IDE442 MATERIALISEREN 2001 KANTINESERVIES

Scriptie

IDE442 MATERIALISEREN

2001

KANTINESERVIES Inhoudsopgave Samenvatting ..............................................................................................................................2 Abridgement ...............................................................................................................................2 Inleiding .......................................................................................................................................3 Programma van eisen en wensen .............................................................................................3 Programma van Eisen ..............................................................................................................3 Programma van Wensen ..........................................................................................................4 PVE toelichting .........................................................................................................................4 PVW toelichting ........................................................................................................................5 Materiaalkeuze ............................................................................................................................5 Hout .....................................................................................................................................5 Porselein / aardewerk .........................................................................................................5 Glas .....................................................................................................................................5 Kunststof: PC / PPO (PPE) / PMMA ..................................................................................5 Metalen: RVS ......................................................................................................................5 Materiaal eigenschappen .........................................................................................................6 Gewogen criteria methode ........................................................................................................6 Nader onderzoek ......................................................................................................................7 Conclusie ..................................................................................................................................7 Porselein .....................................................................................................................................7 Keramiek ..................................................................................................................................7 De geschiedenis van porselein [1] ......................................................................................8 Soorten porselein ................................................................................................................8 Decoreren van porselein .....................................................................................................9 Aardewerk ...........................................................................................................................9 Egyptian paste [2] ...............................................................................................................9 Industriële fabricage van servies .........................................................................................9 Technologiekeuze ....................................................................................................................10 Porselein spuitgieten ...............................................................................................................10 Powder injection moulding .....................................................................................................10 Het proces van powder injection moulding [5] .......................................................................11 Compounding .........................................................................................................................12 Injection Moulding ..................................................................................................................12 Debinding ...............................................................................................................................12 Sintering .................................................................................................................................13 Nieuwe ontwikkelingen ...........................................................................................................13 Coatings ....................................................................................................................................13 Concepten .................................................................................................................................14 Kostprijsberekening .................................................................................................................19 Toetsing .....................................................................................................................................23 Programma van Wensen ........................................................................................................23 Conclusie ..................................................................................................................................24 Lijst van bronnen ......................................................................................................................25 Bijlage bedrijfsbezoek .............................................................................................................25 Bijlage bezoek spoelkeuken ....................................................................................................26 Bijlage PIM cordis .....................................................................................................................26 Referenties ................................................................................................................................27

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

© Faculteit Industrieel Ontwerpen

1

Technische Universiteit Delft

Scriptie


2001

SAMENVATTING In deze scriptie wordt een nieuw servies ontwikkeld voor gebruik in kantines. Er wordt een nieuw kantineservies ontwikkeld wat een verbetering is tov het huidige servies. Zo worden de problemen gewicht, kostprijs en duurzaamheid aangepakt. Ook de vervaardigingsmethode die wordt geopperd is een verbetering t.o.v. de oude methode. Nadat het programma van eisen en wensen is opgesteld met als belangrijkste criteria de bovengenoemde punten wordt er een materiaalkeuze gemaakt. Het beste materiaal voor het maken van een servies blijkt porselein te zijn nadat PPO en andere polymeren zijn afgevallen vanwege slechtere materiaaleigenschappen. Hierna wordt er gekeken naar de vervaardigingsmethode waarbij wordt getoond hoe porselein en aardewerk worden vervaardigd door het gebruik van de oude methode. Vervolgens volgt een beschrijving van de nieuwste technologie op het gebied van het produceren van porselein: Powder injection moulding (PIM). Deze vervaardigingsmethode is ontwikkeld voor complexere keramische producten maar biedt ook voor het produceren van een servies grote voordelen. Zo liggen de kosten lager, is de kwaliteit hoger en zijn er minder nawerkingen nodig. Bovendien is het een veel sneller proces en liggen de toleranties van het product veel lager dan bij de klassieke gietmethode. Het proces begint met het vermengen van zgn binders met het keramische poeder zodat dit geheel gespuitgiet kan worden, vervolgens worden deze binders weer onttrokken aan het product en wordt het overgebleven keramische frame gesinterd. De scriptie wordt uitgebreid met de functie van coatings op servies en een kostprijsberekening waarin de kosten van de oude vervaardigingsmethode worden vergeleken met de kosten van powder injection moulding. Uiteindelijk worden de voordelen in praktijk gebracht door enkele conceptuele ontwerpen. In de conclusie worden bevestigingen gegeven van de eerder genoemde verbeteringen en voordelen. De bijlagen bestaan uit een bedrijfsbezoek aan de Koninklijke Porceleyne Fles, een bezoek aan een spoelkeuken en een PIM project van Cordis. ABRIDGEMENT This paper discusses the development of a new crockery set for canteen-use. A New crockery set is developed which is an improvement as to the current sets. Problems like weight, cost and sustainability are being handled. The productionmethod that is discussed is an improvement of the old method. After the program of designparameters is being drawn, mainly including the above-mentioned points, a decision of material is being made. The best material for producing a crockery set appears to be porcelain after PPO and other polymers are deserted because of their poor properties. After this the productionmethods are being discussed, first the old method upon which porcelain and earthware is produced, is being examined. Then a description of the newest technology of producing porcelain is offered: Powder injection molding (PIM). This method has been developed for complex ceramic particles but offers also a lot of benefits for producing a crockery set. The costs are lower, the quality higher and less finishing is necessary. On top of this it is a much faster process and the tolerances of the product are lower in comparison with the classic method. The process begins with the mixing of binders with the ceramic powders after which the whole can be pressure molded, then the binders are debinded and the frame of ceramic is sintered. The paper has been extended with the functionality of coatings on crockery sets and a calculation of the costs in which the costs of the old productionmethod are compared with the costs of Powder injection molding. Eventually the profits come a life by producing some conceptual designs. In the conclusion an assent is given of the previous mentioned improvements and profits. The appendices consist of a report of a visit to the ‘Koninklijke Porceleyne Fles’, a visit to a canteen dishwashing area and a PIMproject of Cordis.


2


Scriptie


2001

INLEIDING Voor u ligt de eindscriptie behorende bij het vak IDE 442 Materialiseren. Lopende dit vak wordt van de deelnemende studenten verwacht, dat zij in groepsverband, het traject van materialisatie van een product doorlopen. Hierbij wordt met name aandacht geschonken aan de volgende 4 begrippen: Functie, Materiaal, Vervaardiging en Geometrie en hun onderlinge samenhang in de totstandkoming van een nieuw product. Alle opdrachten van IDE 442 dit jaar, hadden als overkoepelend thema “de Keuken”. Zo is onze groep de productcategorie “Servies” toebedeeld. De eerste stap die wij als groep genomen hebben in dit proces, was een verdere specificatie te geven van de categorie “Servies”. Immers er zijn veel verschillende soorten serviezen op de markt, elk met hun eigen specifieke functies en gebruiksomgevingen. Hierbij valt bijv. te denken aan; vliegtuigservies, campingservies (beide hebben voorname eisen t.a.v. gewichtbesparing en compactheid.) , wegwerpservies (hier zit een belangrijk milieuperspectief aan), en nog vele andere vormen van serviezen. Na het in kaart brengen van de verschillende toepassingsgebieden van serviezen, hierbij ook lettend op problemen binnen de gebieden van materiaalgebruik, huidige productietechnieken en functionaliteit én mogelijke innovaties binnen deze zelfde gebieden, hebben wij als onderwerp gekozen: Kantineservies. Kantineservies, zoals te vinden is in bedrijfsrestaurants, kantines van verenigingen etc. , kenmerkt zich met name door het intensieve gebruik. De problemen die zich voordoen met deze serviezen, brengen ons tot de volgende probleemstelling: Probleemstelling Huidige kantineserviezen zijn te zwaar en onhandig qua vormgeving. Dit geldt zowel voor het personeel dat het servies hanteert in de keuken en spoelkeuken, als de gasten die komen eten in de kantine. Verder is de kostprijs van de huidige kantineserviezen aan de hoge kant, met name veroorzaakt door een vrij groot en omslachtig productie proces. Doelstelling Het door ons te ontwerpen kantineservies is een verbetering ten opzichte van de huidige kantineserviezen. Met name op het gebied van gewicht, kostprijs en duurzaamheid moet verbetering geboekt worden. Bij het ontwerpen van dit nieuwe servies zal gekeken moeten worden naar alternatieve materialen en productietechnieken. Verder moet het servies voldoen aan alle eisen die voor een kantineservies gesteld worden. ( Denk hierbij aan hygiënische eisen in verband met voedsel, mogelijkheid tot aanbrengen van logo, etc…) Het proces van ontwikkeling van een verbeterd kantineservies zal in de komende pagina’s van deze scriptie als volgt behandeld worden. Bepaling van de functionaliteitseisen van het te ontwikkelen kantineservies uitmondend in een PVE en PVW. Bekijken en selecteren van geschikte materialen uitmondend in een materiaalkeuze. Selecteren van een geschikte productietechniek en de presentatie van enkele concept ontwerpen. Tot slot volgt een terugkoppeling naar de gestelde doelen en worden hier de nodige conclusies uit getrokken. Verder is het verslag voorzien van een bijlage met uitgebreidere achtergrondinformatie, waar zo nu en dan naar verwezen wordt. PROGRAMMA VAN EISEN EN WENSEN Programma van Eisen 1. Er moet een logo aan te brengen kunnen zijn. 2. Bij normaal gebruik moet het servies na één wasbeurt in een wasstraat schoon zijn. 3. Het product moet bestand zijn tegen een temperatuur van 100 ºC. 4. Het product moet bestand zijn tegen afwasmiddel.


