SPECIALISATIEPROJECT. Groepsnummer: 13. Coach: Zoltan Rusak

IO2040

SPECIALISATIEPROJECT

Groepsnummer:

13

Coach:

Zoltan

Rusak

Wouter Dennis Rick Philip Olaf Bregje

Alberda Blok Blokdijk Hoogreef Kampinga Steenbeek

Groepsleden

Bedrijfsnaam: Proces:

1382322 1360507 1360922 1373870 1365126 1355813

Omefa Spuitgieten van kunststof

VOORWOORD Voor u ligt het specialisatieproject van groep 13, dat is gemaakt in opdracht van het vak Industriële Productie, IO2040. Het doel van deze opdracht was het verdiepen in een specifiek productieproces door middel van het bezoeken van een bedrijf. Hierna moesten we met deze productiemethode een product herontwerpen of ontwerpen waarmee we ons zouden verdiepen in dit proces en wat met deze techniek vervaardigd kan worden. Vooraf willen wij eerst onze dank uitspreken aan het bedrijf Omefa waarvan de eigenaar zeer behulpzaam en professioneel is geweest tijdens en na ons bezoek aan het bedrijf.

TU Delft – Industriële Productie

20-01-2009 2

INHOUDSOPGAVE

INLEIDING.......................................................................................................................... 4 PROBLEEMSTELLING ......................................................................................................... 4 PRODUCTIEPROCES........................................................................................................... 5 Het bezochte bedrijf ..................................................................................................... 6 PRODUCT .......................................................................................................................... 7 Productvisie .................................................................................................................. 7 Jaaroplage ..................................................................................................................... 7 MATERIAAL ....................................................................................................................... 8 ONTWERPEN ................................................................................................................... 16 SPUITGIETEN ................................................................................................................... 22 KOELTIJD ......................................................................................................................... 27 Beredenatie................................................................................................................. 27 Uiteindelijk ontwerp ................................................................................................... 29 Origineel ontwerp....................................................................................................... 29 TOTALE CYCLUSTIJD ........................................................................................................ 30 PRODUCTIE ..................................................................................................................... 30 KOSTEN ........................................................................................................................... 31 MARKETING .................................................................................................................... 39 CONCLUSIE...................................................................................................................... 40 AANBEVELINGEN OMEFA ............................................................................................... 41 Bijlage A .......................................................................................................................... 44 Bijlage B........................................................................................................................... 63 Bijlage C........................................................................................................................... 64 Bijlage D .......................................................................................................................... 65 Bijlage E........................................................................................................................... 66


20-01-2009 3

INLEIDING Het doel van dit specialisatieproject is het dieper ingaan op de relatie tussen een product en het daarvoor benodigde productieproces. Om hier goed op in te gaan hebben we eerst een productiemethode gekozen, namelijk spuitgieten, en vervolgens een bedrijf; Omefa in Nieuwkoop. Hier hebben we een rondleiding gekregen door het bedrijf, door de directeur, die we ook alles konden vragen. Tijdens onze rondleiding, en na wat voorbereiding vooraf aan de hand van de website, kregen we steeds meer inzicht op het spuitgieten van bioafbreekbare kunststoffen. Van Omefa kregen we veel informatie, en ook op de TU en internet was veel informatie voorhanden. Vervolgens moesten we een product bedenken wat we wilden ontwerpen met deze productiemethode. Na lang brainstormen en het bedenken van een aantal alternatieven, zijn we uiteindelijk gekomen op een kliksysteem van losse onderdelen (1 basisonderdeel) waarmee een klimrek voor klimplanten gemaakt kan worden, wat door de bioafbreekbaarheid samen met de plant kan worden weggegooid/gecomposteerd. In dit rapport zullen we beginnen met het formuleren van onze probleemstelling, om daarna het productieproces te behandelen. Opeenvolgend zullen we het product globaal beschrijven, een uitgebreid verhaal vertellen over biodegradable kunststof materialen, ons ontwerp toelichten, daar de benodigde druk en cyclustijd en andere belangrijke zaken voor berekenen, de productiegrootte uitleggen en ten slotte kijken we hoe we het product in de markt kunnen brengen. De grootte van de bijlage is vooral te danken aan de grote hoeveelheid bekeken en verwerkte informatie over de bio-afbreekbare materialen.

PROBLEEMSTELLING Aan de hand van ons bezoek bij het bedrijf Omefa, willen wij met een kunststof een product spuitgieten dat biodegradable is en de eigenschappen hiervan goed kunnen toepassen. Er worden allerlei materialen onderzocht die composteerbaar zijn, dus nog niet helemaal recyclebaar, maar het kan vergaan nadat het is verzameld. Waar we voor willen zorgen is dat er geen aparte verwijderingkosten of -tijd is van de kunststof. We hebben ontdekt dat de eindfase van de productlevenscyclus een groot effect op het milieu. Dit effect willen we tegengaan. Verder willen we onderzoeken of het mogelijk en handig is om het door ons ontworpen product met de gekozen productiemethode, spuitgieten, te maken.


20-01-2009 4

PRODUCTIEPROCES Spuitgieten (Injection Molding) Spuitgieten is een belangrijke techniek in de wereld van Industrieel Ontwerpen. Het is een veel gebruikte techniek om met hoge vormvrijheid complexe kunststof producten of onderdelen in grote kwantiteit te produceren. Spuitgieten omvat een breed materiaalspectrum. Alle kunststoffen, thermoplasten, thermoharders en elastomeren, kunnen spuitgegoten worden, al dan onder verschillende omstandigheden. Wanneer we kijken naar het spuitgieten van thermoplasten, bestaat het proces uit de volgende stappen. De meeste spuitgietbedrijven kopen granulaat (1) in, klein gesneden kunststof, enkelen maken dit zelf. Dit granulaat kan door het bedrijf zelf gekleurd worden door middel van kleurstoffen, waarna dit in de spuitgietmachine wordt gevoerd. Door een schroef (2) of ‘extruder’ wordt het granulaat in de spuitcilinder (3) geleidt, waar het wordt opgewarmd tot boven het smeltgebied van de kunststof, door warmte-elementen (4) en vooral door wrijving tussen de cilinder, het materiaal en de schroef. Een shot van voorbepaald volume wordt binnen enkele seconden onder hoge druk in de matrijs gespoten, waarbij de uitstoothelft (5) door de machine met veel kracht op de spuithelft (6) is vastgeklemd. In de matrijs koelt het product af tot de ‘Heat Deflection Temperature’, de temperatuur waarop het materiaal niet plastisch deformeert onder lage kracht, en dus kan worden uitgestoten. Hierop wordt de uitstoothelft met het product terug getrokken en het product door pennen, uitstoters (7), uit de matrijshelft gedrukt wordt en verder getransporteerd kan worden. Dit proces herhaalt zich steeds en de tijd dat dit duurt wordt de cyclustijd genoemd.

1 7

5

6

4

3

2

(Bron: CES EduPack 2008) Een nadeel van de massale productie van kunststoffen zijn de invloeden op het milieu. Door op grote schaal kunststoffen toe te passen met veelal olie als basis, spreken we van producten die niet afbreekbaar zijn en daarom voor grote afvalproblemen zorgen. Het doel van dit onderzoek is het uitdiepen van biologisch afbreekbare kunststoffen en het vinden van een logische toepassing hiervoor. Hieronder een plaatje van een spuitgietmachine van het merk ENGEL, om een beeld te geven hoe zo’n machine in elkaar zit. Links zijn de twee matrijshelft met het drukarm mechanisme links om ze tegen elkaar te duwen. Het rechter deel bestaat uit de aanvoer van het materiaal en het verwarmingsruimtes.


20-01-2009 5

Het bezochte bedrijf Omefa Omefa wordt geleid door de gebroeders Michael en Dizzy Soederhuizen. Het is een bedrijf dat gespecialiseerd is in het verwerken van kunststoffen door middel van het kunststofspuitgieten en het ontwikkelen en zelf bouwen van matrijzen, voor series tussen de 10.000 tot 100.000.000 stuks. Het bedrijf richt zich in het bijzonder op winkelinrichting, bouwproducten, medische toeleveringen en de verfindustrie. Omefa is meer als co-maker dan toeleverancier, ze ontwikkelt dan ook vaak samen met de klant een product. Materialen Het is mogelijk om producten te maken van 0,08 tot 3500 gram, in machines variërend tussen 22.000 tot 850.000 kilogram. De grotere machines zijn voorzien van robots om de cyclustijd te verkorten en Omefa hoopt in de toekomst grootse automatiseringen door te kunnen voeren om beter te kunnen concurreren. Omefa werkt met diverse kunststoffen, waaronder bulkmaterialen als PS, PP, PE, technische materialen als PC, PA, PA, POM, ABS en blends. Ook is het bedrijf bekend met glasversterkte en vlamwerende kunststoffen. Omefa staat bouwt haar matrijzen van doorgehard staal, veredeld staal en aluminium, welke een verband hebben met de levensduur waarvoor ze garant staat, respectievelijk 1.000.000, 200.000 en 20.000 cycli. Door te werken met een moedermatrijs waarin kleinere inzetdelen ingezet kunnen worden kan Omefa ook goed proefseries of kleine series realiseren. Ontwerpen Omefa geeft productadviezen en kan zorgen voor de verdere ontwikkeling en optimalisatie van producten in kunststof. Om de producten en de desbetreffende matrijzen te kunnen ontwikkelen wordt gebruik gemaakt van 3D-CAD programma’s, waarin de data gesynchroniseerd wordt met de apparatuur in de gereedschapsmakerij. Deze bestaat uit: * 4x CNC- freesmachines (Mikron, Deckel) * 2x 4- assig CNC gestuurde zinkvonkmachine (ONA, Agie) * 1x Draadvonkmachine (Fanuc) * Slijpbank, draaibank, coordinaten boormachine, etc. etc.1 Bijzonder Sinds kort is Omefa bezig met het ontwikkelen van bijzondere, te spuitgieten materialen. Voorbeelden hiervan zijn houtgevuld polypropeen, gerecycled PET en PLA, oftwel polymelkzuur. Met name het laatstgenoemde materiaal is interessant, omdat dit verkregen wordt uit maïs en een biologisch kunststof is. Vanwege het oog op klimaatsverandering en milieu is het wenselijk om alternatieven te onderzoeken in de kunststofwereld, welke toch voor een niet geringe vervuiling zorgt.

1

http://www.omefa.nl/index.php3?hoofdmap=home&submap=Gereedschapmakerij


20-01-2009 6

PRODUCT Productvisie In onze visie speelt het product een belangrijke rol bij het ondersteunen van klimplanten in de tuin. Dit product bestaat uit 1 enkel onderdeel waarmee een vorm gemaakt kan worden om kosten te besparen, maar waarmee toch een optimaal gewenste vorm voor de klimplant te verkrijgen is, aan te passen naar smaak. Als de plant vergaat of als deze niet meer gewenst is, kan de steun samen met de plant in de compostbak gegooid worden. Zowel de plant als de steun zijn dan te composteren. Dat wil zeggen dat ze samen in de groenbak gedaan kunnen worden, dan wel op de composthoop gedeponeerd kunnen worden. Hierdoor hoeven er dus geen extra handelingen plaats te vinden, zoals het verwijderen van eventuele plastic klemmen of andere plastic onderdelen. Jaaroplage In een bloemenwinkel worden al gauw vijf klimplanten per week verkocht. Als we aannemen dat dat in een jaar verdeeld wordt over 50 weken, vakantie erbij ingenomen, dan worden er per bloemenwinkel al 250 stuks klimplanten per jaar verkocht. Bij tuincentra wordt nog meer verkocht, vanwege een grotere opslagruimte en dus een grotere voorraad. Er zijn in Nederland al 3.500 bloemenwinkels2 waar klimplanten verkocht worden, dus zullen er al meer dan 500.000 planten verkocht worden. Als je naar een bekend tuincentrum zoekt zoals Intratuin, kun je vinden dat er 55 vestigingen zijn in Nederland3. Die zullen minimaal net zoveel klimplanten per week verkopen, en meegenomen dat er meerdere tuincentra zijn, zullen er toch minimaal 1.000.000 klimplanten per jaar gekocht worden. We zullen er niet van uit gaan dat gelijk iedereen een biodegradable klimrek wil kopen, maar degenen die het kopen, zullen wel een minimaal aantal producten kopen. Dit omdat je de producten aan elkaar kunt klikken en zo een constructie kunt maken. Een minimum van 10 producten voor de eerste aankoop is voldoende, de plant is namelijk als je hem koopt nog niet volgroeid. We gaan er van uit dat in de beginfase van uit dat minimaal 5% van de mensen die een klimplant koopt, een door ons gefabriceerd klimrek koopt. Er van uitgaand dat er minimaal 10 producten gekocht worden bij de eerste aankoop, zal een eerste productiebatch van 500.000 stuks reëel lijken.

