Specialisatie Project Rubberpersen Groep 4A 01 1

Specialisatie Project Rubberpersen Groep 4A 01

1

INHOUD Voorwoord ............................................................................................................................................................................ 3 Het bedrijf Phoenix BV ..................................................................................................................................................... 4 Het rubberpersen ............................................................................................................................................................... 5 inleiding ............................................................................................................................................................................ 5 vormvrijheid .................................................................................................................................................................... 7 Materialen ........................................................................................................................................................................ 9 productiekosten .......................................................................................................................................................... 18 Cyclustijd ....................................................................................................................................................................... 19 nabewerkingen............................................................................................................................................................ 22 product. ............................................................................................................................................................................... 25 Programma van eisen:.............................................................................................................................................. 25 Schetsen ......................................................................................................................................................................... 26 Collage ............................................................................................................................................................................. 27 Concept ........................................................................................................................................................................... 28 details .............................................................................................................................................................................. 29 materiaal ........................................................................................................................................................................ 30 Maakbaarheidsanalyse ............................................................................................................................................ 35 nabewerking ................................................................................................................................................................. 36 randprocessen ............................................................................................................................................................. 38 Stap voor Stap .............................................................................................................................................................. 41 cyclustijd ........................................................................................................................................................................ 42 productiekosten .......................................................................................................................................................... 42 ontwerpregels .................................................................................................................................................................. 44 Maximale afmetingen .......................................................................................................................................... 44 matrijzen ................................................................................................................................................................... 44 Materialen ................................................................................................................................................................ 44 Bijzondere vormen en details .......................................................................................................................... 44 Nabewerkingen ...................................................................................................................................................... 44 Kosten ........................................................................................................................................................................ 45 Time to market ....................................................................................................................................................... 45 Conclusie ............................................................................................................................................................................. 46 nawoord .............................................................................................................................................................................. 47 bronnen ............................................................................................................................................................................... 48 bijlagen ................................................................................................................................................................................ 49


2

VOORWOORD In dit verslag van het van Industriële Productie bespreken we ons sprecialisatieproject bij Phoenix metaal 3D. Er is voor dit bedrijf gekozen om een product te kunnen ontwerpen dat met het Rubbervorm proces gemaakt kan worden. Ons product is een design wastafel voor in de badkamer. Er word begonnen met een beschrijving van het bedrijf Phoenix waarmee we hebben samengewerkt. Hierna wordt er dieper ingegaan op het productieproces en vervolgens wordt ons uiteindelijke ontwerp gepresenteerd. Als laatste wordt er nog een samenvatting gegeven van enkele ontwerpregels en richtlijnen voor het Rubbervormproces. Bij deze willen we de volgende personen bedanken: Henk Crone, voor de begeleiding, tussenreflecties en het nakijken van dit verslag. Zoltan Rusak, voor de begeleiding op de dag van de rondleiding. Erik Tempelman, voor het erg goed organiseren van het vak Industriële Productie. Het bedrijf Phoenix BV te Eindhoven voor de zeer interessante rondleiding en voorlichting.


3

HET BEDRIJF PHOENIX BV Phoenix 3d metaal is in 1960 in Eindhoven opgericht als eenmansbedrijf. Inmiddels werken er vijfendertig mensen waarvan een groot deel hoog is opgeleid. Het bedrijf is gespecialiseerd in het ontwerpen en vervaardigen van plaatwerkdelen en constructies in kleine en middelgrote series. Deze plaatwerkdelen en constructies worden voornamelijk van staal, roestvaststaal en aluminium gemaakt. Phoenix werkt veel samen met o.a. TNO industrie, TU Delft en Syntens. De samenwerking met TNO heeft onder meer geleid tot de ontwikkeling van de enige 3500 ton rubberpers in Nederland, die de capaciteit heeft om grote plaatwerkdelen met afmetingen oplopend tot 2200 X 1100 mm te rubberpersen. Inmiddels staat er een tweede 3500 ton rubberpers en zelfs een pers met 8000 ton perscapaciteit! Phoenix levert zijn producten voor verschillende branches, zoals de ovenbouw, design verlichtingsarmaturen, design meubelen, componenten voor revalidatiemiddelen en besturingskasten. Naast de rubberpersen heeft Phoenix ook de beschikking over 2d en 3d lasersnijden, (robot) kantzetten, c.n.c. ponssnibbelen, knippen en verschillende puntlas technieken.