3


Scriptie


2001

5. Het product moet stapelbaar zijn volgens stapelbaarheid klasse A. 6. Er mogen geen stukjes van het product afbreken die kleiner zijn dan 20mm. 7. De afmetingen moeten zodanig zijn dat ze in / op de huidige kratten, wagentjes en dienbladen passen. 8. De kostprijs van een bord mag maximaal f 15,- zijn. De kostprijs van een kop mag maximaal f 8,- zijn. 9. Er mogen door snijden met een eetmes geen krassen in het oppervlak van het servies ontstaan. 10. Het product moet bestand zijn tegen extreme temperatuurschommelingen. Programma van Wensen 1. Het product moet lichter zijn dan het huidige kantineservies. 2. Het product moet de warmte langer vast kunnen houden, oftewel een lagere warmtegeleidingscoëfficiënt hebben, dan het huidige kantineservies. 3. Het gewassen product moet sneller drogen dan het huidige servies. 4. Het product moet makkelijker schoongemaakt kunnen worden in de vaatwasser dan het huidige kantineservies. 5. De kostprijs van het product moet lager zijn dan die van het huidige kantineservies door: lage materiaalkosten lage vervaardigingskosten efficiënt materiaalgebruik efficiënte vervaardigingstechniek 6. Het product mag niet teveel milieubelastend zijn. 7. Grotere degelijkheid door een grotere slagsterkte dan het huidige kantineservies. 8. Grote krasvastheid door een hoge hardheid van het oppervlak. PVE toelichting 9. Kantineservies is vaak voorzien van een naam of logo van de instantie waar de kantine tot behoort. 10. Kantineservies moet snel en in grote hoeveelheden afgewassen worden in een zogenaamde spoelkeuken. Het is onmogelijk om elk bord na het wassen afzonderlijk te controleren en eventueel nog eens te wassen. 11. Het servies wordt gewassen met water van een temperatuur van gemiddeld 90 °C en het servies mag hier geen schade aan ondervinden. 12. Het servies mag geen schade ondervinden van het wasmiddel, zoals beschadigde coating, beschadigde opdruk, beschadigde oppervlakte. 13. Het servies wordt altijd gestapeld en mag hierbij niet omvallen, knellen of beschadigen. De eisen die aan kantineservies gesteld worden zijn hoog, klasse A of zelfs klasse A1. Deze klasse duidt op de maatnauwkeurigheid. 14. Bij eventueel beschadigen van het servies door hard stoten mogen er geen kleine stukjes afbreken die ongemerkt in het eten kunnen geraken. Dit zou zeer gevaarlijk zijn voor de gebruiker. 15. In de kantines wordt het servies vervoerd en gewassen in daarvoor bestemde kratten en wagentjes. Het nieuwe servies moet daar ook in passen want anders zijn kantines minder snel geneigd op een nieuw servies over te stappen. 16. Bij de keus naar kantineservies valt de uiteindelijke keus altijd op de goedkoopste. De huidige prijs voor een bord is 15,- en kop is 8,- en de prijs van het nieuwe servies moet dus lager liggen om te kunnen concurreren. 17. Krassen in het servies zijn lelijk en onhygiënisch omdat daar vuil in blijft steken. 18. Het servies zal vaak in een zeer korte tijd van kamertemperatuur naar 90° C worden verhit en omgekeerd. Dit mag niet tot spanningsscheuren leiden.


4


Scriptie


2001

PVW toelichting 19. Dit servies wordt vaak in grote getallen vervoerd. Ook zullen er stapels servies gedragen moeten worden. Het huidige serviesgoed voldoet niet meer aan de ARBO eisen en een nieuw servies zou lichter moeten zijn. 20. De warmte van het eten mag niet te snel via het servies afgevoerd worden. Hierdoor wordt het eten te snel koud en het servies te heet. 21. In de spoelkeuken vindt een grote doorgang van vaat plaats en afgewassen servies moet meteen weer beschikbaar zijn voor gebruik. Daarom is het van belang dat het servies snel droogt. Een lage adhesie van water met het oppervlak, het ontbreken van kleine hoekjes in het servies en een servies wat nog enige tijd na het wassen warm blijft, bevordert het drogen. 22. Het servies wordt door middel van waterstralen gereinigd en het vuil moet daarom goed vanaf de buitenkant bereikbaar zijn. Er mogen dus geen spleten, hoeken en gaten in het servies zitten waar vuil kan blijven steken. 23. Een lage kostprijs kan bereikt worden door goedkope materialen en vervaardigingsmethode en een efficiënt gebruik hiervan. 24. Ook in de serviesindustrie moet er aandacht voor dit onderwerp zijn. 25. Het kantineservies heeft veel te verduren en mag desondanks niet beschadigen door stoten. 26. Door een grote hardheid van het oppervlak zullen er minder snel krassen in ontstaan. MATERIAALKEUZE Er wordt begonnen met een oriëntatie op de verschillende materialen waarvan heden ten dage serviezen worden gemaakt. Deze materialen zullen vervolgens getoetst worden aan het eerder opgestelde programma van eisen waardoor er een selectie onstaat van kansrijke materialen. Deze materialen worden daarna onderzocht op eigenschappen die belangrijk zijn bij het geheel van ontwerpen en produceren van een servies. Aangezien bij het vervaardigen van een product de seriegrootte een belangrijke rol speelt, stellen wij deze bij de kostprijsberekening op 250.000 stuks per jaar. Met behulp van de gewogen criteriamethode zal er uiteindelijk een gefundeerde materiaalkeuze gemaakt worden. Hieronder volgt een opsomming van de gekozen materialen met een korte toelichting. Hout In bestaande serviezen komt dit materiaal nog maar zelden voor. Het voornaamste nadeel van dit materiaal zijn het niet goed tegen vocht kunnen wat het vaak ongeschikt maakt voor gebruik in de vaatwasser, zie eis 2&3. Ook het niet krasbestendig zijn van dit materiaal zorgt ervoor dat dit materiaal niet zal worden meegenomen in het vervolg van het verslag. Porselein / aardewerk Porselein dan wel aardewerk is een zeer veel gebruikt materiaal voor het maken van een servies Glas Arcopal is een glassoort dat zeer goed dienst kan doen als servies aangezien het een zeer sterk en slagvast materiaal is. Kunststof: PC / PPO (PPE) / PMMA Veel wegwerpserviezen zijn gemaakt van polymeren. Hierboven staan de meest toegepaste soorten. Metalen: RVS Er bestaan op het moment nog maar weinig soorten servies die gemaakt zijn van RVS, toch wordt dit materiaal niet meteen uitgevlakt aangezien het spuitgieten van dit materiaal een zeer goedkope vervaardigingswijze is.


5


Scriptie


2001

Materiaal eigenschappen Bovenstaande materialen worden getoetst op de eigenschappen zoals ze in onderstaande tabel staan opgesomd. Porselein

Arcopal -

PC

PPO

PMMA (gegoten)

RVS

1200

880 / 1100

1170 / 1200

8000

Dichtheid (kg/m3)

Zie opm.

Slagsterkte (j/cm)

Middel

Hoog

6,5 / 9,5

0,93 / 0,98

0,18 / 0,30

Zeer Hoog

Hardheid (rockwell)

Zeer hog

Zeer hoog

118 / 12

115 / 119

80 / 100

Hoog

Materiaalprijs (fl.)

Zeer laag

Middel

6,50 / 8,18

6,48 / 6,50

4,7 / 5,8

6,13 / 7,88

Productiekosten (fl.)

Hoog

Middel

laag

Hoog

Laag

Laag

Warmtewisselingscoëfficiënt (W/mK)

Hoog

Hoog

0,20 / 0,21

0,17 / 0,22

0,17 / 0,25

16

ECO indicator 95 (mPt)

0,60

-

4

-

-

4,39

Bedrijfstemperatuur (°C)

Nvt

Nvt

-100 / 130 -100 /120

-40 / 90

nvt

Tabel 1 De dichtheid van porselein is afhankelijk van het soort porselein.