2 3

http://www.retailtrends.nl/artikelen/?id=279 http://www.intratuin.nl/vestigingen.asp


20-01-2009 7

MATERIAAL Biologisch afbreekbare polymeren Biologische polymeren is niet zo zeer een speciale groep van polymeren, maar meer een familie van producten die sterk kunnen variëren van elkaar. Er bestaat niet een erkende definitie, maar de vereniging ‘European Bioplastics’ hanteert bijvoorbeeld twee verschillende groepen, namelijk: 4 -

Kunststoffen gebaseerd op vernieuwbare bronnen. Biologisch afbreekbare polymeren die aan alle criteria van wetenschappelijk erkende normen voldoen voor biologisch afbreekbare en composteerbare kunststoffen en kunststoffen producten. In Europa is dit de EN 13432 / EN 14995.

In beide groepen word een hoog percentage van vernieuwbare bronnen gebruikt. Hoewel de producten uit de eerste groep niet specifiek biologisch afbreekbaar of composteerbaar hoeven te zijn, hoeven de kunststoffen uit de tweede groep niet speciaal gemaakt te zijn van vernieuwbare bronnen. De huidige bio gebaseerde kunststoffen gebaseerd op vernieuwbare bronnen kunnen verdeeld worden in vier groepen, namelijk op zetmeel (TPS) gebaseerde polymeren, op melkzuur gebaseerde kunststoffen (PLA), Polyhydroxyalkanoaten (PHA) en kunststoffen gebaseerd op cellulose4. Deze kunststoffen worden het meeste toegepast bij het produceren van verpakkingen en producten voor de landbouw5. Kleurstoffen en toevoegingen kunnen ook geproduceerd worden op basis van vernieuwbare bronnen, waardoor sommige kunststoffen voor 100 procent biologisch en biologisch afbreekbaar geproduceerd kunnen worden4. Voor ons project willen wij een combinatie zoeken tussen deze twee groepen, we willen namelijk een kunststof gebaseerd op vernieuwbare bronnen welke biologisch afbreekbaar is, zie figuur 1. Hierdoor putten we de aarde niet uit met het produceren van ons product door afname van grondstoffen. De meeste bio-kunststoffen bieden de potentie voor de vermindering van energieverbruik en vermindering van uitstoot van broeikas gassen, complete productlevenscyclus en materiaalcyclus. Bio kunststoffen bieden vele mogelijkheden voor het optimaliseren van de levenscyclus5. Omdat deze kunststoffen sterk variëren hebben we onderzoek gedaan naar de verschillen, om tot een keuze te komen voor ons product. Per kunststof soort bespreken we de eigenschappen kort, waarna we een conclusie met argumentatie geven over onze keuze. Verder kan in de bijlage verschillende bedrijven gevonden worden die werken met deze kunststoffen, de kunststoffen waarmee ze werken en de eigenschappen ervan. (Zie Bijlage A: Bijlagen Materiaal)

In tabel 1 op bladzijde 15 zijn de overige kenmerken van dit polymeer te zien, zoals onder andere het gewicht, de prijs en het smeltpunt6. Figuur 1, indeling kunststoffen

4

http://www.european-bioplastics.org/index.php?id=129 Artikel, The Bio-Molding Test Program – A Collaborative Activity of Industry and University, Rolf Koster, Ludwig Cardon, Nick Gereels, Marcel Moerman, Kim Ragaert, Piet van Harten 5


20-01-2009 8

Biopolymeer gebaseerd op zetmeel Zetmeel is een natuurlijk voorkomende polysacharide uit glucose moleculen. De moleculeketens zijn korter dan die van cellulose en de bindingen tussen de suiker moleculen zijn verschillend. Zetmeel is dus een polymeer, het probleem is dat vele groepen zacht worden of oplossen in water. Echter, er zijn ook een paar die wel waterbestendig zijn. Zij behouden hun eigenschappen tijdens het gebruik, maar kunnen gecomposteerd worden in bepaalde omgevingen met bacteriën en een bepaalde luchtvochtigheid tot koolstofdioxide, water en vezelachtige overblijfsels6.

Figuur 2, Structuurformule zetmeel

7

Figuur 3, Spanning-Rek diagram

Er zijn al vele bedrijven die zich gespecialiseerd hebben in biopolymeren gebaseerd op zetmeel8. Op zetmeel gebaseerde thermoplasten (TPS) worden in vele toepassingen teruggevonden en zijn onder andere geschikt voor spuitgieten, thermovormen, en film extrusie. TPS is een zeer bros materiaal met een E-modulus (Young’s modulus) tussen de 0.24 en 1.5 Gpa. Dit betekend dat als de rek 1% opzij gaat, de spanning bij de kleinste E-modulus (en dus de minst stijle) 240 MPa omhoog gaat (zie figuur 3). Het materiaal gaat bij het vloeipunt (de Young’s Modulus) over in de plastische fase. Aangezien dit materiaal zo bros is en een vloeipunt heeft wat gelijk is aan de maximale treksterkte, is het elastische gebied zeer klein. Dit betekent dat het materiaal zeer snel plastisch en dus blijvend vervormd. Het heeft een breukrek tussen de 10 en 80 procent6. Het wordt dan ook voornamelijk toegepast bij producten met een korte levensduur en wegwerpverpakkingen. Verder worden er veel films van gemaakt. Hieronder is een lijst met veel voorkomende toepassingen. • Producten met een korte levensduur • Wegwerpverpakkingen (vervanging voor voedselverpakkingen) • Draagtassen • Etiketten • Producten voor in de landbouw (plantenpotten) • Kunststoffen speeltjes voor huisdieren (botten)

6

CES http://www.rug.nl/fwn/onderzoek/programmas/Scheikunde/vakDidactiek/betasteunpunt/leerlingen/ stoffenBibliotheek/struc/diversen/uvwxyz/z/zetmeel/index.htm 8 Biopolymer.net 7


20-01-2009 9

Biopolymeer gebaseerd op melkzuur Polymeren op basis van melkzuur ontstaan door de polymerisatie van Lactide-moleculen. Bij een bepaalde temperatuur en het toevoegen van een katalysator vormen de lactide-moleculen kleinere monomeren, die vervolgens polymeriseren en zo polylactide vormen, en als bijproduct water. Het natuurlijke melkzuur kan worden gewonnen uit maïs, graan of melk6.

Figuur 4, Monomeer van polylactide

R = methyl en x = O – 9 De toegevoegde katalysator kan chemisch zijn, maar ook deze kan biologisch afbreekbaar zijn, zodat het totale product toch 100% biologisch afbreekbaar blijft. Hetzelfde geldt overigens voor kleurstoffen (pigment), ook dit kan volledig biologisch afbreekbaar zijn en het kan zelfs biologisch worden geproduceerd. De meeste PLA’s composteren niet vanzelf, maar pas bij bepaalde omstandigheden; een hoge temperatuur, luchtvochtigheid en toevoeging van bacteriën (allen variabel per grade). Na het composteren blijven water en koolstofdioxide over. Ook voor deze soort biopolymeren zijn er al vele bedrijven die zich hebben gespecialiseerd op het produceren van PLA producten. Het materiaal wordt in uiteenlopende toepassingen gebruikt, zoals folie, vezels, thermogevormde of spuitgegoten producten. PLA zelf is vaak redelijk stijf en bros, maar door toevoegingen van ‘plasticizers’ worden de eigenschappen sterk verbeterd; de breukrek ligt tussen de 5 en 7 %, de E-modulus varieert tussen de 3,45 -3,83 Gpa en de treksterkte ligt tussen de 48 en 60 MPa, welke gelijk is aan het vloeipunt6. In figuur 5 is het spanning-rek diagram te zien.

Figuur 5, Spanning-rek diagram

Deze kunststof wordt in zeer uiteenlopende toepassingen gebruikt: - Chirurgisch hechtdraad e.d. - Wegwerpverpakkingen - Gebruiksvoorwerpen 9

http://www.hycail.com/pages/engels/features.html


20-01-2009 10

Biopolymeer - PHA Net als zetmeel en melkzuur is ook PHA een in de natuur voorkomende polymeer. PHA staat voor Polyhydroxyalkanoaten en het zijn polyesters, die worden geproduceerd door de bacteriële fermentatie van suikers of vetten, verkregen uit soja-, maïs- of palmolie. De mechanische eigenschappen van PHA’s kunnen erg verschillend zijn, omdat er meer dan 100 verschillende monomeren gecombineerd kunnen worden. Het materiaal kan dus een erg brosse en stijve thermoplast zijn, maar ook een heel flexibele elastomeer6. De meest gebruikte en verder door ons behandelde typen binnen de PHA’s zijn PHB’s, ofwel Polyhydroxybutyraten, waarvan de eigenschappen overeenkomen met polypropeen (PP), hoewel het stijver en brosser is. In tegenstelling tot de meeste andere biopolymeren is PHB relatief goed tegen water en goed tegen UV-straling bestand, maar minder tegen zuren en basen6,10.

Figuur 6, Structuurformule van P3HB (poly-3-hydroxybutyraat), de meest voorkomende PHB10 Net als voor de bovengenoemde bioplastics zijn er ook voor PHB’s al bedrijven die het materiaal kunnen leveren, hoewel deze soort nog wat meer in opkomst is. PHB is vaak ook redelijk stijf en bros, maar door toevoegingen kunnen de eigenschappen veranderen; minder bros en stijf bijvoorbeeld. De algemene waarden voor PHB zijn: de breukrek ligt tussen de 6 en 25 %, de E-modulus varieert tussen de 0,8 -4,0 Gpa en de treksterkte ligt tussen de 35 en 40 MPa, welke gelijk is aan het vloeipunt6. In figuur 7 is het spanning-rek diagram te zien.

Figuur 7, Spanning-rek diagram

10

Wikipedia


20-01-2009 11

Biopolymeer gebaseerd op cellulose Cellulose (zie figuur 8), het belangrijkste bestandsdeel van een plantaardige celwand, is een van de meest voorkomende natuurlijke stoffen. The grootste bron van industriële cellulose is hout, dit bestaat qua gewicht voor 40 tot 50 procent uit cellulose. Cellulose vezels die uit hout geïsoleerd zijn hebben vaak ketenlengtes van tussen de 500 en 2000 glucose eenheden. De regelmatigheid van de celluloseketens en de sterke waterstofbindingen tussen hydroxygroepen en naburige ketens resulteert in een onoplosbaar kristallijn materiaal.

Figuur 8, Structuurformule cellulose11 Door deze sterke interacties tussen de moleculen vertoond cellulose geen kunststofeigenschappen en thermische vervorming/ontleding voordat het materiaal verwerkt wordt door middel van verhitten. Door substitutie van de hydroxy-groepen met grotere groepen, zoals nitraat of acetaat, worden de sterke inter-moleculaire krachten verminderd wat resulteert in een verhoogde oplosbaarheid en zachtheid van het materiaal. Door het toevoegen van weekmakers, laag moleculair gewicht moleculen die een specifieke interactie vertonen met polymeren, kan deze kunststof geproduceerd worden. De eerste kunststof gebaseerd op cellulose was cellulose nitraat, ontwikkeld in 1862. Deze grade heeft een substitutiegraad van 1.9-2.0 nitraat groepen per glucose-eenheid en een gemiddelde mate van polymerisatie van 200-500. Het kan gebruikt worden voor kunststofproducten na toevoeging van kamfer en een weekmaker. Cellulose nitraat, evenals andere kunststoffen met een hoge substitutiegraad zoals cellulose acetaat, cellulose propionaat en cellulose acetaat butyrate zijn niet gemakkelijk biologisch afbreekbaar. Dit doordat de biologische afbreekbaarheid van cellulose stijgt met de toename van de grootte van de substitutiegroepen. Cellulose acetaat, wat veel gebruikt wordt voor bijvoorbeeld tandenborstels handvatten en kammen, is zeer langzaam biologisch afbreekbaar. In 1892 leidde een nieuwe productiemethode tot de productie van rayon vezels en een paar jaar later tot te productie van cellofaan. Dit cellofaan kan geproduceerd worden met glycerol of ethyleen glycol. Cellofaan geproduceerd met glycerol en geen verdere toevoegingen of coatings is vochtgevoelig en snel biologisch afbreekbaar. De composteerbare kunststoffen die voor 100 procent op cellulose gebaseerd zijn, zijn op de markt gebracht onder de naam Eviron Plastic TM. Deze zijn geschikt voor meerdere toepassingen, zoals spuitgieten en worden gebruikt in de kunststofindustrie11. Cellulose is een redelijk bros materiaal met een E-modulus (Young’s modulus) tussen de 1.6 en 2.0 GPa en een vloeipunt (Yield strenght) tussen de 25 en 45 MPa. Dit betekend dat als het materiaal 1 % wordt uitgerekt, de spanning bij de kleinste E-modulus (en dus de minst steile) 1600 MPa omhoog gaat. Het elastische gebied stopt echter bij een waarde tussen de 25 en 45 Mpa, waarna hij overgaat in de plastische fase. Met een breukrek (Fracture toughness) tussen de 5 en 50 % is er bijna geen elastisch gebied en gaat dit snel over in plastische en blijvende vervorming6. In figuur 9 is het spanning-rek diagram te zien.