Manier van werken, productiestappen Phoenix is al in een vroeg stadium betrokken bij het meedenken in het ontwerpen van de plaatwerkdelen en plaatwerkconstructies. Mede hierdoor zijn over het algemeen de resultaten goed met betrekking tot de kostprijs, kwaliteit en doorlooptijd. Verschillende van de nieuwste engineers programma’s worden gebruikt voor zowel 2d als 3d tekeningen, en eigengemaakte technische tekeningen kunnen teven vertaald worden voor het produceren van de producten. Wel probeert Phoenix de klant te stimuleren de net opgestelde regels aan te houden als hij er zelf voor kiest de tekeningen zelf aan te leveren. Er zijn namelijk veel manieren om goede technische tekeningen te maken, en veel bedrijven kiezen elk hun eigen manier. Sinds kort probeert men volgens een en dezelfde richtlijnen de tekeningen te maken, en Phoenix ondersteunt deze manier van werken.

Media Toen in 2009 door de economische crises veel ontslagen in Noord‐Brabant dreigden te vallen, kwam Phoenix positief in het nieuws door het creatief vinden van oplossingen om werk te blijven creëren ondanks dat de orders drastisch verminderden. Zo ontwikkelde Phoenix zelf een goedkoop product dat makkelijk verkocht zou kunnen worden om de productie door te laten gaan. Op donderdag 4 november 2010 kreeg de directeur van Phoenix, Toine van Lieshout, de Ir. Noordhofprijs uitgereikt voor de beste vakman of vakvrouw in de regio Zuidoost‐Brabant.


4

HET RUBBERPERSEN INLEIDING Om het rubbervorm proces beter te begrijpen wordt in de inleiding een verdeling gemaakt in hoe het proces in theorie verloopt:  Productieprincipe: welke uitgangsvormen in de industrie gangbaar zijn:  Productiemethode en welke capaciteiten ons productiebedrijf heeft:  Productiemiddelen. . PRODUCTIEPRINCIPE Het productieprincipe berust op het 3d vervormen van plaatmetaal. Omdat het 3d vervormen is zijn er weinig of geen formules die handig zijn om mee te rekenen. In de industrie wordt er meestal een schatting gemaakt door een ingenieur en wordt er door een simulatieprogramma berekend of het proces goed verloopt. Wel kun je voor de mogelijke rek kijken naar het grensvervormings‐diagram. Hiermee kun je bij simpele vormen uitrekenen hoeveel rek of stuik het materiaal aan kan. Dit is per materiaal verschillend. Maar ook dit diagram is niet geheel betrouwbaar. In de praktijk de rek hier groter of minder groot kan zijn dan dit diagram aangeeft. Figuur 1: Geschematiseerd grensvervormingsdiagram PRODUCTIEMETHODE In de industrie worden globaal de volgende processen gebruikt bij 3d metaal vervormen:  Valhamerpersen: waarbij handmatig een product word gevormd tussen kleine stempels  Dieptrekken: gevormd door een stempel en een ‘matrijs’ met plaathouder  Matrijspersen: gevormd tussen twee matrijsdelen  Rubberpersen: gevormd tussen een matrijs en een rubber deel PRODUCTIEMIDDELEN Phoenix 3D doet het laatste: rubberpersen. Meer specifiek: het Guerin‐proces. In het deel over het bedrijf worden de specificaties gegeven over de machines die Phoenix heeft. In figuur 2 is te zien hoe de plaat in theorie gevormd wordt. Figuur 2: Principe van een rubberpersopstelling