GEWOGEN CRITERIA METHODE Om een eerste schifting te doen vergelijken we de objectief toetsbare eigenschappen (hardheid, dichtheid enz.) van de alternatieve materialen volgens de gewogen criteria methode. We gebruiken hiervoor het huidige meest gebruikte materiaal voor servies (porselein) als referentiepunt. De materialen krijgen punten voor betere of slechtere materiaaleigenschappen ten opzichte van porselein. Uiteindelijk zal het materiaal met de meeste punten verder onderzocht worden op het gebied van uitstraling, geschiktheid en over het hoofd geziene complicaties. De eigenschappen van de materialen voldoen slechter ( -1 of –2 ), gelijk ( 0 ) of beter aan de wensen dan die van porselein ( +1 of +2 punten). De eerste 3 wensen zijn het belangrijkst en tellen daarom dubbel. Wensen

ARCOPAL

PC

PPO

PMMA

RVS

Het materiaal moet licht zijn

0

+2

+2

+2

+1

Het moet een goede slagsterkte hebben

0

+2

+2

+2

+2

Het moet een zo groot mogelijke hardheid hebben

0

-1

-1

-2

-1

Materiaalkosten

-1

-1

-1

-1

-2

Vervaardigingskosten

+1

+1

+1

+1

+1

Het logo moet zo eenvoudig mogelijk aan te brengen zijn

0

0

0

0

-2

Het materiaal moet zo lang mogelijk warmte vasthouden (lage warmtewisslingsconstante)

0

+1

+1

+1

-1

Het moet zo makkelijk mogelijk schoon te maken zijn (dus geen ruw oppervlak)

0

0

0

-2

0

Het moet zo min mogelijk milieubelastend zijn

0

-1

-1

-1

-1

Het moet bestand zijn tegen zo hoog mogelijke temperatuurswisselingen

0

0

0

0

0

Totaal

0

+6

+6

+2

-1


6


Scriptie


2001

Nader onderzoek Uit de gewogen criteriamethode komt naar voren dat PPO en PC gemiddeld het best aan de wensen voldoen. Om uit deze twee een goede keuze te maken wordt er nog verder naar de materiaaleigenschappen gekeken. Hierbij ontdekken we dat PC slecht tegen warm water kan en valt daardoor meteen af als materiaal voor servies vanwege eis 2 en 3. We gaan nu verder met PPO / PPE oftewel Noryl. Bij nader onderzoek naar Noryl blijken er enkele nadelen aan het materiaal te kleven. Zo is Noryl zeer lastig te bewerken, wat grotere vervaardigingskosten met zich mee zal brengen en een slechte afwerking. Tevens is het een lelijk grauw materiaal wat moeilijk en slecht gekleurd kan worden. Al met al is dit dus niet een materiaal waar mensen graag van zouden eten en moeten we concluderen dat het toch niet voor servies te gebruiken is. Als we terugkijken zien we dat PMMA in dit geval dan ook geen goede kanshebber is, doordat het dof en daardoor snel lelijk wordt. Conclusie Alle gevonden materialen die voor servies gebruikt konden worden, blijken dus niet of slechter dan porselein te voldoen. We kiezen er dan ook voor om porselein als materiaal te kiezen waarmee verder zal worden gegaan. Om nu toch een verbetering te realiseren in het servies zullen we de verbetering niet in het materiaal maar in de vervaardigingsmethode en de vormgeving moeten zoeken. PORSELEIN Hieronder volgt een beschrijving van het materiaal porselein in al zijn varianten. Keramiek Alle producten van aardewerk en porselein vallen onder het begrip keramiek. Er is geen ander materiaal dat zo veelvuldig in onze dagelijkse leefomgeving wordt gebruikt. Dit is de belangrijkste reden om hoge eisen te stellen aan porselein of aardewerk. Deze producten hebben bovendien een grote invloed op de sfeer waarin ze worden gebruikt. Onder keramiek verstaan wij alle producten die van klei gemaakt zijn en een bakproces hebben ondergaan. Keramiek wordt op basis van kenmerkende eigenschappen onderverdeeld in aardewerk en porselein. Eigenschappen

Aardewerk

Porselein

Gewicht

Zwaarder

Lichter

Dikte

Dikker

Dunner

Doorzichtigheid

Nooit

Min of meer

Klank

Dof

Helder

Baktemperatuur

960 tot 1250°C

1250 tot 1450°C

Stootvastheid

minder sterk

sterker

Krimp

11%

14%

Tabel 2

“Krimp” is de vakterm voor het verminderen van het volume tijdens het gehele productieproces. Ze treedt op tijdens het droogproces door het verliezen van vocht en tijdens het bakproces waarbij de chemische reactie plaatsvindt van het sinteren: het moleculair vervloeien van de grondstoffen. Doordat porselein, evenals aardewerk, vaak het uitgangsmateriaal was en is van cultuur uitingen, vinden wij heel veel artikelen daarvan in onze leefomgeving en musea terug. Doch niet alleen daar. Keramiek is vaak ook een reflectie van onze smaak en het kan een belangrijke bijdrage leveren aan het scheppen van de gewenste sfeer.


7


Scriptie


2001

De geschiedenis van porselein [1] Porselein is een type keramiek, hoog gewaardeerd vanwege zijn schoonheid en sterkte. Het materiaal wordt gekarakteriseerd door zijn witheid en doorschijnendheid. Porselein wordt ook wel china of chinaware genoemd, omdat het voor het eerst in China gefabriceerd werd (rond 700 nC). Porselein verschilt van andere typen keramiek qua ingrediënten en qua fabricageproces. Twee veel voorkomende typen keramiek – earthenware en stoneware – worden gemaakt van een enkele kleisoort dat wordt gestookt (gebakken). In veel gevallen wordt het product geglazuurd, d.w.z. voorzien van een (gekleurde) glazige laag. Stoken op lage temperatuur produceert earthenware dat van zichzelf een poreus materiaal is. Om het waterdicht te krijgen is een glazuurlaag noodzakelijk. Met stoken op hoge temperatuur wordt stoneware verkregen dat zonder glazuur ook al niet-poreus is, dit is een hard en zwaar materiaal. In tegenstelling tot earthenware en stoneware wordt porselein gemaakt van een mengsel van twee ingrediënten: kaoline en petuntse. Kaoline is een zuivere witte klei die ontstaat als het mineraal veldspaat afgebroken wordt. Petuntse is een type veldspaat dat alleen in China gevonden wordt. Het mengsel van deze twee materialen wordt gestookt op temperaturen tussen de 1250 en 1450 °C. Op deze extreme temperaturen smelt de petuntse samen en vormt een niet-poreuze natuurlijke glassoort. Het kaoline, dat bestand is tegen zeer hoge temperaturen, smelt niet en zorgt ervoor dat het voorwerp zijn vorm behoudt. Het proces eindigt als de petuntse zich aan het kaoline hecht. Soorten porselein Er zijn globaal drie soorten porselein te onderscheiden: 27. hard-paste porselein 28. soft-paste porselein 29. bone china Het verschil tussen deze typen is gebaseerd op het materiaal waarvan ze zijn gemaakt. Dit materiaal wordt de body of paste genoemd. Hard-paste porselein is het ideaal van porselein makers. Dit type porselein werd het eerste ontwikkeld door de Chinezen uit kaoline en petuntse. Hard-paste porselein is veel beter bestand tegen smelten dan de overige typen en kan daardoor bij veel hogere temperaturen gestookt worden. Het gevolg hiervan is dat de body en het glazuur één worden: wanneer dit porselein wordt gebroken, is het onmogelijk de twee afzonderlijke delen te bepalen. Soft-paste porselein werd in Europa ontwikkeld in een poging het Chinese porselein te imiteren. Hiertoe experimenteerden ze met veel materialen om een substantie te produceren dat hard, wit en doorschijnend was. Uiteindelijk gebruikten ze mengsels van fijne kleisoorten en glasachtige substanties. Deze materialen smelten bij de temperaturen gebruikt bij de stook van hard-paste porselein, daarom wordt dit gestookt bij lagere temperaturen, waardoor soft-paste porselein ietwat poreus blijft. Als je een stukje afbreekt van soft-paste porselein, zie je een korrelige body met een glasachtige glazuurlaag eromheen. Alhoewel dit type porselein werd uitgevonden in een poging ”echt” porselein te imiteren, heeft het zijn eigen eigenschappen die het geliefd maken bij veel mensen: de kleur is eerder crème dan spierwit en kleuren gebruikt voor decoratie smelten samen met het glazuur, wat een zacht, zijdeachtig effect geeft, en is matig doorschijnend. Veel hotel porselein is van deze soort gemaakt, dat ook wel vitro porselein wordt genoemd. Dit vanwege zijn hard- en stootvastheid. Bone china wordt gemaakt door as van dierenbotten aan kaoline en petuntse toe te voegen. Engelse porselein fabrikanten ontdekten deze combinatie van ingrediënten in 1750 en Engeland is nog steeds hoofdproducent van dit type porselein. Alhoewel bone china niet zo hard is als hard-paste porselein, is het duurzamer dan soft-paste porselein. De toevoeging van as vergroot de doorschijnendheid. Omdat deze porseleinsoort een helder witte, romige glans heeft en zeer doorschijnend is, wordt deze in vakkringen wel als het edelste soort porselein beschouwd.