11

http://www.springerlink.com/content/k70287312j615p02/fulltext.pdf


20-01-2009 12

Figuur 9, Spanning-rek diagram Hieronder een lijst met veel voorkomende toepassingen6: • Gereedschaphandvatten • Stuurwiel • Pennen • Cellofaan


20-01-2009 13

Gekozen kunststof: PLA Nu elke groep biokunststoffen apart besproken is, kunnen we de eigenschappen op een rijtje zetten en vergelijken. Het vergelijken van deze kunststoffen is redelijk lastig, doordat ze zeer brede eigenschappen hebben. Echter, alle biologische kunststoffen zijn tamelijk bros en hebben een klein elastisch gebied. Nu moeten we de beste keuze maken welke voldoet aan onze eisen. We zien dat zetmeel een bros materiaal is, met een erg brede breukrek tussen de 10 en 80 procent. Dit materiaal gaat snel over in blijvende vervorming, kan niet veel spanning aan en kan niet ver elastisch vervormen. Het vloeipunt ligt namelijk tussen de 16 en 22 MPa, wat het laagste is van alle vier de groepen. Zetmeel kan dus de minste spanning aan en gaat het snelst over in blijvende vervorming. Verder lossen de meeste zetmeel kunststoffen op in water en wordt deze kunststof voornamelijk gebruikt voor producten met een korte levensduur. Als we kijken naar de eigenschappen in tabel 1, zien we dat het een van de duurdere materialen is. De glas temperatuur, wat de overgang is van vast naar ‘rubber’ stadium doordat de hoofdketens rotatievrijheid krijgen, ligt erg laag. Dit is zeer onhandig voor ons product, aangezien het buiten in de openlucht staat, waar het in de zomer toch warmer kan worden dan 20 graden. PHA is een materiaal met redelijk goede eigenschappen als we kijken naar de externe invloeden van het milieu en heeft een breukrek tussen de 6 en 25 procent. Met een hogere Emodulus dan op zetmeel gebaseerde kunststoffen loopt het elastische gebied steiler. Ook heeft deze kunststof een hoger vloeipunt dan zetmeel. Namelijk tussen de 35 en 40 MPa. Toch is ook dit materiaal zeer stijf en bros. Het gaat snel over in blijvende vervorming. Het heeft een glas temperatuur die nog lager is dan die van zetmeel en gaat dus snel over in ‘rubber’ fase. Dit materiaal is ook nog erg nieuw en er vinden nog veel ontwikkelingen plaats, dit maakt het dan ook een van de duurdere materialen waar nog weinig over bekend is. Cellulose heeft een breukrek tussen de 25 en 45 procent en een E-modulus tussen de 1600 en 2000 MPa. Met deze eigenschappen ligt het materiaal ongeveer tussen zetmeel en PHA in. Cellulose is echter zeer langzaam biologisch afbreekbaar, afgezien van cellofaan producten. Ons product wordt een stuk dikker dan cellofaan, waarmee cellulose geen geschikt materiaal is voor onze toepassing. Ook moet cellulose veel behandelingen ondergaan voordat het spuitgegoten kan worden, waardoor de cyclustijd langer wordt en het product duurder. Ons product moet echter goedkoop zijn aangezien het aan het einde van het gebruik toch in de groenbak gegooid wordt. Ondanks zijn goede eigenschappen betreffende het gebied externe milieu invloeden is dit materiaal dus niet geschikt voor ons product. PLA heeft de hoogste E-modulus en het hoogste vloeipunt, echter wel het kleinste elastische gebied. PLA kan wel de grootste kracht aan voordat het overgaat in blijvende vervorming, het vloeipunt ligt namelijk tussen de 48 en 60 MPa, wat hoger is dan alle andere kunststoffen. Hoewel de breukrek het laagste is, tussen de 5 en 7 procent, nemen wij aan dat het product geen spanning gaat ervaren die hoger ligt dan dit vloeipunt. Als we naar het laagst mogelijke vloeipunt kijken, is dit namelijk 48.000.000 Pa is, wat gelijk staat aan 480 bar. Dit staat weer gelijk aan 4800 N/cm2 wat 480 keer zoveel is als de luchtdruk. De aanname dat ons product deze kracht niet zal evenaren is dus een redelijke aanname. Verder is PLA de goedkoopste kunststof van deze vier, wat een belangrijke eis is aan het product. Door de lage kosten, hoger liggende vloeipunt en goede eigenschappen betreffende externe milieu factoren is PLA de beste keuze voor ons product. Het kan goed tegen zwakke zuren, wat zeer handig is aangezien het product buiten staat, ook in de regen. Ook de maximum oppervlakte temperatuur en glas temperatuur zijn gunstig voor dit product waardoor het de temperaturen die bereikt zullen worden in de tuin goed aankan.


20-01-2009 14

Gekozen grade5 Er zijn al vele onderzoeken gedaan naar bio kunststoffen en hun eigenschappen. Een samenwerking tussen de TU Delft, University college Ghent en ABB Automation Product heeft onderzoek gedaan naar de moldability en product eigenschappen voor verschillende combinaties van product geometrie, mold details, spuitgiet instellingen en materialen. De belangrijkste spuitgiet parameters die onderzocht zijn waren de temperatuur profielen, de hoogtes van de instellingen samen met de plasticizer en de injectie snelheid instellingen. Er zijn verschillende testen gedaan, zoals een impact test en onder verschillende injectie temperaturen. De grade die hier het beste uitkwam, was de PLA Biopearls M106. Dit materiaal brengt brede proces mogelijkheden mee met de bestaande matrijzen, had goede resultaten in de impact test (zie figuur 10) als er geen deelnaad was. Bij ons product zal wel een deelnaad aanwezig zijn, maar zeer dun en klein, waardoor dit weinig effect zal hebben. Deze grade is volledig biologisch afbreekbaar en voldoet aan de Europese norm EN 13432.

Figuur 10, Beste impact test uitslagen verkregen met exemplaar Bekerhouder. *Geeft geen breuk of geen volledige breuk aan.2 Tabel 1, Eigenschappen bio-kunststoffen6

Zetmeel (TPS)

PLA

PHA

Cellulose

Dichtheid (Kg/m )

1.26 e3 – 1.28 e3

1.21 e3 – 1.25 e3

1.23 e3 – 1.25 e3

980 – 1.3 e3

Prijs (Eur/Kg) Smeltpunt (C°) Glas temperatuur (C°)

2.37 – 2.61 136 – 180 10 – 20

1.36 – 2.73 160 – 177 56 – 58

2.18 – 2.73 115 – 175 4 – 15

2.67 – 2.94

Maximum oppervlakte temperatuur (C°)

60 – 80

70 -80

60 – 80

52.9 – 89.9

Moldability Zoet water Zout water Zwakke zuren Sterke zuren Zwakke base Sterke base Organische oplossingen

4–5 Gemiddeld Gemiddeld Gemiddeld Zeer slecht Gemiddeld Zeer slecht Slecht

4–5 Goed Goed Goed Zeer slecht Goed Slecht Gemiddeld

4–5 Goed Goed Slecht Zeer slecht Goed Slecht Slecht

3–4 Zeer goed Zeer goed Goed Gemiddeld Goed Gemiddeld Gemiddeld

E-Modulus (Mpa) Vloeipunt (Mpa) Maximale Treksterkte (Mpa)

240 - 1500 16 - 22 16 - 22

3450 - 3830 48 - 60 48 - 60

800 - 4000 35 - 40 35 - 40

1600 - 2000 25 - 45 25 - 50

Breukrek (%)

10 tot 80

5 tot 7

6 tot 25

5 tot 50

3


-9.15 – 107

20-01-2009 15

ONTWERPEN Inleiding Als input voor het ontwerpen hebben we ons basis idee en de ontwerprichtlijnen uit de werkdocumenten. Het begin zal enkel bestaan uit het tekenen van concepten en principeoplossingen. Ons design-team heeft zich daarom gericht op het ontwikkelen van een ideaal concept. In dit hoofdstuk zal stap voor stap duidelijk worden welke besluiten we hebben genomen en vanwege welke redenen. Schetsen Het product dat we willen maken zal gaande weg zijn definitieve vorm krijgen. De eerste dagen na het vastleggen van een productvisie hebben we besteed aan het maken van schetsontwerpen, om zowel het uiteindelijke gebruik als de constructieve aspecten te bepalen. Allereerst beschrijven we de verschillende bevestigingspunten waarmee we de constructie wilden opbouwen (figuur 11). Vervolgens keken we naar de vormen die we met ons product wilden maken (figuur 12). Telkens zorgde nieuwe ideeën voor andere oplossingen en vice versa.

Figuur 11. Diverse ideeën om onderdelen aan elkaar vast te koppelen.

Figuur 12. Diverse ideeën om vormen te maken uit de onderdelen.


20-01-2009 16

Richtlijnen Gedurende de Masterclasses van Industriële Productie hebben we een aantal ontwerprichtlijnen opgesteld waar we ons product aan moeten laten voldoen. Deze richtlijnen zijn tevens een weerspiegeling van onze leerervaringen met dit vak. Het was onze taak om de “do’s and don’t’s” van het spuitgieten te leren kennen en te gebruiken bij het ontwerpen van een kunststof product. Allereerst hebben we algemene spuitgiet principes op een rijtje gezet waar we in elk geval mee te maken zullen krijgen. Om snel door alle kenmerken van het spuitgieten te kunnen bladeren hebben we deze handige tabel gemaakt (figuur 13).

Afmetingen

groot klein diep

Matrijs

Lossing

Groot

Klein

Inspuiten

Hoge viscositeit Groot product

Matrijs

Afwerking

Oppervlakte

Naden/vliesjes

Uitstoten

Uitstoten

Opvangen

Dure matrijs, krachtige machine, veel materiaal, lange cyclustijd Lastige matrijs bewerking (in geval van kernen), Dure mal, dure vonk-erosie behandeling, lastige uitstoting Product moet lossend zijn (minimaal 3° lossend), kernen maken matrijs duur en cyclustijd langer, duikboot-aanspuiting wanneer een zijde mooi moet zijn Warmte moet kunnen ontsnappen, veel koelingskanalen, veel uitstootpunten, lange aanspuitkanalen Meerdere producten in één matrijs Langere cyclustijd, meer druk, grotere sluitkracht, dikkere aanspuitpunten, hot runner Meerdere aanspuitpunten, hoe langer de weg – hoe moeizamer het kunststof zich verspreidt, om gaten heen verzameld het kunststof zich – mogelijke breuklijn (zwakte) Lucht moet kunnen ontsnappen, 2K of 3K is mogelijk, holte mogelijk met gasinjectie elke oppervlakte ruwheid andere bewerking, zichtbare producthelften meeste bewerking, inmould labeling Handmatige nabewerking (schuren, zagen, knippen) kost geld, liefst niet zichtbaar op product, hoe minder nabewerking – hoe duurder de matrijs Product moet gekoeld zijn, product mag niet plastisch vervormen door uitstootpennen, uitstootpunten zitten aan de matrijshelft die opent vanaf de aanspuithelft Product mag niet kapot vallen, robot-arm kost geld, handmatig sorteren/inpakken betekent arbeidskosten

Figuur 13. Tabel met ontwerprichtlijnen voor spuitgieten.