5

VOORDELEN ‐Snelle vervormingstechniek (voor‐ en nabewerkingen buiten beschouwing gelaten). ‐Plaatwerk is goed bewerkbaar. ‐Lage investeringskosten (standaard plaatmateriaal is goedkoop; machines zijn relatief goedkoop door eendelige mal(‐helft) en rubber). De machinekosten voor rubberpersen bedragen slechts ca. 10% van dezelfde kosten voor dieptrekken. ‐Beter vloeiende dubbelgekromde vormen uit een plaat mogelijk dan met andere buigtechnieken zoals dieptrekken haalbaar¹. ‐Geen voorverwarming noodzakelijk. NADELEN ‐Nauwkeurige afwerking kent hoge investeringskosten. ‐Lagere productiesnelheid dan bij overige plaatvervormingstechnieken zoals dieptrekken. ‐Minder grote vormvrijheid dan bij andere plaatvervormingstechnieken (maximale diepte/lengteverhouding ca. ½ tot 1/3). Afhankelijk van de grensvervormingskromme van het materiaal in de specifieke context. ‐Bij negatief rubberpersen is er extra materiaal nodig ten behoeve van het vasthouden door het rubber (plooihouderfunctie). Dit moet later weggesneden worden. GESCHIEDENIS RUBBERVORMEN: Gebruik van rubber in persen kan worden teruggevonden in processen vanaf ongeveer 1900, maar toen had het nog geen significante inpakt op de industrie. Het rubbervormproces is vooral bekend geworden via de vliegtuig industrie. Anders dan in de auto‐industrie, waar persen al veel langer gebruikt werden, werd het persen van onderdelen in de luchtvaart lang niet toegepast. Pas toen de vraag naar vliegtuigen zo snel steeg dat er niet genoeg bekwaam vak‐personeel was om vliegtuigonderdelen te maken werden er persen gebruikt. Over het algemeen is het aantal stuks dat gemaakt wordt laag en is het niet rendabel om met metalen delen te persen. In 1930 vond Henry Guerin, toen departementshoofd bij Douglas Aircraft, een manier om een rubber zo te combineren met een hydraulische pers, dat er makkelijk met een enkel matrijsdeel geperst kon worden. Het verschil lag er vooral in dat bij dit proces het rubber lag opgesloten in een metalen matrijsdeel. Dit Guerin‐proces word door kenners van de luchtvaartindustrie de grootste bijdrage aan het vervaardigen van metalen vliegtuigen genoemd. Door vliegtuigbouwers wordt het zelfs aangedragen als reden dat de gevoerde ‘luchtoorlogen’ met die vliegtuigen zijn gewonnen. (Galison et al, 2000) Tegenwoordig word ongeveer de helft van de plaatmetalen delen van vliegtuigen met het rubbervorm proces gemaakt. (Sinke, 2009)


6

VORMVRIJHEID Bij het rubberpersen zijn er natuurlijk beperkingen. Wanneer kan je rubberpersen? Dit hangt af van een aantal variabelen, zoals materiaal, plaatdikte, de grootte van de plaatuitslag, de vorm van het product, de buigradii, details en de oppervlakte kwaliteit. Hieronder worden de beperkingen behandeld. De materialen spelen een belangrijke rol, daarom wordt er in een ander deel van het verslag nog dieper op in gegaan. De plaatdikte mag bij het proces rubberpersen maximaal 2 à 3 mm zijn. Als het product wat simpeler is zal het wel tot iets dikkere diktes gaan. Deze beperking komt doordat de machine een beperkte druk kan opbouwen, logisch is dat een dikkere plaat meer kracht nodig heeft om te vervormen dan een dunnere plaat. Ook is het per materiaal verschillend. Belangrijk hierbij is de vloeigrens, platen met een lage vloeigrens kunnen dikker zijn dan platen met een hoge vloeigrens. Als men toch dikkere platen wil gebruiken zijn er nog warmtebehandelingen mogelijk om de vloeigrens te beïnvloeden. De grootte van de plaatuitslag is een tweede beperkende factor. Dit komt neer op de grootste afmeting in lengte en breedte van het product die de machine aan kan. Natuurlijk kan het product niet groter worden dan het rubberoppervlak zelf. De afmetingen van de machine beperkt dus de vormvrijheid. In het bedrijf Phoenix bv in Eindhoven zijn de afmetingen als volgt: ‐ 350 bij 650 mm. ‐ 550 bij 550 mm. ‐ 800 bij 1300 mm. ‐ 1100 bij 2200 mm. Daarnaast beperkt de persdruk de mogelijkheden. Met een hogere persdruk kunnen meer details in het product geperst worden. Dan de vorm van het product. Er zijn twee hoofdvormen te onderscheiden, dat zijn geflensde productvormen en dieptrekachtige productvormen. Geflensde producten zijn Figuur 3 producten die met een vlakke plaat met flenzen aan de omtrek: zie figuur 1. Hier zijn drie typen te onderscheiden: rechte, rek, of krimp flenzen. De lastigste van deze drie is de krimp flens, dit omdat de plaat de neiging heeft tot plooien. De flenzen worden vaak gebruikt voor verstijvingrillen of andere details. Bij de dieptrekachtige producten wordt vaak een negatieve mal gebruikt. De producten lijken vaak op de producten die zijn gemaakt met het productie principe dieptrekken. Rubberpersen heeft als voordeel dat er details in het product kunnen zitten en dat het rubberkussen ook als plooihouder en stempel kan dienen. Bij rubberpersen zijn twee soorten buigradii onderscheiden: de mal radius en de vrije radius. Zie figuur 2. Bij de malradius is volgt de plaat de mal, en is het dus belangrijk dat de radius van de mal niet kleiner is dan de minimale buigradius van de plaat. De vrije radius wordt bepaald door de vloeigrens van het materiaal, de plaatdikte en de persdruk van de machine. Figuur 4 FLENZEN. Zoals eerder vermeld zijn er drie typen flenzen te onderscheiden, rechte‐, rek‐ en krimpflenzen. Per soort is hier de maximale buigradius en de hoogte van de flens te berkenen. 1. Rechte flens. Bij de rechte flens treedt alleen in de buigzone (over een rechte lijn) een plastische deformatie op. Het materiaal zal insnoeren of breken als de maximale rek wordt overschreden. De forumle van de maximale rek gaat als volgt:


7

nu is de minimale buigradius (r) te berekenen als de materiaal dikte (t) en het materiaal bekend is. 2. Rekflens Bij rekflenzen is er niet alleen de buiging, maar ook de vervorming in het rechte vlak. Deze vervorming is gelijk aan de vervorming bij een trekproef. Er is een formule om de maximale hoogte van de flens (H in mm) te berekenen, als de contourstraal (Rcon in mm) en de breukrek (Ɛtrek) 3. Krimpflenzen Deze flenssoort is moeilijker te omschrijven dan de andere twee. Dit komt doordat de plaat hier gaat plooien. Dit plooigedrag is alleen te voorspellen uit proeven die gedaan zijn. De volgende formule is afgeleid uit proeven met aluminium. (RVS en staal zijn soortgelijke formules, alleen met andere constanten) t = plaatdikte R0.2 = vloeigrens Ɛgeom = geometrische rek. Als deze kleiner is dan de kritieke waarde (Ɛkrit) dan is de krimpflens zonder plooien te persen. DIEPTREKACHTIGE VORMEN Voor deze productvormen worden vaak negatieve mallen gebruikt. In figuur 5 is te zien hoe het proces verloopt. Eerst zal de plaat naar beneden worden geduwd. Als de plaat de bodem raakt zal de plaat naar de vorm van de mal geperst worden. met behulp van een aantal formules kan de maximale hoogte van het product worden vastgesteld. Te beginnen met afgeronde producten met een verticale wand. Figuur 5


8

Ook is de persdruk bepalend voor de maximale hoogte. Er mag aangenomen worden dat de product hoogte halveert als de persdruk halveert. Verder zijn nog producten met conische wanden. Deze producten kunnen een grotere maximale hoogte bereiken. Deze hoogte kan berekend worden met de hmax van hierboven te delen door: Figuur 6 1 – 0,5 x tan α Verder zijn er nog rechthoekige producten te produceren met rubberpersen. Hier zijn geen eenduidige rekenregels voor. Voor een inschatting kan gekeken worden naar de hoekdiameter van de mal. Deze is dan gelijk aan 0.5 x de maldiameter. Goed afgeronde hoeken zijn dus gewenst. Vaak is hier een hogere hmax mogelijk dan de ronde producten. Voor een rechthoekig product met conische wanden kan gekeken worden naar de ronde vormen met conische wanden, deze zijn vergelijkbaar. Als men toch een hogere hmax wil bereiken kan er een smering worden toegepast.

MATERIALEN EEN KORTE INTRODUCTIE Rubberpersen is een productiemethode voor dubbelgekromd plaatwerk. Hiervoor zijn, afhankelijk van het materiaal, in principe alle metalen platen met een dikte tot circa 3 millimeter geschikt. Verder behoort ook het krommen van holle buizen met rubberpersen tot de mogelijkheid. Laatstgenoemde is echter niet mogelijk bij Phoenix. In de praktijk worden bij het bedrijf Phoenix b.v. vooral platen van Aluminium, RoestVastStaal en Staal gerubberperst. Dit zijn vaak de volgende typen: Aluminium: 99, 5, AlMg₃, RoestVastStaal: AlSl 304 en 316, staal: DC01 t/m DC06 (technisch weekblad). Voor het materiaal van de wastafel wordt dus gezocht binnen de bovengenoemde typen van één van deze drie metaalsoorten (dus: RVS, Staal of Aluminium). Vervolgens wordt er nog gekeken of er voor de specifieke productvorm en de toepassing ervan mogelijk nog betere typen van de metaalsoort bestaan dan de bij Phoenix meest toegepaste en wordt de maakbaarheid met het rubberpersen bij Phoenix hiervan nagegaan. MATERIAALEISEN VOOR HET PROCES De materiaaleigenschappen die in de onderstaande tabel zijn opgesomd, gerangschikt naar categorie volgens CES 2010 EduPack 2010 level 3, zijn voor het proces van het rubberpersen in het algemeen van belang. Er is kort een toelichting gegeven waarom elke eigenschap van belang is voor het rubberpersen, wat de invloed is (het verband met het proces) en wat het kwalitatieve verband is. Materiaaleigenschap: Waarom van belang? Invloed‐kwalitatief verband: Producteis: E‐modulus/ Buigmodulus