8


Scriptie


2001

Decoreren van porselein Een porseleinen voorwerp wordt vormgegeven op een draaischijf of in een mal. Hierna kan het voorwerp gedecoreerd worden d.m.v. oppervlakte aanpassingen, verven of transfer printen. Oppervlakte aanpassingen worden bereikt door snijden, perforeren en embosseren (het aanbrengen van verheven figuren). Een bekende methode van embosseren van porselein, is het met een kwast aanbrengen van een mengsel van klei met water (slip) op het voorwerp. Reliëf wordt meestal afzonderlijk gemaakt en later aan elkaar bevestigd. Verven van porselein kan op verschillende manieren. Methodes zijn: gebruik van gekleurde glazuur [2] patronen op het porselein schilderen voordat het wordt geglazuurd (underglaze) verven over een glazuurlaag. Deze verven worden wel emailles genoemd, ze hebben een tweede stook nodig om permanent te worden. Transfer printen was een revolutie in de porselein industrie in 1756, omdat men nu in staat was producten beduidend sneller te decoreren dan met de hand gedaan kon worden. In dit proces wordt een decoratie gegraveerd in een koperen plaat, die wordt geïnkt met een keramische kleur en getransferd op speciaal papier. Als de kleur nog nat is, wordt het papier tegen het porseleinen voorwerp gedrukt, waarna de tekening achterblijft. Ook bij deze methode is een tweede stook noodzakelijk. Aardewerk De scherf is niet (geheel) gesinterd, d.w.z. dat tijdens het bakproces het materiaal niet geheel is dicht gevloeid. Het blijft daardoor poreus. Voor gebruiksvoorwerpen die in aanraking komen met voedsel is daarom glazuren noodzakelijk. Door glazuren wordt een dun laagje glas aangebracht. Het poreuze aardewerk krijgt op deze wijze een niet-vochtdoorlatende laag. De scherf wordt niet alleen waterdicht, maar tevens wordt de stootvastheid van het product vergroot. De eigenschappen van de verschillende aardewerksoorten lopen uiteen van: zacht tot hard niet sterk tot sterk zeer poreus tot bijna niet poreus Aardewerk is op diverse manieren te maken, van handwerk tot machinewerk. Het materiaal leent zich voor een grote verscheidenheid aan kleuren, vormen en producten. Dat is ook kenmerkend voor het geglazuurde aardewerk. Daarom kun je eindeloos combineren met kleuren, vormen en kwaliteiten. Het verklaart meteen waarom aardewerk zo razend populair is. Egyptian paste [2] Een heel apart soort aardewerk, dat niet langer gangbaar is voor commercieel gebruik, is Egyptian paste. Dit aardewerk werd gebruikt door de oude egyptenaren sinds 7000 vC. Egyptian paste is bijzonder omdat het self-glazing is: een aparte laag glazuur is niet nodig. Het werd gemaakt van een mengsel van zand, klei, potas veldspaat en soda bij lage stooktemperaturen. De body van dit aardewerk bevat oplosbare zouten die naar het oppervlak komen als het voorwerp ligt te drogen. Deze laag zout glazuurt het oppervlak en helpt de kleibody met versmelten bij lage temperaturen. Omdat Egyptian paste het gehele product glazuurt, moet het voorwerp op “pootjes” gestookt worden, om te voorkomen dat het aan de bodem vast glazuurt. Egyptian paste wordt meestal gestookt op temperaturen tussen de 900 en 1000 ºC. Industriële fabricage van servies Voor het industrieel fabriceren van serviesgoed wordt er onderscheid gemaakt in flatware (borden enz.) en hollowware (kopjes enz.), oren van koppen worden afzonderlijk gemaakt en later bevestigd. Voor het vormen en decoreren zijn er machines beschikbaar [3] die een snelheid halen van 20 stuks per minuut. Verbeterde apparatuur komt dit jaar op de markt.


9


Scriptie


2001

Een innovatie op het gebied van industriële fabricage van serviesgoed is het spuitgieten van gerecycled porselein. [4] De technologie van Porcelain Injection Moulding (PIM) bestaat uit het spuitgieten van een mengsel van (gerecycled) porselein-poeder met een passende combinatie van bindmiddelen, smeermiddelen en plastificeerder. Als het gevormde deel uit de mal verwijderd wordt, heeft het (in de ideale situatie) een uniforme verdeling van poeder. De toevoegingen verdwijnen uit het product tijdens het stoken. De informatie die in dit stadium over het spuitgieten van porselein gevonden is, verhaalt echter alleen van een experimenteel proces. TECHNOLOGIEKEUZE Er zijn al enkele bedrijven die zich bezighouden met het Powder injection moulding. Zoals hierboven al omschreven gaat het over een spuitgietmethode die te vergelijken is met het spuitgieten van polymeren en alle bijkomende voordelen. Zo zal de kostprijs van het product sterk omlaag kunnen doordat er sneller geproduceerd kan worden. Een opsomming van de voordelen ten opzichte van de klassieke vervaardigingsmethoden van porselein volgt hieronder. Vorm complexiteit. Doordat er gespuitgiet gaat worden kan het product in een keer worden vervaardigd, wat veel tijd scheelt. Zo moeten bij de oude vervaardigingmethode bij het produceren van bv een kopje, het oortje en de kop zelf apart worden gemaakt waarna ze later pas weer bij elkaar komen. Lage kosten. Er kan een zeer hoog productieaantal worden bereikt aangezien spuitgieten een zeer snel proces is. Bovendien zullen de materiaalkosten minder zijn aangezien de wanddiktes van het product dunner kunnen worden gemaakt. Hoge kwaliteit. Door het toevoegen van speciale bindersystemen onstaat er een kwaliteit die zeker is te vergelijken met de kwaliteit van het huidige porselein en vaak beter is. Mogelijkheid om product te vormen zonder al te veel nawerkingen. Bij het huidige gieten van porselein en aardewerk onstaat er braamvorming wat veel tijd kost om dit bij te werken. Bij het spuitgieten zullen deze nawerkingen veel minder tijd kosten, omdat braamvorming niet of nauwelijks voor zal komen; het is een veel nauwkeuriger vervaardigingsproces. Doordat spuitgieten een nauwkeuriger vervaardigingsproces is dan het traditioneel vormen van porselein, zal het eenvoudiger zijn het servies te laten voldoen aan de classificering A of A1 voor maatnauwkeurigheid. Vanwege het grote aantal voordelen van het spuitgieten tov de oude methode, zie bijlage bedrijfsbezoek Koninklijke Porceleyne Fles, wordt er verder gegaan met deze vervaardigingsmethode. PORSELEIN SPUITGIETEN Powder injection moulding Spuitgieten heeft veel specifieke voordelen vergeleken met andere vormingsmethoden vanwege zijn hoge productiviteit, automatisering en de mogelijkheden die het biedt tijdens het gieten, zie figuur 1. Recente ontwikkelingen op het veld van ‘binders’ maakt deze technologie meer en meer belangrijk voor producenten van technische keramieken. Het biedt namelijk grote voordelen voor producten met een gecompliceerde geometrie. Echter voor de producenten van huis-, tuin- en keukenservies biedt deze methode ook zeer veel voordelen, zie het kopje technologiekeuze. M.b.v. het powder injection moulding kunnen er ook metaalpoeders worden verwerkt. Het spuitgieten vertegenwoordigt slechts één stap van het vervaardigingsproces en daarom moet het bekeken worden in nauwe samenhang met de andere stappen van het proces, zie figuur 2.


10


Scriptie


2001

Het proces van powder injection moulding [5]

Figuur 1 Het powder injection moulding proces.

Figuur 2 Gespuitgiete delen gemaakt van Al2O3 (Haldenwanger, Waldkraiburg)

Figuur 3 laat het powder injection moulding zien in relatie tot productie aantallen en de complexiteit van de producten. De pijlen op de oppervlakte van het powder injection moulding betekenen dat dit proces voorafgaat aan de andere processen.