20-01-2009 17

Besluitvorming Een gemaakte definitieve keuze voor je productontwerp moet zowel door middel van designals technische aspecten gemotiveerd kunnen worden. Met andere woorden, we willen dat het eruit ziet zoals wij willen, maar het moet ook aan de ontwerprichtlijnen voldoen die we hebben opgesteld. Wij hebben uiteindelijk gekozen voor een product dat bestaat uit één onderdeel, en een aantal vormen kan aannemen, die voor de consument aantrekkelijk moeten zijn. De wijze waarop we dat zullen verwezenlijken is in de figuren hieronder te zien. Hier is de bevestigingsconstructie te zien (figuur 14) en daarnaast de vormen die ermee te maken zijn (figuur 15).

Figuur 14. De bevestigingsuiteinden passen op deze manier altijd op elkaar.

Figuur 15. De vormen die met het product te maken zijn.


20-01-2009 18

Met dit idee zijn we gaan SolidWorks-en en zijn we op een eerste model gekomen (Figuur 16). Aan de hand van dit model hebben we diverse constructies voor klimplanten in elkaar geknutseld (Figuur 17). Zo is te zien dat er met dit eenvoudige product toch relatief complexe vormen gemaakt kunnen worden. Het idee van zo’n constructie is dat het in de aarde wordt gestopt voor stevigheid. Verdere bevestigingen zijn niet nodig, omdat het schuin tegen een wand aan wordt geplaatst. Op deze manier zullen de klimplanten zich een weg banen door om ons product en zorgen voor een prachtaanzicht in de tuin. Figuur 16. Eerste model eindproduct.

Figuur 17. Mogelijke klimplant constructies.

Aan de hand van dit model zijn we vervolgens begonnen met berekeningen te maken voor onder andere de materiaalkosten, cyclustijd en spuitdruk. Al gauw liepen we tegen een probleem aan. Het bleek namelijk dat de cyclustijd tegen de 10 minuten aan zat, wat onacceptabel is, aangezien we jaarlijks ongeveer 500.000 producten willen afzetten. Deze lange cyclustijd wordt bovendien veroorzaakt door de maximale dikte die bij ons 12mm is. En dat terwijl het een gegeven is dat 5mm al veel is om te spuitgieten. Het is dus zaak dat we ons model zo aanpassen dat dit probleem opgelost wordt. Met de veranderingen die we hiervoor zullen toepassen zal ook nog materiaal bespaard worden en dus kosten.


20-01-2009 19

Berekenen en verbeteren Hier hebben we schematisch weergegeven welke berekeningen en getallen we voor het eerste model en voor het aangepaste model hebben en wat het verschil er tussen is. Gegevens materiaal: Dichtheid = 1.23E3 kg/m3 Prijs = 2.00 €/kg Gegevens oude model

Gegevens nieuwe model

Volume = 26 744.16mm3 Maximale productdikte = 12.00mm Massa = 32.90g Materiaalkosten = €0.066

Volume = 13 381.86mm3 Maximale productdikte =3.00mm Massa = 16.46g Materiaalkosten = €0.033

Verschil in volume = 13 362.30mm3 Verschil in massa = 16.44g Verschil in prijs = €0.033 Berekening koeltijd

Berekening cyclustijd (2x koeltijd) Cyclustijd = Als we zeggen dat de cyclustijd twee keer de koeltijd bedraagt, is de Verhouding oud en nieuw concept = 16:1 Zoals uit bovenstaande gegevens duidelijk wordt is er een aanzienlijk verschil tussen het eerste en tweede ontwerp. Het volume is gehalveerd waardoor de materiaalkosten en het gewicht van het nieuwe ontwerp ongeveer de helft zijn van de die van het oude ontwerp. Het is verbazingwekkend dat onze berekeningen een verschil tonen van 16 maal een kortere cyclustijd. Dit is op zich wel logisch, want de maximale wanddikte verschilt ook al een factor 4 en dit blijkt een kwadratische verhouding. Het probleem dat we hierbij moesten zien te voorkomen is het verliezen van sterkte van het product. Daarom hebben we een kruisvormige basis aangehouden die voor voldoende stevigheid moeten zorgen. We hebben geen methodes gebruikt om deze sterkte uit te rekenen, omdat onze aandacht voornamelijk gericht is op de TU Delft – Industriële Productie

20-01-2009 20

productie van dit concept. Omdat we wel een indruk willen geven van onze constructie hebben we een paar SolidWorks Drawings gemaakt om enkele doorsneden te bematen (Figuur 18).

Figuur 18. SolidWorks Drawing van het definitieve model.


20-01-2009 21

SPUITGIETEN Matrijsvorm Wij hebben de matrijs vormgegeven nadat er eentje gekozen is die geschikt is voor ons product. Dit bleek de 90/350-spuitgietmachine te zijn, waarin de afstand tussen de kolommen 220x220mm is. Deze maten hebben we in de matrijs meegenomen, zowel de locaties waar zich koelkanalen kunnen bevinden (Figuur 19). In de figuur is tevens te zien op welke plaats we het granulaat zullen injecteren.

Figuur 19. De dimensies van de matrijs met het product erin gepositioneerd.

Vervolgens hebben we een figuur gemaakt waarop de uitstootpunten staan gelokaliseerd (Figuur 20). In totaal zijn het vijf punten die zijn geplaatst waar ze volgens ons het belangrijkst zijn, omdat daar het product de meeste weerstand ondervindt tijdens het lossen.

Figuur 20. Aanspuitpunten.


20-01-2009 22

Spuitgietmachine De machinekeuze wordt bepaald door de volgende factoren: schotgewicht sluitkracht spuitdruk plastificeercapaciteit openloopweg opspanmaten (Bron: Construeren in kunststoffen CIK/SPG, M15 Kostprijs, 2008) Belangrijke elementen die we kunnen berekenen zijn de spuitdruk, sluitkracht en shotgewicht. Aan de hand hiervan kunnen we een machine kiezen uit een lijst, waar we kunnen checken of het gekozen type ook voldoet aan de overige eisen. Spuitdruk De druk in de matrijs ziet er als volgt uit

Hierbij is p1 de inspuitdruk en p2 de achterdruk in de matrijs. Uit een bron van NatureWorks hebben we p2 gevonden als ‘Back Pressure’12

Omgerekend naar Pascal komen we op

Pa

De lengte l is de afstand van het aanspuitpunt to het langste uiteinde in het product. Voor ons product is dit overal gelijk: 12

http://www.natureworksllc.com/product-and-applications/ingeo-biopolymer/technicalresources/~/media/Product%20and%20Applications/Ingeo%20Biopolymer/Technical%20Resources/Technical%20D ata%20Sheets/TechnicalDataSheet_3001D_pdf.ashx


20-01-2009 23

aanspuiting

l We kunnen de volgende formule gebruiken om de druk te berekenen:

∆p is het drukverschil p1-p2, μ is de viscositeit en Φv is de vloeistofstroom (debiet). We willen een inspuittijd van 1,5 seconden. (Door proberen in de volgende formules komt dit getal als beste uit) Het volume van ons product is bekend en we krijgen een debiet van: > Φv =

m3/s 2 5

5 2

5

We hebben ons product vereenvoudigd tot de volgende doorsnede. We hebben de volgende aannames gemaakt om de berekening overzichtelijk te houden: De doorsnede is overal gelijk, ook bij de uiteinden en de aanspuiting De onder- en bovenkant lopen niet taps toe De breedte b en de dikte d delen we op in twee rechthoeken van 2*12 en 2*10mm De waarde voor de viscositeit is gehaald uit onderstaande grafiek, waar de meeste gemiddelde waarden liggen van verschillende PLA 100 –70 grades. We gaan uit van een waarde van μ = 5*102 Pa*s Omdat de kunststof in 4 richtingen geperst wordt, nemen we de aan dat de druk met 4 vermenigvuldigd wordt. Toegang en ervaring tot software zijn vereist om dit nauwkeurig te kunnen oplossen.


20-01-2009 24

Bron13 Als we dit invullen krijgen we de volgende waarde voor de spuitdruk:

Omdat we vereenvoudigingen hebben toegepast, zal de werkelijke druk hoger worden omdat de doorsnede niet constant en de vorm complexer is. Met een foutmarge van 5% komen we op een druk van 98 MPa. Sluitkracht De minimale sluitkracht is gelijk aan het product van de maximaal optredende druk [N/m2] en het effectieve oppervlak [m2]. (Bron: IO2040 Industriële Productie, werkcolleges 4.1/4.2: Het spuitgieten van thermoplasten, pagina 6 van 21, 2008) Een druk van 98 MPa wordt dus verdeeld over het deelvlak van de matrijs. Het deeloppervlakte is 3433*10-6 m2 wat ons brengt op een sluitkracht van 336kN. Slagvolume Het slagvolume van ons product is een volume van 13381,86 mm3, ofwel 13381,86*10-3 cm3 en 13381,86*10-9 m3. Schotvolume Het schotvolume is het theoretische inspuitvolume (ook wel aangeduid als slagvolume) x de inspuitdruk. Dit komt overeen met een volume van 13381,86 mm3 13381,86*10-9 m3*98*106Pa = 1311,3 Nm (Bron: Construeren in kunststoffen CIK/SPG, M15 Kostprijs, 2008)

13

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TFD-4RR1NSV1&_user=499885&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C000024500&_version=1&_urlVersion= 0&_userid=499885&md5=c65ed04b779e8922459a80645b3dbaaa


20-01-2009 25

Keuze

De machine die overeenkomt met onze eisen is Type 90/350. De Spuitdruk is genoeg met een verschil van 30 MPa, een veilige marge, en de sluitkracht met een verschil van 20kN. Ook de matrijsmaten voldoen, waar een matrijs van ten minste 200mm niet te groot is voor het product van 150 mm. Type 40/150 en 90/200 voldoen net niet aan onze eisen, de overige machines zijn te krachtig voor wat wij nodig hebben.


20-01-2009 26

KOELTIJD Om de cyclustijd te berekenen voor ons gekozen materiaal PLA, moeten we eerst de koeltijd berekenen. Dit kan met de volgende formule:

t koel =

8 T −T d2 ⋅ ln( 2 ⋅ p m )[ s] 2 π a π Tu − Tm

(Formule 1)

Hiervoor moeten we eerst de warmtevereffenings-coëfficiënt, de letter a in de formule, weten. Hiervoor heb je de formule:

a=

λ ρ ⋅c

(Formule 2)

In het programma CES Edupack 2008 kun je al heel veel gegevens halen over een materiaal. Ook al hebben we het materiaal PLA, we hebben het gespecificeerd tot grade M106. Tijdens de berekening gaan we desalniettemin uit van het ‘normale’ PLA, aangezien over de grade verder geen details bekend zijn. De waarden van de warmtegeleiding λ, de dichtheid ρ en de soortelijke warmte c zijn respectievelijk 0.125 [W/mK], 1.23e3 [kg/m3] en 1,195e3 [J/kgK]. (Bijlage B)

Beredenatie Temperaturen De temperaturen die we willen weten zijn de temperatuur van de smelt bij aanvang (Tp), die van matrijswand (Tm) en de maximale uitstoottemperatuur (Tu). Zo hebben we een tabel t.b.v. de berekening van de smelttemperatuur. (Bron: IO2040 Industriële Productie, werkcolleges 4.1/4.2: Het spuitgieten van thermoplasten, pagina 9 van 21, 2008)

Hierin staat de Tp van PP (PolyPropyleen), 200-300ºC. Als we in CES kijken naar het materiaal PP, staat alleen de smelttemperatuur, die op een temperatuur komt van 150-175 ºC. In die tabel staat ook een Tp van LDPE en HDPE, respectievelijk van 170-300 ºC. Waar in CES een materiaal PE gevonden kan worden met een smelttemperatuur van 125-132 ºC. De conclusie hieruit is dat de temperatuur van de smelt bij aanvang gemiddeld 50 ºC hoger moet liggen dan de smelttemperatuur. Voor ons materiaal zullen we dus een Tp aannemen van 210ºC, aangezien de smelttemperatuur van PLA 160-177 ºC is. Dit om ervoor te zorgen dat de temperatuur van de smelt bij aanvang hoog genoeg is om het materiaal vloeibaar te houden en er dus voor te zorgen dat deze tijdens het inspuiten niet vroegtijdig afkoelt. De temperatuur van de matrijswand (Tm) wordt gedurende het afkoelproces constant verondersteld. Ook hiervoor kunnen we conclusies trekken uit de bovenstaande tabel. Bij de helft van de genoemde materialen is deze temperatuur 10-30% van de Tp, en bij de andere


20-01-2009 27

helft 10-50%. Uit dit patroon halen wij een gemiddelde reële waarde van 25%. Bij PLA komen we dan uit op een temperatuur van de matrijswand Tm van 55ºC. Om de uitstoottemperatuur te bepalen, kijken wij naar de ‘Maximum Service Temperature’ uit CES. Dit is de maximale temperatuur waarbij het materiaal nog niet plastisch vervormd. Bij PLA is deze waarde 70-80ºC. Om te zorgen dat ons product niet vervormd als het wordt uitgestoten, gaan we uit van een uitstoottemperatuur Tu van 60ºC. Koeltijd Beredenering Als we al deze voorgenoemde waarden in de formules 1 en 2 invullen, krijgen we het volgende:

Koeltijd Beredenering

Totale cyclustijd beredeneerd Omdat we een koeltijd hebben van afgerond 30,4 seconde, gebruiken we een vuistregel om de cyclustijd te bepalen. Hierin stellen we dat de koeltijd 50% is van de totale cyclustijd. (Bron: IO2040 Industriële Productie, werkcolleges 4.1/4.2: Het spuitgieten van thermoplasten, pagina 8 van 21, 2008) Dit brengt op ons een cyclustijd van 60,8 seconden.


