote hoeveelheid bouwstenen zijn verschillende bouwwerken te maken. In figuur 18 worden de onbeperkte bouwmogelijk heden geïllustreerd, figuur 17 is een afbeelding van de werkelijke Milenium Falcon (Star Wars). Hij wijkt in zijn ontwerp af van alle andere reeds bestaande producten. Hij zal door zijn design zeker in het oog springen.

Om er ook een kwalitatief goede bouwsteen van te maken is gekozen voor polycarbonaat. Dit materiaal is buigzaam en nagenoeg onbreekbaar. Uit verschillende analyses zijn de maten van de bouwsteen lichtelijk aangepast zodat de stenen makkelijk aan elkaar gekoppeld kunnen worden. Nadat alle eigenschappen van de bouwsteen zijn vastgesteld is er een matrijs ontworpen, waardoor er op een verantwoorde manier geproduceerd kan worden.

15

Figuur 17 Millenium Falcon (Star Wars)

Figuur 18 Bouwvoorbeeld Milenium Falcon

Bijlage 1 (krachtenanalyse)

16

StressesYield = 62 MPaMaximum = 56,79 MPa

DisplacementsMaximum=0,5038 mm

17

StressesYield= 62 MPaMaximum= 40,48 MPa

DisplacementsMaximum= 0,2933 mm