11


Scriptie


2001

Figuur 3 Geselecteerde vormingsprocessen als een functie van productieaantallen en compexiteit van de componenten

Compounding Om een vloeibaar materiaal te verkrijgen dat gebruikt kan worden om te spuitgieten, wordt het poeder gemixed met een thermoplastisch bindersysteem wat bestaat uit wax en polymeren in een volumeratio van ongeveer 60/40. Als binder wordt vaak water gebruikt voor de traditionele keramische producten zoals borden en kopjes. Binders zoals polymeren worden vooral gebruikt voor de technische keramieken. Het mixen wordt gedaan met behulp van speciale machines (kneders, schroef-extrudeerapparaten, shear roller extruder) die in staat zijn om hoge afschuifkrachten te produceren in het materiaal dat wordt verdicht. Extreme fijne poeders (gemiddelde korrelgrootte van ongeveer 0,5 tot 10 µm) en een relatieve grote hoeveelheid van het vaste volume van het materiaal maakt het mixproces moeilijk. Om te beginnen met dit proces wordt de binder in vloeibare vorm gebracht onder invloed van temperatuureffecten. Vervolgens wordt het keramische poeder erin gemixed. In het ideale geval worden alle deeltjes van het keramische poeder bedekt met een dun laagje bindermateriaal, waardoor de wrijving tussen de verschillende deeltjes verminderd wordt. Injection Moulding Tijdens het spuitgieten wordt het geheel gesmolten in een verwarmde plastificatie eenheid. De proces temperatuur ligt ongeveer 20 ºC boven de temperatuur waarbij de binder met het hoogste smeltpunt, vaak is dit een polymeer, begint te smelten. Het vloeibare gietmateriaal wordt in een apparaat met een temperatuur van 20 ºC tot 40 ºC gespoten waar het geheel bevriest. Het gespuitgiete deel kan nu worden verwijderd uit de matrijs. De spuitgietmachines die gebruikt worden bij het spuitgieten van polymeren kunnen ook hier worden gebruikt. Ze zullen echter moeten worden uitgerust met een draagresistent plastificatie laag vanwege de hoge afschaving van de gebruikte poeders. Debinding De moeilijkste stap van het proces is het ontbinden. Voor het sinteren zal het bindermateriaal dat tijdelijk gebruikt werd voor het spuitgieten moeten worden verwijderd. Afhankelijk van de gebruikte binder wordt dit gedaan door Thermische decompositie Oplosmiddelen of Chemische decompositie Een combinatie van deze methodes is ook mogelijk. Thermische compositie wordt echter het meeste gebruikt hoewel dit gepaard gaat met een langzame verhitting van 2 tot 10 ºC/h. De poederkorrelgrootte en de korrelgrootte-verspreiding, de compositie van de binder (smelttemperatuur), de hoeveelheid volume en ook de ovenatmosfeer zijn belangrijk voor de temperatuur controle.


12


Scriptie


2001

Als de thermische decompositie te snel gaat, bouwt er zich een druk op vooral in de grootte doorsnedes van de deeltjes (> 5mm). Dit kan leiden tot scheurtjes en oneffenheden die niet zullen verdwijnen tijdens het opvolgende sinteringproces. Bij een temperatuur van ongeveer 400ºC tot 450 ºC zijn bijna alle binderdeeltjes verdwenen. Een breekbaar poederframe blijft over dat in vorm blijft door binderresten en door adhesiekrachten van het poeder. Het gietdeel in deze staat wordt het ‘bruine deel’ genoemd. Sintering Het zonder druk sinteren valt onder de laatste stap van het proces. Door het verhitten van het ’bruine deel’ tot sintertemperatuur, ontstaat er een diffusie van de poederatomen die elkaar raken. Dus er ontstaat een keramiek product met een dichtheid van 95 tot 99% van de theoretische waarde. Het ‘bruine deel’ krimpt in relatie tot de hoeveelheid gebruikte bindermateriaal. Ondanks een lineaire krimp van bijna 15% met een bindervolume van 40% maakt deze methode het mogelijk om toleranties te bereiken van 0,2 tot 0,4 % van de nominale maat. Nieuwe ontwikkelingen Dankzij de meest recente ontwikkelingen in de spuitgietproductie en in de bindermaterialen, is het spuitgieten een concurrerende vervaardigingsmethode geworden voor zowel keramische componenten als voor traditionele keramische huis-, tuin- en keukenproducten. Vooral het feit dat deze methode een lagere kostprijs en een verhoogde automatisering met zich meebrengt maakt powder injection moulding tot een zeer bruikbare vervaardigingsmethode voor het produceren van een porseleinen servies. De voordelen van Powder injection moulding: Vorm complexiteit Lage kosten Hoge kwaliteit Mogelijkheid om product te vormen zonder al te veel nawerkingen [6] Op het moment wordt er hard gewerkt om vervangers voor water en andere organische materialen te ontwikkelen. Het belangrijkste punt hierbij is dat deze binders sneller kunnen worden onttrokken aan het keramische poeder. Er bestaat een vervanger voor het gebruik van water bij PIM, ceramic adjuvent genaamd. Dit materiaal vergroot het vloeien en de werkbaarheid van het porselein. Bovendien verbetert het plakken, ‘packing’ en condensatie waardoor er een mooier product ontstaat.[7] Dankzij de meest recente ontwikkelingen in de spuitgietproductie en ‘binder’ ontwikkelingen, is het spuitgieten een concurrerende vervaardigingsmethode geworden voor zowel keramische componenten als voor traditionele keramische huis- en tuin- en keukenproducten. Vooral het feit dat deze methode een lagere kostprijs en een verhoogde automatisering met zich meebrengt maakt Powder injection moulding tot een zeer bruikbare vervaardigingsmethode voor het produceren van een porseleinen servies. COATINGS Als een van de eisen in het PVE staat genoemd dat bij normaal gebruik het servies na één wasbeurt in de wasstraat van een spoelkeuken schoon moet zijn, dit omdat kantineservies snel en in grote hoeveelheden afgewassen moet worden. Het is onmogelijk om elk bord na het wassen afzonderlijk te controleren en eventueel nog eens te wassen, omdat dit teveel tijd en energie vergt. In de praktijk is dit jammer genoeg aan de orde van de dag, zoals uit het bezoek aan de spoelkeuken bleek. De aangewezen methode om ervoor te zorgen dat aangekoekte etensresten eenvoudig van het servies te verwijderen zijn, is het aanbrengen van een coating. De werking van een coating kan als volgt worden samengevat: Een coating zorgt ervoor dat het oppervlak van een materiaal gladder wordt dan het van zichzelf is, zodat vuildeeltjes minder oppervlak hebben om zich aan te hechten. Tevens kan een coating door zijn eigen specifieke materiaaleigenschappen onder invloed van bepaalde factoren een vuilafbrekende werking hebben.


13


Scriptie


2001

Een voorbeeld van de laatste soort coating is ontwikkeld door het Laboratorium Photocatalyse, Catalyse et Environnement [8] van de Ecole Centrale in Lyon. Dit laboratorium heeft een techniek ontwikkeld waarmee ruiten zodanig kunnen worden behandeld dat zij zelfreinigend worden. Onderzoek heeft ertoe geleid dat men heeft ontdekt dat een uiterst dunne laag van titaniumdioxide (TiO2) op een ruit kan worden aangebracht. Deze zeer dunne laag heeft geen nadelige invloed op de transparantie van het glas. De laag heeft echter wel de eigenschap om bijvoorbeeld vingerafdrukken of andere vettige sporen op de ruit te doen verdwijnen. Onder invloed van ultraviolet licht zorgt het titaniumdioxide ervoor dat het merendeel van de organische verbindingen die met het oppervlak in aanraking komen worden gedegradeerd (oxidatie) en daarmee verdwijnen. Dit zou op zich een ideale coating zijn voor servies, ware het niet dat de afbraak van de organische verbindingen onder invloed van ultraviolet licht plaatsvindt, wat niet standaard voorhanden is in spoelkeukens en veel te langzaam plaatsvindt voor het doel. Daarnaast moet de coating aan enkele belangrijke eisen voldoen: De coating mag geen contaminerende werking hebben op het voedsel. De coating moet bestand zijn tegen slijtage door gebruik van bestek op het servies. Bestand zijn tegen de reinigingsmiddelen die in de spoelkeuken worden gebruikt. Bestand zijn tegen sterk wisselende temperaturen met een maximum van zo’n 100 ºC. In het octrooi met nummer DE19617147 wordt gesproken over een teflon-coating voor porselein-, keramieken glaswaren. Teflon heeft hele goede anti-plak eigenschappen, maar heeft als groot nadeel dat het niet krasvast is. In dit octrooi wordt dan ook voornamelijk de toepassing beschreven voor gebruik op ovenvaste schalen en dergelijke. Een andere coating die wellicht wel toepasbaar is op kantineservies, is die gebruikt door de fabrikant Villeroy & Boch. Deze fabrikant van onder andere sanitair heeft een sanitair-lijn genaamd “ceramicplus”, dit is een nieuwe soort vuilafstotende en weinig onderhoud vragende keramiek, aldus hun brochure. Wat precies het vuilafstotende bestanddeel is en of dit toepasbaar is op serviezen hebben we jammer genoeg niet weten te achterhalen. Voor deze opdracht hebben we dus geen coating weten te vinden die voldoet aan alle eisen. Om toch aan de eis van het eenvoudig te reinigen zijn van het servies tegemoet te komen, is het zaak om met een expert op het gebied van glazuren, het glazuur te kiezen dat de grootste hardheid heeft en het gladste oppervlak van de glazuren die beschikbaar zijn. CONCEPTEN Conceptgeneratie: Aan de hand van de volgende aandachtspunten zijn er concepten bedacht: Het servies moet zo glad mogelijk zijn; Het servies moet goed stapelbaar zijn, d.w.z. het mag niet t.o.v. elkaar schuiven; Er moet genoeg ruimte zijn tussen gestapeld servies om er met een vinger onder te komen (ca. 2mm); De stapelbaarheid van de koppen en soepkommen mag niet belemmerd worden door het oor; Alles moet zoveel mogelijk afgerond zijn (minder snel afbreken van hoeken); Er mogen geen materiaalopeenhopingen zijn; De wanddikte van het servies moet kleiner zijn dan die van het bestaande servies (4 mm of minder); Er moeten gleufjes onder het servies komen zodat het niet gaat “aquaplannen”; Onderkopjes zijn overbodig; Kopjes en mokken zijn hetzelfde; Rekening houden met ongeveer 15% krimp; Alles moet lossend zijn (met zo min mogelijk schuiven of kernen).