20-01-2009 28

Uiteindelijk ontwerp Na verder onderzoek naar het gekozen materiaal, het PLA, grade M106, is er uiteindelijk meer informatie te boven gekomen. Hierdoor hebben we bijvoorbeeld een Matrijstemperatuur kunnen vinden, die in plaats van de beredeneerde 50-55ºC nu 20ºC is (Bijlage C). De temperatuur van de smelt bij aanvang blijft hetzelfde, 210ºC, want in deze informatie staat een smelttemperatuur van 200ºC. De uitstoottemperatuur daarentegen is ook lager (Bijlage D), die nu op 50ºC ligt. Met deze nieuwe gegevens, doen we een herberekening.

Koeltijd PLA M106

Origineel ontwerp Bij het eerste ontwerp hadden we nog geen reductie van het materiaal gedaan. Eerst was het idee om een vol rond product te maken, met connectiestukken aan de uiteindes. Hierna hebben we van dit ronde een ‘plus’-vorm gemaakt, om materiaal te besparen. Hieronder een berekening zonder materiaalreductie.

Koeltijd origineel

Zoals uit de berekening te zien is, wordt de tijd per product aanzienlijk langer. In plaats van 17.5 seconden wordt de tijd nu 280.6 seconden, een verhoging van 16 keer.


20-01-2009 29

TOTALE CYCLUSTIJD We hebben een koeltijd van afgerond 17.5 seconde, maar de totale cyclustijd ligt hoger. We kunnen van de vuistregel dat de koeltijd 50% is van de totale cyclustijd uitgaan, maar we kunnen het ook berekenen. De totale cyclustijd is een opsomming van koeltijd, vultijd en uitwerptijd. We hebben eerst ontdekt dat voor het spuitgieten van het product, een aanspuittijd haalbaar is van 1.5 seconde. We gaan uit van een uitwerptijd en sluitingstijd van totaal 5 seconden. Hierdoor komt de totale cyclustijd op 24.0 seconden.

PRODUCTIE Het duurt voor het maken van één product 24 seconden, dit zijn 0,042 stuks/sec. Dit komt overeen met 150 stuks/uur. Voor een jaaroplage van 500.000 stuks, is zeker 3333.33 uur nodig om te produceren. Bij het bezochte bedrijf is het mogelijk spuitgietmachines 24 uur per dag te kunnen laten draaien (Bron: Omefa), hierbij blijven de machines ’s nachts aanstaan waarbij er geen medewerker aanwezig is. De volgende dag wordt er een kwaliteitscontrole uitgevoerd met behulp van een steekproef. (Zie Bijlage E: Excursie Omefa) Met 365 dagen in een jaar en 24 uren per dag, zijn er 8760 uren per jaar. Met een benodigd aantal uur van 3333.33, moet de jaaroplage binnen vijf maanden gehaald kunnen worden, mits de machines 24 uur per dag aan blijven staan.


20-01-2009 30

KOSTEN Gereedschapskosten Teken- en/of constuctiekosten Hieronder zijn begrepen de kosten die noodzakelijk zijn voor het maken van alle tekeningen. De constructie-uren bedragen 15 - 25 % van de aanmaakuren en het detailleren maakt ongeveer 70 % uit van de constructie-uren. Door te werken met voorgedrukte tekeningen van ombouw en matrijsdelen kan tijd bespaard worden, aangezien de constructeur hierin dan enkel bepaalde maten moet inschrijven. Hiermee hoeft de constructeur hooguit enkele uren bezig te zijn.

Materiaalkosten Omdat onze matrijs vrij klein is, maakt dit materiaal slechts een klein gedeelte van de matrijsprijs uit. We kunnen bij deze materialen gemakkelijk uitgaan van standaardafmetingen. Door standaard maten te bestellen kan het materiaal snel en goedkoop geleverd worden. We hebben de materiaalkosten van de matrijs via Omefa door gekregen, die 3.000,- Euro bedraagt.

Man- en machinekosten Gegevens Tarief machineoperator: Tarief gereedschapsmakerij: Tarief constructiebureau: Bedieningsverhouding: Cyclustijd: Seriegrootte:

= € 30/uur kmo = € 50/uur kg kcon = € 60/uur 1 operator op 3 spuitgietmachines tc = 35 seconden sg = 500.000

Kosten per uur van beschikbare spuitgietmachines: Type: Uurtarief:

90/350 € 12.50

Voor het schatten van de maakuren van een spuitgietmatrijs gebruiken we de methode van Maillard uit Frankrijk. Het geheel berust op normen die ontstaan zijn door een aantal jaren urenvergelijkingen te maken, deze te toetsen aan de praktijk en ze bij te sturen. Voor het vaststellen van de benodigde uren om een matrijs aan te maken, wordt uitgegaan van drie tabellen, waarin vermeld staan de tijd, die nodig is voor: Het maken van een holte: oppervlak van de buitenomtrek van het product is 34.33 cm2.

Tabel

en

Het

geprojecteerde

Tabel II: 25 < Aproduct < 40 cm2 en 12 punten: 68 - 85 uur Eenvoudig product: 68 uur Kosten van holte wordt dan: Kh: 68 × 50 = € 3400 Tabel I, Het maken van de ombouw: Samenstellen en proefspuiten van de matrijs: TU Delft – Industriële Productie

Tabel IIII en Tabel IIII, Tabel . 20-01-2009 31

De holte In de tabel voor de bepaling van de uurinhoud voor een holte (Tabel II) is de benodigde tijd voor het vervaardigen van speciale hulpgereedschappen, zoals bijvoorbeeld kopieermallen, profiel-frezen, profielslijpstenen en vonkdoornen inbegrepen. De benodigde tijd voor het aanbrengen van een specifieke, voor het product vereiste oppervlaktestruktuur, als hiervoor geen vonkgereedschap gebruikt wordt, is niet meegenomen. Punten voor de holte: 1. 2a. 2b. 3. 4. 5. 6.

Tabel I

De buitenomtrek is ongedefinieerd De inwendige structuur is gering De grondvorm is ingewikkeld Het product is lossend, dus geen schuiven Alleen het deelvlak Tolerantie: nauwkeurig De oppervlaktegesteldheid voor toonbankartikelen

3 punten 1 punt 3 punten 1 punt 1 punt 1 punt 2 punten ────── Totaal aantal punten: 12 punten Puntentabel voor het maken van een holte


20-01-2009 32

Het geprojecteerde oppervlak van de buitenomtrek van het product is 34.33 cm2. Tabel II: 25 < Aproduct < 40 cm2 en 12 punten: 68 - 85 uur Eenvoudig product: 68 uur Kosten van holte wordt dan: Kh: 68 × 50 = € 3400 Tabel I Uurinhoud voor het maken van een holte


20-01-2009 33

De ombouw De ombouw bestaat uit de platen waaruit het geheel is opgebouwd en waarin de holtes zijn ingezet. Hierbij hoort de wijze van aanspuiten, de manier waarop de aanspuiting wordt verwijderd en de wijze van uistoten. Verder hoort hier nog de mechanische voorzieningen, de temperatuurbeheersing en de mechanische eisen bij. Daar de uren in tabel X uitsluitend betrekking hebben op het benodigde aantal maakuren, zijn er nog specifieke materiaalkosten die apart meegenomen moeten worden, onder andere. Daar de uren in de tabel uitsluitend betrekking hebben op het benodigde aantal maakuren, zijn er nog specifieke materiaalkosten die apart meegenomen moeten worden, onder andere: - Thermokoppels - Drukopnemers - Cilinders, die nodig zijn om schuiven of uitstootmechanismen te bedienen - Speciale hotrunnerneuzen of hotrunnerbalken die ingekocht worden Thermokoppels, drukopnemers en speciale hotrunnersneuzen zitten niet in deze desbetreffende matrijs. Verder is ons product geheel lossend waardoor er ook geen cilinders toegevoegd hoeven te worden. 1. De aanspuiting is centraal op een plaats 2. aanspuiting wordt automatisch verwijderd 3. De uitstoter is normaal 4. Geen mechanismen 5. De temperatuurbeheersing is normaal 6. De mechanische sterkte is normaal

1 punt 2 punten 1 punt 1 punt 1 punt 1 punt ────── Totaal aantal punten: 7 punten

Tabel II

Puntentabel voor het maken van een ombouw


20-01-2009 34

Het totaal aantal punten bedraagt dus 7. Het totaal geprojecteerde oppervlak bij een eenvoudige matrijs is gelijk aan het totale geprojecteerde oppervlak van de buitenomtrek van het product, deze bedraagt 34,33 cm2. Uit tabel IV volgt dan een aantal uren van 62. De totale kosten van de ombouw volgen dan uit het product van het aantal uren en de arbeidskosten van een gereedschapsmakerij. De totale kosten van de ombouw worden dan: Ko = 63 x 50,- = 3150,Tabel IIII

Uurinhoud voor het maken van de ombouw

OMBOUW Punten →

6

7

8

9

10

11

12

13

14

↓ opp.vl. cm2 x n 0 -

10

49

58

70

83

99

117

137

159

184

10 -

16

50

59

71

84

100

118

138

161

186

16 -

25

51

60

72

85

101

120

140

163

188

25 -

40

53

62

74

88

104

123

144

167

193

40 -

60

55

65

77

91

108

127

149

173

199

60 - 100

60

70

82

97

115

135

158

183

210

100 - 160

67

78

91

107

126

147

172

198

228

160 - 225

74

86

100

117

137

160

186

215

246

225 - 400

93

107

123

143

166

193

223

257

293

400 - 625

116

132

151

175

202

232

268

307

350

625 - 900

141

160

182

209

241

276

318

363

412

900 - 1225

168

189

214

245

281

322

369

420j

476

1225 - 1600

194

217

245

280

320

365

417

475

537

1600 - 2025

218

243

273

311

354

404

460

522

590

2025 - 2500

237

263

295

335

381

432

491

557

629


20-01-2009 35

Uit tabel V kunnen we afleiden dat de tijd voor montage en proefspuiten 14.5 uur is. De totale kosten voor de montage en proefspuiten worden dan: Kmon = 14.5 x 50,- = 725,Tabel V

Ureninhoud montage en proefspuiten

Montage en proefspuiten Punten van de ombouw Punten holte

7

t/m

9

10

t/m

16

Oppervlakte cm3

6

7

8

9

10

11

12

13

14

0 - 100

8

9

10

11

12

13

14

15

16

100 - 225

9

10

11

12

13

14

15

16

17

225 - 400

11

12

13

14

15

16

17

18

19

400 - 625

13

14

15

16

17

18

19

20

21

625 - 900

16

17

18

19

20

21

22

23

24

900 - 1225

19

20

21

22

23

24

25

26

27

1225 - 1600

22

23

24

25

26

27

28

29

30

1600 - 2025

25

26

27

28

29

30

31

32

33

2025 - 2500

28

29

30

31

32

33

34

35

36

0 - 60

13

14,5

16

17,5

19

20,5

22

23,5

25

60 - 100

14

15,5

17

18,5

20

21,5

23

24,5

26

100 - 160

15

16,5

18

19,5

21

22,5

24

25,5

27

160 - 225

17

18,5

20

21,5

23

24,5

26

27,5

29

225 - 400

21

22,5

24

25,5

27

28,5

30

31,5

33

400 - 625

25

26,5

28

29,5

31

32,5

34

35,5

37

625 - 900

31

32,5

34

35,5

37

38,5

40

41,5

43

900 - 1225

36

37,5

39

40,5

42

43,5

45

46,5

48

1225 - 1600

41

42,5

44

45,5

47

48,5

50

51,5

53

1600 - 2025

45

46,5

48

49,5

51

52,5

54

55,5

57

2025 - 2500

49

50,5

52

53,5

55

56,5

58

59,5

61

60

26

28

30

32

34

36

38

40

42

60 - 100

27

29

31

33

35

37

39

41

43

100 - 160

29

31

33

35

37

39

41

43

45

160 - 225

31

33

35

37

39

41

43

45

47

225 - 400

36

38

40

42

44

46

48

50

52

400 - 625

43

45

47

49

51

53

55

57

59

625 - 900

49

51

53

55

57

59

61

63

65

900 - 1225

57

59

61

63

65

67

69

71

73

1225 - 1600

63

65

67

69

71

73

75

77

79

1600 - 2025

69

71

73

75

77

79

81

83

85

2025 - 2500

74

76

78

80

82

84

86

88

90

0 -

17

t/m

21


20-01-2009 36

Het maken van de matrijs kost.