14


Scriptie


2001

Omdat de borden, koppen, kommen en bakjes bij elkaar passende vormen moeten hebben is er eerst een standaard vorm bedacht, waarna de specifieke eisen van bord danwel kop enz. zijn ingevuld. Hiervoor is begonnen met het bedenken van de doorsneden van het bord. Hoewel er door het spuitgieten complexere (niet rotatie-symmetrische) vormen makkelijk mogelijk zijn, moeten de borden toch rond blijven, omdat ze anders niet meer in de standaard opslagsystemen kunnen worden geplaatst (zie Fig 5). Voor enkele doorsneden zie Fig 4. Uit verschillende doorsneden van het bord is de meest ideale (wat betreft materiaaldikte, materiaalopeenhoping, voldoen aan de eisen) gekozen (zie Fig 14). De andere onderdelen hebben dezelfde vormgeving wat betreft onderkant en globale vorm, en zijn aan de hand van dit bord ontworpen, rekening houdend met de specifieke eisen per onderdeel.

Er is veel aandacht besteed aan de koppen, en dan vooral aan het oor. De aanwezigheid van het oor verslechtert de stapelbaarheid aanzienlijk (en bemoeilijkt ook het spuitgieten), dus hier zijn een aantal oplossingen voor bedacht, alvorens een keuze te maken (zie Fig 7,8 en 9). De keuze: De belangrijkste redenen Ribbels aan de onderkant bij alle onderdelen: Ribbels niet helemaal rond laten doorlopen, onderbroken ribbels maken makkelijker schoon (het vuil veegt er makkelijker uit). Deze ribbels zijn bij alle onderdelen van het servies aangebracht (zie Fig 6). Het bord: Grepen zijn niet handig, ze nemen te veel ruimte in beslag en er breken te makkelijk stukjes af Vierkante borden zijn niet mogelijk, de omtrekvorm van borden moet dezelfde blijven als bij de huidige serviezen (i.v.m. opslagsysteem) Kleine borden hebben dezelfde vormgeving als grote, alleen andere afmetingen/verhoudingen (zie definitief ontwerp) De kop / het oor: Bij een gesloten oor zou er een schuif nodig zijn Het oor bij koppen en kommen mag niet te breed worden, in verband met de stapelbaarheid (zie Fig 8). Een L-vormig oor is niet voldoende (schenkt niet makkelijk), er moet een soort vlak aan komen waar je je duim op kwijt kan (zie Fig 9) Bakjes: Bakjes kunnen rechthoekig, hier is geen standaard vorm voor (aanvoersysteem), dus vierkant kan. Vierkante bakjes zijn beter voor de oppervlakteverdeling op het dienblad Soepkommen: De soepkommen hebben in principe dezelfde vormgeving als de mokken, alleen andere verhoudingen/afmetingen (zie definitief ontwerp).


15


Scriptie


2001

Figuur 4 Enkele doorsneden van borden

Figuur 5 Bordenopslagsysteem

Figuur 6 Doorlopende en onderbroken ribbels

Figuur 7 Een oor


16


Scriptie


2001

Figuur 8 Invloed breedte oor op stapelbaarheid

Figuur 9 Duimvlak

Definitief ontwerp:

Figuur 10 Bord, diameter 25cm


17


Scriptie


2001

Figuur 11 M

Figuur 12 Soepkom


18


Scriptie


2001

Figuur 13 Groot bakje / Klein bakje (plaatjes niet op dezelfde schaal)

Figuur 14 Doorsnede bord; buitendiameter 25 cm

Figuur 15 Aanzichten kopje/mok

Figuur 16 Aanzichten soepkom

Voordelen spuitgieten bij dit ontwerp: Oortjes van koppen en soepkommen kunnen meteen worden meegegoten Oortjes en grepen van de bakjes zouden bij traditionele manier van vervaardigen tijdens het bakken naar beneden zakken Vrijere vormen zijn mogelijk Niet rotatie-symmetrische vormen kunnen véél makkelijker gemaakt worden KOSTPRIJSBEREKENING Om de kostprijs van servies vervaardigd door middel van Powder Injection-moulding te kunnen vergelijken met servies vervaardigd volgens traditionele methoden, zullen we ons beperken tot


19


Scriptie


2001

de berekening van een bord van ongeveer dezelfde afmetingen. Vervaardigd met traditionele methoden zijn de kosten voor een bord (inclusief) logo f15,00. Uitgegaan wordt van een totaalserie van 250.000 stuks. Voor het berekenen van de kostprijs is het noodzakelijk om te weten welke stappen het productieproces doorloopt van het begin tot aan het eindprodukt: 1. Aanvoer grondstoffen: kaoline, petuntse, bindmiddel en grondstoffen voor glazuur en logo. 2. Mengen kaoline, petuntse en bindmiddel. 3. In spuitgietmachine mengsel in matrijs spuiten. 4. Uitstoten product. 5. Bramen en dergelijke verwijderen. 6. Debinding. 7. Sinteren in oven op een temperatuur tussen de 1250 en 1450 °C en afkoelen. 8. Mengen glazuur en spuiten op borden. 9. Glazuur stoken en afkoelen. 10. Logo aanbrengen door middel van transfer-techniek. 11. Logo stoken en afkoelen. 12. Verpakken en vervoeren. Als de volgende gegevens voor een spuitgietmachine met een maximaal “shot”-gewicht van 2 kg en een maximale sluitkracht van 5 MN van toepassing zijn: Investering (incl. Opstellingskosten)

f 500.000,-

Bezetting in aantal ploegen per dag

1

Afschrijfperiode

5 jaar

Restwaarde na 5 jaar

verwaarloosbaar

Netto aantal bedrijfsuren per jaar

2000

Rentepercentage

12 %

Onderhoudskosten per jaar

6%

Energiekosten per ploeg per jaar

4%

Benodigd bruto vloeroppervlak

80 m

“Vierkante

f 250,-

meter prijs” per jaar

2 P

P

Hieruit volgt: Afschrijvingskosten

1/5 x f 500.000,-

f 100.000,-

Rentekosten

½ x 12 % x f 500.000,-

f 30.000,-

Onderhoudskosten

6 % x f 500.000,-

f 30.000,-

Energiekosten

1 x 4 % x f 500.000,-

f 20.000,-

Huisvestingskosten

80 x f 250,

f 20.000,-

Totaal

f 200.000,-

Het machine-uurtarief voor de spuitgietmachine: M 1 =

f 200.000,− = f 100,− 2000

Als de volgende gegevens voor 2 ovens van toepassing zijn: Investering (incl. Opstellingskosten)

f 800.000,-

Afschrijfperiode

20 jaar


1


20


Scriptie



verwaarloosbaar


12000

Rentepercentage

12 %


6%


4%


100 m2

“Vierkante meter prijs” per jaar

F 250,-

2001


1/20 x f 800.000,-

f 40.000,-

Rentekosten

½ x 12 % x f 800.000,-

f 48.000,-

Onderhoudskosten

6 % x f 800.000,-

f 48.000,-

Energiekosten

1 x 4 % x f 800.000,-

f 32.000,-

Huisvestingskosten

100 x f 250,-

f 25.000,-

Totaal

f 193.000,-

Het machine-uurtarief voor de ovens: M 2 =

f 193.000,− = f 16,− 12000

Als de volgende gegevens voor 1 glazuur-spuitcabine van toepassing zijn: Investering (incl. Opstellingskosten)

f 40.000,-


1

Afschrijfperiode

10 jaar


verwaarloosbaar


2000

Rentepercentage

12 %


6%


4%


20 m2


f 250,-


1/10 x f 40.000,-

f 4.000,-

Rentekosten

½ x 12 % x f 40.000,-

f 2.400,-

Onderhoudskosten

6 % x f 40.000,-

f 2.400,-

Energiekosten

1 x 4 % x f 40.000,-

f 1.600,-

Huisvestingskosten

20 x f 250,-

f 5.000,-

Totaal

f 15.400,-

Als de volgende gegevens voor 1 decoreermachine van toepassing zijn: Investering (incl. Opstellingskosten)