K m = K o + K h + K mon 3150 + 3400 + 725 = 7275 Euro Km matrijskosten Ko kosten van de ombuw Kh kosten van één holte van de matrijs Kmon - Montage en proefspuitkosten De totale kostenberekening is gebaseerd op voorgaande berekeningen en bronnen. De kosten zijn opgedeeld in materiaalkosten, machinekosten en matrijskosten. De machine is bepaald in het hoofdstuk Spuitgietmachine. Machinekosten zijn bepaald met uurtarieven volgens Spoormaker Consultancy in Reliability & Liability of Plastic Products. De matrijzen zijn uitgerekend met behulp van Construeren in kunststoffen CIK/SPG, M15 Kostprijs, 2008. De materiaalkosten voor de matrijs hebben we gekregen van Omefa (€3000,-).


20-01-2009 37


20-01-2009 38

MARKETING Als we het product op de markt willen zetten, zijn er een aantal factoren om in overweging te nemen met betrekking tot de uitstraling, gebruik en kwaliteit. We spreken van een biologisch afbreekbaar product en tegelijkertijd over de eigenschappen van een plastic, een materiaal dat redelijk in de kinderschoenen staat en nog niet goed onder de mensen bekend of geaccepteerd is. Het materiaal is dan ook nogal tegenstrijdig voor de klant: het is wellicht niet begrijpelijk dat een materiaal dat eruit ziet als een kunststof biologisch afbreekbaar kan zijn. Plastic kan men nu eenmaal niet in de groenbak gooien zonder het milieu te schaden. na·tuur de; v 1 aangeboren aard of gestel; geaardheid: hij is van nature vriendelijk 2 dat wat de mens om zich heen ziet als niet door hem gewijzigd: wandelen in de vrije ~ (Van Dale) Zoals het woordenboek al zegt, de natuur is iets wat de mens om zich heen ziet en ongewijzigd is. Als je een product voor in de natuur maakt, moet het dus ook een natuurlijk uiterlijk hebben en bijvoorbeeld niet perfect glad aanvoelen. Wanneer PLA spuitgegoten is, zonder verdere toevoegingen, heeft het alle uitstraling van een niet milieuvriendelijk product; het ziet eruit als plastic. We denken dat het daarom ook een uitdaging wordt om ons product als wel milieuvriendelijk te verkopen. Dit is echter wel een belangrijk aspect van het product, aangezien het een sterk punt is dat het met het groene afval weggegooid kan worden en kosten bespaard zoals eventuele verwijderingkosten en vooral milieukosten met verkeerd weggooien van wel schadelijk plastic. Aan de andere kant heeft het woord biologisch afbreekbaar een negatieve klank als het gaat over kwaliteit. De vraag is of het product niet spontaan begint af te breken bij gebruik. Enerzijds moet voor de functie van het product het composteerbare en milieuvriendelijke aspect goed naar voren komen, terwijl dit aan de andere kant of niet geloofd wordt of niet vertrouwd wordt. Toch denken we dat het product een milieuvriendelijke uitstraling moet hebben, waardoor we eventueel wat moeten aanpassen aan de textuur, in ieder geval visueel. Als we namelijk kijken naar het beoogde gebruik, zien we dat het doel is om een plant ondersteuning te bieden. Bij een plant horen geen kunststof onderdelen, eenvoudigweg omdat dit geen gezicht is. Door het product een natuurlijke, of natuurvriendelijke uitstraling te geven, zullen mensen meer het gevoel hebben dat het goed is voor de plant, of in ieder geval dat het niet misstaat. Er zijn voorbeelden zoals houtgevuld polypropeen (PP), dat het materiaal een minder kunstmatige uitstraling gaf (Omefa). Als je puur op de marketing gaat kijken, is het raadzaam een product voor in de natuur er op de een of andere manier er ook natuurlijk uitziet. Dit kan gerealiseerd worden door er dus natuurlijke elementen in zitten, door bijvoorbeeld houtsnippers toe te voegen aan het door ons gekozen PLA, zoals dat ook bij PP kan.


20-01-2009 39

CONCLUSIE Door het door ons ontworpen product is de verwijderingtijd en -kosten van het product geminimaliseerd, het product kan samen met de plant worden weggegooid/gecomposteerd. Echter, de materialen zijn eigenlijk nog niet voldoende ontwikkeld om een perfect product te produceren. Iedere bioafbreekbare kunststof heeft zijn nadelen, maar in de toekomst zijn er waarschijnlijk veel betere soorten of grades te verkrijgen. Verder is uit ons verslag te concluderen dat het goed mogelijk is om dit product te produceren met spuitgieten als methode. Echter, ons ontwerp was niet sluitend door een paar denkfouten in de matrijs, zoals valt te lezen in de aanbevelingen van Omefa, die we pas enkele uren voor de deadline kregen toegestuurd en waarmee we dus geen rekening meer konden houden. Ook zijn er in het gehele project, vooral bij de berekening, een hoop aannames gedaan, zodat de berekening überhaupt mogelijk is. Hierdoor zullen onze uitkomsten afwijken van de werkelijke waarden, wel is aangetoond dat de kennis beheerst is en dat het proces mogelijk is voor dit product. Zoals ook al eerder genoemd, is het moeilijk te zeggen of mensen geïnteresseerd zijn in een product als dit, en vooral van dit materiaal. Door een tekort aan middelen en tijd hebben we geen gebruiksonderzoek kunnen doen. Doordat deze kunststoffen in de toekomst steeds beter, sterker en goedkoper worden, zullen ze waarschijnlijk langzaamaan normale plastics (op sommige gebieden) vervangen en voor een markt als de onze is het steeds voordeliger.


20-01-2009 40

AANBEVELINGEN OMEFA Hierbij een prijs indicatie voor een 4-voudige matrijs.

TU-Delft Klimop-Stok

Klant Productomschrijving

Prijs per Produkt PLA

€

Matrijs voudigheid

0.24

4

Seriegrootte

500,000

Matrijskosten

€

12,000.00

Ontwikkeling per uur

€

30.00

Kleur Oppervlakte structuur Stuks / Sets Levertijd matrijs Doorlooptijd

Groen Technisch glad Stuks 8 weken 21 weken

De kosten verhouden zich ongeveer zo (ruwe schatting): Matrijs: ±3000,Arbeidskosten: ±9000,Machinekosten/u: 19,Man kosten/u: 30,Man tijd machine: 15 min.


20-01-2009 41

Er zijn nog een paar spuitgiet technische opmerkingen/tips (zie bijlagen als referentie) 1A hier zit een antilossing veroorzaakt door de radiï achterin de 'sleuf' en het hoogteverschil van de vlakken van de 2 'klikkers' 1B het vlak van de 'klikkers' zit lager dan de deellijn, hierdoor komt er een verspringing in de deellijn. als het kan liever alles op 1 deelvlak. 1C de radiï die hier oorspronkelijk op zaten zorgen voor scherpe randen op de matrijs delen die deze sleuven moeten vormen, deze zijn moeilijk te maken en gaan ook heel snel stuk. 1D hier moeten 2 matrijs delen rakelings langs elkaar lopen om de opening tussen de 2 'klikkers' te creëren. dit is niet mogelijk zonder de matrijs te beschadigen.


20-01-2009 42

2A Let hier op lossingen. het product zal het meest krimpverschil krijgen in de lengte richting en dus moeten de vlakken die dwars op de lengterichting staan het meeste lossing krijgen, anders gaat het product klemmen in de matrijs en kan je product beschadigen. 2B eigenlijk hetzelfde verhaal als 2A. er zit hier metaal dat niet krimpt tussen kunststof dat wel krimpt, dit gaat klemmen en beschadigen. 3A het gevaar met een deellijn precies in het midden is dat het product aan de spuitzijde van de matrijs blijft hangen. dit kun je oplossen door de deellijn hoger te leggen, zodat er meer materiaal in de uitstootzijde zit, en een grotere lossingshoek toe te passen aan de spuitzijde dan aan de uitstootzijde.


20-01-2009 43

Bijlage A: Bijlagen Materiaal Zetmeel (Starch) Bioplast14 Bioplast is een volledig biologisch afbreekbaar thermoplast ontwikkeld door het bedrijf BIOTEC, Het granulaat kan onder andere toegepast worden bij het proces spuitgieten voor het produceren van volledig biologisch afbreekbare producten en kan bij vele producten worden toegepast zoals verpakkingsmateriaal, bekers en plantenpotten. Bioplast komt voor in vijf verschillende grades, namelijk: Bioplast 105 - Uitermate geschikt voor spuitgieten, sheet film extrusion and blow film extrusion. - Compleet biologisch afbreekbaar. - Het wordt geproduceerd in de vorm van granulaat. Beschikbaar in zakken van 1000 kg. Toepassingen: - short life products - film coating for foamed starch and fibre trays - substitute for food wrapping paper - packaging - carrier bags, t-shirt bags - shrink films - labels and banderols - net bags - netting for horticultural purposes

Bioplast GF 106/02 Toepassingen: - short life biodegradable products for single use disposable fast food packaging - thermoformed products - injection moulded products - agricultural products - tubes - packaging - carrier bags, refuse bags

14

http://www.biotec.de/engl/index_engl.htm


20-01-2009 44

Bioplast GS 2189 - short life products - thermoformed products - injection moulded products - agricultural products - packaging

Bioplast WRAP 100

Bioplast TPS Deze grade laat waterdamp zeer goed door en heft tegelijkertijd een goede blokkering voor zuurstof en koolstofdioxide. - foamed trays and boxes for single use disposable fast food packaging, hamburger boxes - foamed products - water soluble products - ingestible products


20-01-2009 45

BIOPAR15 Biopar is een biopolymer gebaseerd op aardappelzetmeel en is 100 procent biologisch afbreekbaar naar water en koolstof. Het kan gebruikt worden voor typische kunststoffen producten en kan geproduceerd worden volgens dezelfde produceerrichtlijnen maar verbruikt 2/3 minder energie dan algemeen voorkomende kunststoffen op tempraturen van 140 graden in plaats van 240 graden. Het granulaat kan gebruikt worden voor film en bottle blowing, cast film, injection moulding en thermoforming. Het granulaat kan aangepast worden in zijn eigenschappen, zodat het hetzelfde geproduceerd kan worden als polyethyleen of polipropyleen op dezelfde machine. Het kan het beste gebruikt worden voor short-life producten, consumenten plastics en voor verpakkingen, maar ook voor producten in de tuin, landschapstuinen en in de landbouw.