f 10.000,-

21


Scriptie



1

Afschrijfperiode

10 jaar


verwaarloosbaar


2000

Rentepercentage

12 %


6%


4%


15 m2


f 250,-

2001


1/10 x f 10.000,-

f 1.000,-

Rentekosten

½ x 12 % x f 10.000,-

f 600,-

Onderhoudskosten

6 % x f 10.000,-

f 600,-

Energiekosten

1 x 4 % x f 10.000,-

f 400,-

Huisvestingskosten

15 x f 250,-

f 3.750,-

Totaal

f 6.350,-

Het machine-uurtarief voor de decoreermachine: M 4 =

f 6.350,− = f 3,− 2000

Als verder de volgende gegevens van toepassing zijn: Productmassa

0,4 kg per stuk

Totale materiaalkosten per kg (kaoline, veldspaat, zand, bindmiddel, glazuur)

f 0,625

Mens-uurtarief machinebediende

f 36,- /uur

Mens-uurtarief machinesteller

f 48,- /uur

Insteltijd spuitgietmachine (eenmalig)

10 uur

Insteltijd glazuur-spuitcabine (eenmalig)

10 uur

Gemiddeld aantal producten per uur spuitgietmachine

40

Gemiddeld aantal producten per uur ovens

333

Gemiddeld aantal producten per uur glazuur-spuitcabine

120

Gemiddeld aantal producten per uur decoreermachine

1200

Matrijskosten spuitgietmachine

f 200.000,-

Uitvalpercentage

1%

Overheadkosten productiefaciliteiten

15 %

Grootte van de totaalserie

200.000 stuks


22


Scriptie


2001

Hieruit volgt dan: Materiaalkosten

0,4 x f 0,625

f 0,25

Mens-machinekosten spuitgietmachine

f 36,- + f 100,- / 40

f 3,40

Mens-machinekosten ovens

f 36,- + f 16,- / 333

f 0,16

Mens-machinekosten glazuur-spuitcabine

f 36,- + f 8,- / 120

f 0,37

Mens-machinekosten decoreermachine

f 36,- + f 3,- / 1200

f 0,03

Mens-machinekosten totaal

f 3,96

f 200.000,- / 200.000

f 1,-

Aandeel gereedschapskosten

Aandeel instelkosten 20 x (f 48,- + f 100,- + f 8,-) / 200.000 Subtotaal

f 0,02 f 5,23

Toeslag voor uitval en overhead: 16 % f 0,84 Productiekostprijs

f 6,07

De hier aangenomen getallen zijn gebaseerd op de cijfers vermeld in H 14 van het boek “Industriele productie, het voortbrengen van mechanische producten” en gezond verstand. Wij zijn daarom van mening dat dit een redelijk te verwachten productiekostprijs is. TOETSING Ten eerste moet het concept getoetst worden aan het pve. Het nieuwe concept voldoet aan de meeste eisen gesteld in het pve. Alleen eis 6 dat er geen kleine stukjes af mogen breken hebben we nog niet kunnen toetsen. Bij andere eisen konden we met grote zekerheid aannemen dat ze wel voldeden zonder het concept te toetsen aangezien het huidige porselein daar al aan voldoet. Ten tweede moet het concept aan onze wensen gesteld in het pvw voldoen, wil het concept een oplossing zijn voor onze probleemstelling. Programma van Wensen 1. Het product moet lichter zijn dan het huidige kantineservies. Het concept is vervaardigd uit het zelfde materiaal en de dichtheid is dus ook het zelfde. Toch is het concept lichter aangezien er met spuitgieten dunnere wantdiktes gerealiseerd kunnen worden met een gelijke sterkte. 2. Het product moet de warmte langer vast kunnen houden, oftewel een lagere warmtegeleidingscoëfficiënt hebben dan het huidige kantineservies. Aangezien het materiaal nog steeds porselein is zal de warmtewisselingscoëffiënt hetzelfde zijn. Een dikkere wanddikte van het concept zou dit kunnen verbeteren, maar dat is niet het geval. Het concept is bij deze wens dus geen verbetering. 3. Het gewassen product moet sneller drogen dan het huidige servies. Deze wens heeft betrekking op de adhesie van het product en weer de warmtewisselingscoëfficiënt. Aangezien deze onveranderd is, treedt ook hier geen verbetering op.


23


Scriptie


2001

4. Het product moet makkelijker schoongemaakt kunnen worden in de vaatwasser dan het huidige kantineservies. 5. De kostprijs van het product moet lager zijn dan die van het huidige kantineservies door: lage materiaalkosten lage vervaardigingskosten efficiënt materiaalgebruik efficiënte vervaardigingstechniek Het doel van een forse prijsvermindering ten opzichte van het huidige kantine-servies à f 15,hebben wij ruimschoots behaald ( zie kostprijsberekening), ook als wordt aangenomen dat de genoemde f 15,- de inkoopsprijs betreft. 6. Het product mag niet teveel milieubelastend zijn. Evenals het huidige porselein belast het gepuitgiete porselein het milieu vrij weinig. Bedenk wel dat het theoretisch mogelijk is porselein te spuitgieten, van oud gerecycled porselein. 7. Grotere degelijkheid door een grotere slagsterkte dan het huidige kantineservies. 8. Grote krasvastheid door een hoge hardheid van het oppervlak. Deze wens slaat ook weer op het materiaal en het concept heeft dus weer dezelfde waarden. Door dat het gespuitgiete porselein gesinterd wordt zou het harder en sterker kunnen zijn dan het huidige porselein. Hierover is echter nog geen eenduidige informatie beschikbaar. CONCLUSIE Na veel onderzoek zijn we erachter gekomen dat er op dit moment nog geen goede plaatsvervangende materialen voor porselein zijn. Door een andere technologiekeuze hebben we getracht toch een verbetering te realiseren in het huidige servies. Terugkijkend op de probleemstelling zien we dat ons uiteindelijk concept een goede oplosing is voor het probleem. De verbeteringen zijn alleen niet zo drastisch en revolutionair als we eerst gehoopt hadden, aangezien we de oplossing eerst in een nieuw materiaal zochten. Toen dat niet lukte hebben we gekozen voor een compleet nieuwe vervaardigingstechniek van servies. Achteraf mogen we toch blij zijn dat het gelukt is een al eeuwen oud concept te verbeteren. Deze verbetering manifesteert zich dan vooral in een lager gewicht door dunne wanden en een grotere precisie. Tevens is de kostprijs lager doordat dit servies met spuitgieten beter geschikt is voor industriële productie in grote series. Vooral het gewicht is het grote probleem bij het huidige servies en daar is nu een reële oplossing voor gecreëerd en gerealiseerd in ons concept. Naar onze mening is een goede oplossing voor het probleem gevonden en is daarmee de opdracht geslaagd. Men moet wel bedenken het het spuitgieten van porselein een tot noch toe zeldzaam proces is en dat er nog zeer weinig informatie over te vinden is. De door ons gevonden informatie hebben we zelf samengesteld uit kleine brokjes informatie gevonden op internet, gecombineerd met onze huidige kennis en technisch inzicht. Omdat het lastig is geweest om aan concrete feiten als bv slagsterkte van gespuitgiet porselein te komen, zijn veel eigenschappen gebaseerd op aannames. Hierbij zouden producten vervaardigd met een proefopstelling uitkomst kunnen bieden.

Delft, 21 maart 2001


24


Scriptie


2001

LIJST VAN BRONNEN Naast de verwijzingen vermeld in het verslag zijn de volgende bronnen gebruikt. Industrial materials polymers, ceramics, and composites, volume2, David A. Colling, Thomas Vasilos Ceramics, Mechanical Properties, Failure Behaviour,Materials Selection, D. Munz, T. Fett Dictaat IDE442 materialiseren, November 2000 Dictaat MK75 Materiaalkunde voor Industrieel Ontwerpen, Practicumhandleiding Materiaalkunde2, B.W. Oude Engberink/ P. van Mourik/ J. Zuidema H 14: Produktiekosten, uit: Industriele productie, het voortbrengen van mechanische producten; Prof. Dr. Ir. H.J.J. Kals, Ir. C.A. van Luttervelt, Ir. K.A. Moulijn. ã 1996 De Vey Mestdagh BV, Middelburg. Solke Pasveer, expert op het gebied van aardewerk en porselein, werkend bij de Koninklijke Porceleyne Fles.