Het granulaat komt voor in drie soorten grades, namelijk: BIOPAR FG MO Properties: Product shape Pellet size Density Bulk density Thermal Properties: Melting point BIOPAR FG MMO Properties: Product shape Pellet size Density Bulk density Thermal Properties: Melting point

15

pellets, off white 5 - 7 mm 1.26 - 1.28 g/cm³ 0.7 g/cm³ 105 - 115 °C

pellets, off white 5 - 7 mm 1.26 - 1.28 g/cm³ 0.7 g/cm³ 105 - 115 °C

http://www.biop.eu/index.php?products


20-01-2009 46

BIOPAR MFS Toepassingen: •

Barrier packaging

•

Food packaging

•

Fruit and vegetable packaging

•

Shopping bags

•

Refuse and Waste bags

Speciale toepassingen: •

Paper and cardboard coatings

•

Agricultural film

•

Antistatic film

•

Body bags

Evercorn16 Evercorn Inc. is een Japans bedrijf opgezet voor het onderzoeken van brioafbreekbare kunststoffen gemaakt van maïs zetmeel. Eigenschappen: - Gebaseerd op Mais zetmeel. - Waterbestendig. - Geen toxic materialen. - Biodegradeble and compostable. - Lower combustion calorie compared with that of petroleum base plastics. - Verwerkbaar in algemene spuitgiet machine. - Goede compatibiliteit met andere biologisch afbreekbare kunststoffen, zoals polyester, PHBV, PLA, PLC etc. Toepassingen: - Spuitgieten, zoals messen, vorken, bekers, voor tuinieren en industrieel gebruik. - Lamineren en coatings. - Schuimproducten zoals verpakkingsmateriaal. - Multi film of Food wrapping film (?)

16

http://www.japan-cornstarch.com/h_13.html


20-01-2009 47

Master-Bi17 Master-Bi wordt gemaakt van niet genetisch gemodificeerd zetmeel. Alle grades van MasterBi zijn volledig biologisch afbreekbaar in verschillende omgevingen. Ze kunnen toegepast worden in dezelfde processen als traditionele kunststoffen. Er kan een kleurstof aan toegevoegd worden, ze zijn anti-statisch en kunnen gesteriliseerd worden. Voorbeelden van toepassingen:

Master-Bi kan worden geproduceerd met behulp van normale spuitgietmachines. De maximale injectietemperatuur is lager dan 200 graden. Er kunnen verschillende soorten producten van geproduceerd worden, zoals planten potten, botten voor huisdieren en speelgoed.

MATER-BI® FOR INJECTION MOULDING

TEST

METHOD

UNIT OF MEASURE

MATER-BI® PP

PS

MFI

ASTM 1238

g/10 min

6-30

0.9-9

19-24

Breaking load

ASTM D638

MPa

15-35

25-37

31-40

Breaking extension

ASTM D638

%

20-150

40-400

1.2-1.6

Young's modulus ASTM D638

MPa

600-5000

10001600

29003200

Linear shrinkage

%

0.08-1

ASTM D955

0.1-0.6

The grades of Mater-Bi® for injection moulding are compostable and biodegradable. They can be soluble or insoluble in water.

17

http://www.novamont.com/


20-01-2009 48

Plantic18 Plantic Technologies Limited maakt verschillende biologisch afbreekbare kunststoffen voor verschillende toepassingen. Plantic is een kunststof gemaakt van maïs zetmeel en niet genetisch gemodificeerd. Het komt voor in vijf verschillende grades gemaakt voor spuitgieten, namelijk: - Plantic EG501 Ontworpen voor meer vragende toepassingen met een wand dikheid van 1.0 - 3.0 mm. - Plantic GP 100 Ontworpen voor algemene toepassingen met een wand dikheid tussen de 1.0 - 3.0 mm. - Plantic HF 301 Ontworpen voor dunne wand diktes en flexibele spuitgiet toepassingen. - Plantic WR 700 Ontworpen voor toepassingen waar waterbestendigheid voor gewenst is tot twaalf weken. Geschikt voor een wanddikte van 0.5 – 3.0 mm. - Plantic WR 702 Ontworpen voor toepassingen waar waterbestendigheid voor gewenst is tot vier weken. Geschikt voor wanddiktes tussen de 0.5 – 3.0 mm. Solanyl19 Solanyl is een biologisch en biologisch afbreekbaar materiaal en gemaakt van aardappelzetmeel. Het produceren vergt 65% minder energie dan het produceren van het vergelijkbare materiaal polyethylene. De algemene eigenschappen van Solanyl zijn: - volledig biologisch afbreekbaar - Mechanische eigenschappen zijn grof gezien hetzelfde als die van PE of PS. - Melkachtige kleur. - Kunnen kleurstoffen aan toegevoegd worden. Starch Tech inc20 Lost op in water.

18

http://www.plantic.com.au/ http://www.biopolymer.net/cgi-bin/lnkinlte.cgi?l=a1080 20 http://www.starchtech.com/ 19


20-01-2009 49

PLA – PolyLactic Acid Melkzuur – Bioflex21 Bio-Flex® F 1130 (prev. Bio-Flex® 219F)

Kan gecomposteerd worden22. Bio-Flex® F 1110 (prev. Bio-Flex® 221F)

Bio-Flex ® F 2110 (prev. Bio-Flex® 467F) 21 22

http://www.fkur.de/?page=8 http://www.fkur.de/media/files/OK_Compost_F_1130.PDF


20-01-2009 50

Bio-Flex ® F 6510 (prev. Bio-Flex® 682CF)


20-01-2009 51

Melkzuur – ECOLOJU23 Geen specificaties.

"ECOLOJU" is a film and sheet mainly made from polylactic acid derived from the starch of corn. It contributes to prevent the earth heating phenomena and because of the biodegradability it finally decomposes into water and carbon dioxide after use in natural environment. ECOLOJU has been utilized in various market sectors because of its excellent performance, same as conventional films. * ECOLOJU features PLA as the key raw material. Melkzuur – Hycail 24 Niet van alles specificaties, wel iets over productie uit maispoeder: Polylactic acid Polylactic acid (PLA) is a polyester based on lactic acid, and has been known since the 18th century. Lactic acid is, after glycolic acid, the most simple hydroxy acid, and capable of selfpolymerization (polycondensation), under release of water.

R = methyl en x = 0. PLA has been synthesized for the first time 200 years ago, but it has not been until very recently that it has found applications in the industry.

23 24

http://www.mpi.co.jp/english/products/index.htm http://www.hycail.com/


20-01-2009 52

Lactic acid can be synthesized by chemical means, but is generally produced by the fermentation of sugars by micro-organisms. Glucose is most widely used, but Hycail is also developing PLA from lactic acid made by fermentation of lactose out of whey-permeate, a waste product from cheese production. In general, natural fermentation will yield L(+) lactic acid. Chemical synthesis of lactic acid will yield a racemic mixture of L(+) and D(-). Pure poly(L)lactic acid has a very regular molecular structure and therefore forms crystalline domains in the matrix. This will yield a more stiff and harder material then the polymer which has some D lactic acid built in. D-lactic acid is normally found as a impurity in fermented lactic acid, but will also be formed out of the L-form in the process to make PLA. A little bit of D is necessary to tune the material, as it will disturb the crystallinity of the material just enough to get the right balance of properties like stiffness and toughness. PLA’s properties resemble those of polystyrene. PLA is however biologically degradable, when subjected to the right conditions. It is therefore very well suited for waste treatment through composting. It will also improve the compost quality by increasing the C/N ratio in the organic waste. Because lactic acid is made out of natural sugar resources, which are in turn made by photosynthesis out of CO2 in plants, the material can be regarded as “CO2neutral” and therefore renewable. PLA can be processed as a standard thermoplastic on existing industrial equipment. Producten: Hycail® HM 1011


20-01-2009 53

Hycail® XP 13004

Hycail® XP 14005

Composting certificate25

25

http://www.hycail.com/download/Din%20Certco%20HM-1.pdf


20-01-2009 54

Melkzuur – NatureWorks 26 Geeft informatie over bedrijf en: Composting PLA Locate Composting Facilities in the USA and Canada PLA impact on PET physical recycling stream Landfill of PLA End of Life Road Map End of Life Vision

Ingeo™ Plastics Applications Resin Grades: • • • • • • • • •

2002D Technical Data Sheet 3001D Technical Data Sheet 3051D Technical Data Sheet 3251D Technical Data Sheet 4032D Technical Data Sheet 4042D Technical Data Sheet 4060D Technical Data Sheet 7000D Technical Data Sheet 7032D Technical Data Sheet

Ingeo™ Fibers Application Resin Grades: • • • • • • • • • •

5051X Technical Data Sheet 6060D Technical Data Sheet 6201D Technical Data Sheet 6202D Technical Data Sheet 6204D Technical Data Sheet 6251D Technical Data Sheet 6302D Technical Data Sheet 6350D Technical Data Sheet 6400D Technical Data Sheet 6751D Technical Data Sheet

Polyvinyl 26

http://www.natureworksllc.com/


20-01-2009 55

Polyvinyl – Panteco (Biosol & Mavinsol)27 Geen specificaties, maar wel: General view Mavinsol® and Biosol® are registered trade marks of the thermoplastic water-soluble films, based on polyvinylic alcohol, manufactured by an original Italian technology, protected with international patents. Water solubility The lowest temperature at which the film is water-soluble, depends both on the type of PVOH and on the thermal history during the processing. Type F film is soluble in cold water starting from 5°C. Quick disgregation is first observed after 10-30 sec., followed by a complete solution in a few minutes. The solution rate depends on the thickness of the film and on the temperature and stirring rate of the liquid. Environmental behaviour According to the technical literature available at present, PVOH is considered toxicologically harmless and practically inert in term of acute toxicity (LD 50) on mice and fish. The American FDA recognized it as not irritant in contact with skin and mucosas, specifying the possible appliances in different fields under the title 21 par.175105-175300-17617011.1670. PVOH is included also in the list of CEE rule 90/128' "EEC, annex II, sect.B. It is considered highly biodegradable in diluted water solution (0.5 - 1.5 g/lt.) with C.O.D. values lowering, after 7 days, from 1700 to less than 200 mg.02/g., (according to ZAHNWellens test (Chemikerzeitung 98,228/1974). The characteristics of the commercial film are practically unaltered since the additives used in order to obtain a good processability, are equally acceptable in term of toxicological properties. In contact with the microflora of the ground (actinomicetes, pseudonomas sp, sp bacilllus etc.) more or less significant phenomena were observed depending on the specific concentration of PVOH. Analyses carried out on sedimentation processes both of domestic muds and of those ones originated by the treatment of industrial wastes, evidenced that microorganisms can acclimatize. Consequently in the conventional treatments both of sedimented and activated muds, the removal occurs by biodegradation and not by simple biomass absorption. Water solutions of PVOH have no influence in the growth of microbial agents of the ground (amniolithic, celluloselithic, nitrogen fixer, nitrous donor, etc.) On the basis of these tests and analysis it was clearly stated that Mavinsol® and Biosol® films have no harmful influence on the environment and comply with the rules of L.319/76 - TAB A and C.

27

http://www.panteco.it/indexuk.htm


20-01-2009 56

Hout Wood – Arboform28 Material data Mechanical Properties Tensile strength Ultimate elongation Tensile modulus Flexural modulus Bending stress Impact strength Hardness Ball indentation hardness Thermal Properties

Standard DIN 53 455 DIN 53 455 DIN 53 457 EN ISO 178 En ISO 178 En ISO 179 DIN 53 505 DIN 53 456 Standard

Unit N/mm² % N/mm² N/mm² N/mm² KJ/m² Shore D N/mm² Unit

Range* 10...22 0,3...0,7 1000...5000 1000...5000 10...50 2...5 50...80 20...70 Range*

Expansion coefficient

DIN 53 752

I/�C

1*10E-5...5*10E-5

Vicat temperature

DIN 53 460

�C

80

Martens temperature

DIN 53 462

�C

54

Thermal conductivity

DIN 52 612

W/(m*K)

0,384

Hot-wire test

DIN EN 60669-I

---

650�C passed

Electrical Properties Conductivity, surface Conductivity, continuity Other Properties Mould shrinkage Density (in compact moulding) Water content Bleeding of various elements Saliva and sweat fastness Fire performance

Standard DIN 53 482 DIN 53 482 Standard ------DIN EN 71-3 DIN 53 160 DIN 4102-B2

Unit G Ohm G Ohm Unit % g/cm³ % -------

Range* 5 3 Range* 0,1...0,3 1,3...1,4 2...8 passed passed passed

28

http://www.tecnaro.de/english/willkommen.htm


20-01-2009 57

Comparing ARBOFORM® and Plastics:

Ultimate stress, [N/mm2]

BULK PLASTICS

TECHNICAL GRADE PLASTICS

PE (LD, HD, LLD)

PP PS (unreinft.)

ARBOFORM®

PA 66 (unreinft.)

WOOD (beech, across )

8 - 30

30 - 40

45 - 65

15 - 20

65

7

600 - 1700

1200 3300

2000 - 6000 2000

3-4

0,3 - 0,8

200

20

13 - 20

2-5

o. Br.