BIJLAGE BEDRIJFSBEZOEK Rapportage Bedrijfsbezoek Koninklijke Porceleyne Fles Datum: Woensdag 7 maart 2001 Bedrijf: Koninklijke Porceleyne Fles Rotterdamseweg 196 2600 AA Delft Contactpersoon: Solke Pasveer De Koninklijke Porceleyne Fles, in tegenstelling tot wat de naam suggereert, is een bedrijf dat aardewerk produceert en zich hierbij met name richt op de productie van het zogenaamde Delfts Blauw. Hiernaast voeren ze ook nog kleine opdrachten uit voor verschillende opdrachtgevers. Bij dit laatste betreft het slechts kleine series. De Porceleyne Fles werkt met 2 verschillende productieprocessen: Het vormen door middel van gieten (zie figuur 17) Hiervoor gebruikt men gietklei (kleimengsel met 30% water) en gipsen mallen. Na het ingieten van de gietklei, moet de mal met vulling, 30 a 45 minuten stilstaan. In het product bevindt zich na het uitnemen, nog 20% water. Dit zal later tijdens het bakproces uit de klei gebakken worden. De gebruikte gipsen mallen nemen dus water op van het product en moeten dus na gebruik eerst weer drogen. Een gipsen mal kan maximaal 8 keer gebruikt worden. Het vormen door middel van persen. Hiervoor gebruikt men voorgevormde kleipastilles, met een vochtpercentage van 3 tot 5%. De Porceleyne Fles gebruikt deze methode voor de productie van borden en dienbladen. De vormende stempels zijn bij deze methode wederom van gips, dit ook weer in verband met de gewenste vochtopname. Zo moet na ongeveer dertig slagen het water met behulp van een overdruk uit de onderste plaat gepompt worden. Het productie proces ligt dienstgevolge dan ook even stil. In beide gevallen volgt er na de vormingsfase nog het hele proces van beschilderen en afbakken van de producten. Waarbij opgemerkt dient te worden dat het afwerken (verwijderen van deelnaad etc…) en het schilderen ruimschoots de meeste tijd in beslag neemt. Dit is dan ook handwerk.

Figuur 17 Gieten van aardewerk


25


Scriptie


2001

Na een informatieve rondleiding hebben we zelf nog een aantal puntjes aangesneden, waarover we meer wilden weten. Hieronder volgt een korte samenvatting. Hardheid en slijtvastheid van glazuur: In het algemeen geldt dat hoe hoger de afbaktemperatuur van het glazuur, des te sterker is de glazuurlaag. Bij hogere temperaturen vindt er een betere versmelting tussen scherf en glazuur plaats. Hechtvoorwaarde van glazuur op aardewerk: Om barsten en scheurtjes te voorkomen moet de verhouding tussen de uitzettingscoëfficiënten van scherf en glazuur zodanig zijn dat na het afbakken er een drukspanning is ontstaan tussen deze twee. BIJLAGE BEZOEK SPOELKEUKEN Om te weten wat voor eisen er gesteld worden aan kantine servies, is er een bezoek gebracht aan de spoelkeuken van de Aula. Het spoelsysteem zelf bestaat uit een lopende band, waarop de kratten met serviesgoed worden geplaatst en die ze door de spoelmachine heen leidt. De spoelmachine zelf bestaat uit 3 compartimenten: 9. Voorspoelen met een temperatuur van 54°C 10. Hoofdwas 1e ronde met een temperatuur van 58°C 11. Hoofdwas 2e ronde met een temperatuur van 94°C Als de kratten met serviesgoed uit de spoelmachine komen, is alles nog nat en heel heet. De kratten komen daarna in een buffer waar ze blijven tot alles droog is. Als eisen kunnen genoemd worden: Het servies mag niet snel breken Het moet snel opdrogen Het moet bestand zijn tegen temperaturen tot 100°C Het moet snel afkoelen Er moeten zoveel mogelijk stuks servies in één krat passen De afmetingen moeten zodanig zijn dat de huidige kratten en machines gebruikt kunnen worden Aangekoekt vuil moet eenvoudig te verwijderen zijn zodat een 2e of 3e ronde door de spoelmachine niet meer nodig is De vormgeving moet zodanig zijn dat de spoelmachine al het vuil effectief kan verwijderen Met betrekking tot het laatste punt moet het probleem met de diepe borden genoemd worden: Deze borden worden in dezelfde kratten geplaatst als de platte borden, maar kunnen door hun vormgeving zodanig gekanteld in het krat staan, dat de waterstralen van de spoelmachine het vuil niet kunnen bereiken. Door een andere vormgeving zou dit probleem opgelost kunnen worden. BIJLAGE PIM CORDIS Porselein spuitgieten De porseleinindustrie heeft behoefte aan het verminderen van de productiekosten door het moderniseren van de technologie en om concurrerend te worden met andere E.U. landen. Een van de meest veel belovende techniek is het porselein spuitgieten (PIM= Porcelain Injection Moulding). De spuitgiettechnologie omvat het mixen van porselein met poeders samen met een geschikte combinatie van binders, lubricants en platicizers om een bepaalde mix te creëren die gevormd kan worden dmv spuitgieten in een matrijs. Het gevormde deel verwijderd van de matrijs bevat in het ideale geval een uniform geheel van poeder. De binder en andere ongewilde additieven worden verwijderd.


26


Scriptie


2001

PIM heeft bepaalde voordelen boven andere methoden van vormen, op deze manier kan bv aardewerk dat handgrepen nodig heeft worden vervaardigd in één keer terwijl andere processen aparte fabricage van handgreep en het product nodig hebben en daarna pas de twee delen bij elkaar kunnen brengen. Het is duidelijk dat de gemakkelijkheid van een single step vormingsproces economische voordelen heeft voor de industrie. Het spuitgieten bestaat er natuurlijk al voor de plastics maar wordt nu ook ontwikkeld voor het vervaardigen van porselein. Deze technologie heeft ontwikkeling en onderzoek nodig om de verschillende procesonderdelen te optimaliseren. Daarbij, de selectie van nieuwe goedkopere primaire materialen (porselein en binders) en de studie naar het gebruik van gerecycled porselein zijn belangrijke benodigdheden voor industriële implantatie. De integratie van de processtappen voor industriële automatisering zijn noodzakelijk om de productie aantallen te vergroten. In dit project is er een prototype machine ontworpen en gebouwd om de variërende individuele procesparameters te optimaliseren en om de mogelijkheden van een toekomstige industriële PIM bedrijfstak te laten zien. Hoofddoelen: Het ontwikkelen van nieuwe formules van poeder porseleinen door het gebruiken van afvalporselein en het aanmaken van goedkopere feedstocks. Het introduceren van de nieuwe porselein spuitgieten technologie (PIM) als een industrieel concurrent voor het vervaardigen van serviesgoed. Het vergroten van de productiviteit en de flexibiliteit van het serviesgoed door het verminderen van de kosten. Het verminderen van de aantasting van het milieu door het gebruik van gerecycled afvalporselein, dat de kwaliteit van aardewerk en China garandeert. Het ontwerpen en konstrueren van een prototype pilot systeem om het geheel te kunnen laten zien en om het te testen. Het project is vooral relevant in Europa door het hoge aantal porselein fabrikanten. Vier van de bedrijven die meedoen aan dit project komen uit vier verschillende landen, (Portugal, Spanje, Frankrijk en Duitsland) en op die manier promoot het project de internationale relaties, door industriële samenwerking in de Europese Unie. REFERENTIES 1.

A History of Porcelain by William C. Gates, Jr., M.A., Curator and Historian, Ohio Historical Society. Seen: 15-11-2000 URL: http://www.artistictile.net/pages/Info/Info_Porcelain.html The Glaze Page; dated 06/01/98 Seen: 16-11-2000 URL: http://ceramics.about.com/hobbies/ceramics/blglazes.htm DESIGNERS and MANUFACTURERS of production machinery for the CERAMICS and GLASS industries Seen: 15-11-2000 URL: http://www.serviceuk.com/ Development of Porcelain Waste Materials for the Fabrication of Components by Injection Moulding Seen: 16-11-2000 URL: http://www.cordis.lu/brite-euram/src/1465.htm Shaping of ceramic pwoders by injectionmoulding,TU-Berlin, Seen URL: http://www.iwf.tuberlin.de/fer/forschung/elsner/elsner-e.html Ceramic powder injection moulding, TNO. Seen 03-03-01 URL:http://www.tpd.tno.nl/TPD/smartsite428.html WDRscientific, llc Seen: 20-02-01 URL: http://westerndentalresearch.hypermart.net/Products.htm Zelfreinigende ruiten; Laboratoire Photocatalyse, Catalyse et Environnement, URA 1385, 36, avenue Guy de Collongue, BP 163 69131 Ecully Cedex Seen: 16-01-2001 HTU

2.

UTH

HTU

3.

UTH

HTU

4.

UTH

HTU

5.

UTH

HTU

UTH

6.

HTU

7.

UTH

HTU

8.


UTH

27


IDE442 MATERIALISEREN 2001 KANTINESERVIES

Recommend Documents