110 - 130

78 - 99

80 - 95

200

100 200*10-6

70*10-6 18 - 50*10-6 80*10-6

Tensile modulus, 50 - 500 [N/mm2] Ultimate elongation [%]

100 - 900 bis 800

Impact resistance o. Br. [kJ/m2] Vicat/B softening point, [�C]

40 - 65

Lin. expansion 170 coefficient, [1/K] 200*10-6

1500

45*10-6

Wood – Fasa29l Fasal F134

Fasal F 322/13

Staat ook nog hetzelfde over ‘for dying’ en ‘for varnishing’, maar bij deze stond ‘biodegradable’.

29

http://www.austel.at/englisch/fasal_e.html


20-01-2009 58

Wood – Fibrolon30 Fibrolon ® P 8540 (prev. Fibrolon® 46 N)

Fibrolon ® F 8530 (prev. Fibrolon® B53AW)

30

http://www.fkur.de/?page=11


20-01-2009 59

Cellulose Biograde 31 Biograde is een biologisch afbreekbaar cellulose mengsel. Deze mengsels combineren hoge prestaties, gemakkelijk te produceren en opmerkelijke mechanische eigenschappen. Biograde C 7500 (prev. 200 graden) Deze grade is een transparante cellulose mengsel die kan worden toegepast bij spuitgieten. Het bestaat voor 100 procent uit renewable bronnen. Momenteel zijn er nog geen bewijzen van de composteerbaarheid en voedselgoedkeuring beschikbaar. Biograde C 9550 (prev. 300 A) Deze grade heeft dezelfde mechanische eigenschappen als het standaard kunststof polystyreen samen met een hittebestendigheid van 95 graden. Biograde C 9555 (prev. 500 A) Deze grade is een verdere ontwikkeling van de Biograde C9550 met vergelijkbare eigenschappen. Door het gebruik van verschillende speciale toevoegingen en opvulsels is deze grade meer geschikt voor het produceren van cast films en hierna thermovorming. Het bestaat voor 60 procent uit vernieuwende bronnen. Biomer32 Biomer thermoplasten zijn polyesters gemaakt van vernieuwbare bronnen. De producten zijn waterbestendig, hittebestendig en hebben aantrekkelijke oppervlaktes. Ook zijn ze volledig biologisch afbreekbaar. Ze hebben slechts een geringe neiging tot creep en gedragen zich hetzelfde als LPC’s in smeltvorm. Ze zijn sterk gekristalleerd en kunnen bij temperaturen tussen de -30 en 120 graden gebruikt worden. Krimpen: 1.3 %.

31 32

Typ

Biomer® P209

Biomer® P226

Modululus

900-1200

1700-2000

Tensile strength (MPa)

15-20

24-27

Elongation (%)

11-18

6-9

Flexural strenght (N/mm2)

18

35

Deformation at bending breack (%)

4,7

6,6

Flexural strenght at 3,5% (N/mm2)

16

29

Impact strenght (KJ/m2)

21

30

Notched impact strenght (KJ/m2)

2,1

2,7

MFI

17-20

9-13

Vicat-Temperature (°C)

57

96

Density (g/cm3)

1,20

1,25

Moisture absorption (%)

0,75

0,4

Hardness (Shore D)

57

67

Shrinkage (%)

1,3

1,3

http://www.fkur.de/?page=10 http://www.biomer.de/IndexE.html


20-01-2009 60

*) means of tests done at least 4 weeks after preparing test specimens. Polymer

Tensile strength

Elongation at break

Modulus

Biomer® P226

24

19

1750

PP

22

12-20

600-1200

Biomer® P209

15-20

11-18

900-1200

PE-LD

15-20

600

150-450

PE-HD

25-32

600-900

700-1200

Doordat het materiaal erg kristallijn is en zeer lineair smelt het bij hitte en bevriest het bij kou. De kristallisatie is het snelst tussen de 80 en 100 graden. Onder de 60 en boven de 130 graden is de snelheid erg laag. Het materiaal blijft amorf en erg kleverig. De scherpe overgang van vloeistof naar vast stof kan worden gebruikt voor zeer snelle verwerkingssnelheden. Om dit te bereiken kan het materiaal het beste gesmolten worden vlak achter de vulzone. Het materiaal heeft dan een viscositeit die gelijk is aan die van PP of een MFI van ongeveer 30-40. Spuitgieten: 1. Set temperatures to the starting values listed below. Fill the machine. Start using slow screw speed, medium injection pressure, low hold pressure, and very low back pressure. 2. If the resin is too fluid, first decrease the temperatures in zones 3 and 4 in 2 to 5°C steps, but not to below 125°C, later, if still necessary, also in zones 1 and 2. Never interrupt for more than a couple of minutes. 3. If the resin sticks to the mould or breaks apart when disengaging, it is not completely crystallized. Either increase (small wall sizes) or decrease (strong wall sizes) the mould temperature in 5C° steps to guarantee that the mean temperature of the material in the mold reaches 80 to 100°C (never below). 4. Final setting of screw and mold in small steps on the running machine, never after an interruption (equilibrium!). Increase back pressure only at this point if for some reasons this may be necessary.

Mirel33 Mirel biokunststoffen hebben hoge prestaties met goede sterkte en stijfheid. Ze zijn hittebestendig en kunnen tegen hete vloeistoffen. Ze zijn geschikt voor onder andere spuitgieten. Ze worden gebruikt bij onder andere consumenten goederen en in de landbouw.

33

http://www.mirelplastics.com/discover/CR-Bulletin_100307.pdf


20-01-2009 61

Mirel is alleen biologisch afbreekbaar in een omgeving waar microbacteriële activiteiten zijn, zoals in de bodem of compost.


20-01-2009 62

Bijlage B: Polylactide (PLA) vanuit CES Edupack 2008

ρ

λ c


20-01-2009 63

Bijlage C: Spuitgieten in de praktijk Voor spuitgietprocessen dienen ter indicatie de volgende instellingen op de machine te worden gekozen: • Smelttemperatuur 200ºC • Invoerhopper 20ºC • Invoerzone 155ºC • Compressiezone 195ºC • Drukzone 205ºC • Neus 205ºC • Matrijstemperatuur 15-25ºC • Schroefsnelheid 100-175 rpm • Schroeftegendruk 5-10 bar • Injectiesnelheid medium-hoog NB: Afhankelijk van de matrijsgeometrie kan het nodig zijn om deze instellingen enigszins aan te passen. Indien er voor proefspuitingen gebruik wordt gemaakt van een bestaande matrijs, is het van belang de machine en de eventuele hotrunners eerst te spoelen met LDPE met een hoge MFI. Na afloop van de experimenten is het verstandig om de machine en de hotrunners goed te spoelen met een polyolefine (PE, PP of PS) met een lagere MFI. Indien na een periode van productie met Biopearls de matrijs langere tijd niet gebruikt wordt, verdient het de aanbeveling om de machine en matrijs te spoelen volgens deze procedure. Bij hoge temperaturen kan na verloop van tijd (langer dan 7-10 minuten) hydrolyse optreden, waardoor de viscositeit en mechanische eigenschappen van het materiaal sterk terug kunnen lopen. Het is verstandig om in dat geval de machine eerst leeg te draaien alvorens verder te produceren. (Bron: http://www.biopearls.nl/ )


20-01-2009 64

Bijlage D: ‘Biopearls M106 TDS.pdf’34

34

http://www.biopak.com.au/images/Biopearls%20M106%20TDS.pdf


20-01-2009 65

Bijlage E: Excursie Omefa

Omefa bouwt zelf matrijzen voor haar klanten, van klein tot groot. Bovenstaande matrijzen zijn voor het spuitgieten van afvaltonnen voor Nederland Schoon. Rechts is de aanspuithelft weergegeven. Het koperkleurige aanspuitpunt is gemaakt van Amco, een Berilium legering die 7x meer warmte kan onttrekken als staal. De matrijs links afgebeeld bestaat uit meerdere inzetdelen om een kunststof dansplaat te spuitgieten. De sporen van het gereedschap zijn duidelijk zichtbaar, maar niet tastbaar, zo klein.Door de nauwkeurigheid van de haast perfect aansluitende delen zie je niet dat meerdere inzetdelen zijn gebruikt. Ook hier is de grootte indrukwekkend.

De spuitgietmachines zijn eveneens indrukwekkend, waar grote hydraulische armen zorgen voor het open en dicht schuiven van de matrijshelft. Pas als je het in werking ziet wordt je je bewust van de grote krachten die hierbij nodig zijn en geleverd kunnen worden, zoals deze machine die een sluitkracht van 800 ton kan leveren. De prijs is rond de €350.000, -, wat vergeleken met de kleinere machines en matrijskosten ons nogal mee viel. De reactie was dat we hem best mochten kopen toen we dit zeiden.


20-01-2009 66

Enkele voorbeelden van het granulaat, het basismateriaal van het spuitgieten. Links een wit granulaat, rechts een granulaat waar blauw en zwarte granulaatkorrels in verwerkt zijn. Deze smelten samen tot een geheel net voor de aanspuiting. Het granulaat ligt in een bak, waarbij onderin een gat zit, die aangesloten is op een buizensysteem waarbij met lucht de korrels aangezogen worden naar de goede machines. Bij sommige producten is het mogelijk om restafval, in de vorm van vermaalde aanspuiting en ander overig materiaal, te vermengen met het aangekochte granulaat. Hierdoor kan de kwaliteit verminderen, dus niet elke producent wil dat. Maar bij een goede mengverhouding, maximaal 10% vermalen restafval, zal de kwaliteit van het product niet noemenswaardig verlagen. Voor de kosten is dit aspect natuurlijk erg voordelig, omdat je geen materiaal verspilt. Dus ook voor het milieu is het voordelig.

De spuitgegoten producten worden uit de machines geworpen en verzameld door een lopende band in opslagunits, zoals dozen en emmer. Dit is vooral bij kleine producten of onderdelen, zoals bij de relatief kleine machine op de foto’s hierboven. Hierbij werkt een roterend systeem, dat om het uur de opslagunit verwisselt. Hierdoor kan Omefa steekproeven uitvoeren om de kwaliteit van de batch te controleren zonder 24/7 aanwezig te zijn. TU Delft – Industriële Productie

20-01-2009 67

Overige informatie van het bezoek aan Omefa - Omefa kan serie groottes van 2000 draaien, is echter wel duur. - Geen loonspuitgieten, werkt samen met de klant en kan als productontwerper voor de klant werken. - Machines kunnen dag en nacht draaien, naar wens van de klant - Kwaliteitscontrole door steekproef door automatisch om het uur de producten in een andere bak te verzamelen - Matrijzen vanaf €5000,- (klein) tot €60.0000,- (klapkernen ed.) - €100.000,- tot €200.000 voor grote matrijzen - Omefa staat garant voor de levensduur van de matrijs en kwaliteit van de producten, 1.000.000 (doorgehard staal), 200.000 (veredeld staal) en 20.000 (aluminium) cycli - Na de gegarandeerde levensduur kan Omefa de matrijs opknappen, kwaliteit van de producten is nu de verantwoordelijk van de klant - Omefa werkt met 3D-cad systeem Symmetron, dat geïntegreerd is in alle machines - Sluitkrachten voor polystyreen en ABS zijn respectievelijk 800 en 1200 ton. - POM is agressief bij lucht - Nauwkeurig afstellen van de matrijs i.v.m. vliesvorming. - Biologische materialen: idee is om CO2 met verbranden van kunststof met planten eruit te halen. - Genetisch gemanipuleerde bacteriën in kunststof, tegen 150ºC - Feromonen kunnen goed in een biokunststof - PVC is naar, zoutzuurvorming. Aan de andere kant is het wel heel erg goedkoop - Omefa doet ook aan lasersyntheren = rapid prototyping voor prototypen of modellen - Houtgevulde kunststoffen hebben een zeer hoge viscositeit - Machine van 800 ton druk kost ongeveer €350.000,- PLA is veelbelovend als biokunststof, goede eigenschappen en te composteren - RfID = chips in product Enkele interessante richtlijnen voor het ontwerpen - 1 mm wanddikte komt overeen met een cyclustijd van 10s - Lossing met 1.5º - Egale wanddikten - Ribben 0,7x de aangrenzende wanddikte i.v.m. inzakken - Vloeilijnen na een gat - Afronden op de hoeken: radius = wanddikte - Stijfheid product eerst zoeken in constructie, daarna in materiaal - Minimale gewenste wanddikte 0,7 mm, maar kan dunner = duur


20-01-2009 68

SPECIALISATIEPROJECT. Groepsnummer: 13. Coach: Zoltan Rusak

Recommend Documents