Afschuivingcoëfficiënt

dwarscontractiecoëfficiënt

De E‐modulus bepaalt hoeveel het materiaal al elastisch is gerekt/ gekrompen voordat het eenmaal bij de vloeigrens van plastische vervorming komt. Het materiaal kan scheuren bij ‘shear’. Als er veel dwarscontractie optreedt, is de rek‐ trekverhouding erg oneven verdeeld.


‐Proces: hoge E‐modulus gunstig (weinig elastische rek tot vloeigrens). ‐Gebruik: hoge E‐modulus gunstig (weinig elastische vervorming bij hoge belasting).

Min. 150 GPa Max. 500 GPa

Hoe hoger de afschuivingcoëfficiënt, des te minder snel het materiaal scheurt door afschuiving. Moet zo laag mogelijk zijn; hoe lager, des te regelmatiger het materiaal zal vervormen (kleinere stempels nodig).

50‐100 GPa

Max. 0,30

9

Vloeisterkte (‐grens) 0,2% rekgrens

Treksterkte /Buigdrukvastheid (buigsterkte).

Maximale breukrek

Hardheid ‐ Vickers

Breuk‐ /scheurbestandigheid

Min./max bedrijfstemperatuur

smeltpunt

koolstofgehalte

verstevigingsfactor

Anisotropiewaarde

Om het materiaal plastisch te vervormen, moet het tot boven de vloeigrens belast worden.

‐proces: lage vloeigrens gunstig (weinig kracht/druk nodig om materiaal plastisch te vervormen). ‐gebruik: hoge vloeigrens gunstig (plastische vervorming treedt pas op bij een hoge belasting). Individuele waarde van de ‐Bij trek treedt eerst insnoering op boven buigsterkte is niet van deze belasting, voordat het metaal belang! De treksterkte echter eenmaal scheurt. wel. ‐Hoe hoger de treksterkte, des te meer De verhouding tussen deze weerstand het materiaal biedt tegen twee is wel een maat voor de plastische vervorming en des te verder max. rek/krimpverhouding. het terugveert. Geef % uitrekking van de ‐Hoe hoger deze percentuele waarde, des originele lengte van het te verder het materiaal vervormbaar is materiaal bij breuk/scheuren (taaier) voordat het eenmaal scheurt. weer. Sommige plaatmaterialen zo Hoe harder het materiaal, des te harder hard dat ze niet met de 8000 de rubber (bescherm‐)laag van de Ton pers te persen zijn? rubberpers slijt. Bij rubberpersen komt een Hoe hoger de waarde, des te hoger de hoge trekspanning op het maximale trekspanning kan zijn, voordat materiaal te staan een breuk van een bepaalde lengte optreedt. Bepaalt in welk Hoe lager de maximale temperatuursgebied het bedrijfstemperatuur, des te lager de temperatuur voor het voorverwarmen materiaal niet drastisch van mechanische van het materiaal kan zijn om opzettelijk eigenschappen/gedrag het vormingsgedrag voordelig te beïnvloeden. verandert. Bepaalt wanneer het Hoe groter het verschil tussen de materiaal niet meer vloeit, maximale bedrijfstemperatuur en het maar vloeibaar wordt (niet smeltpunt, des te gemakkelijker kun je gewenst). het materiaal voorverwarmen zonder het per ongeluk te smelten. Het koolstofgehalte (%) Over het algemeen geldt: hoe hoger het bepaalt mede hoe sterk en koolstofgehalte, des te sterker het materiaal is, maar ook hoe materiaal, maar ook des te slechter het goed het koud te vervormen koud te vervormen het is (hogere kans op is. scheuren). Het is een maat voor de Hoe groter de verstevigingsfactor (n), des versteviging, die de te beter het materiaal strekt. strekbaarheid van het product kan beoordelen. Deze waarde geeft de Hoe hoger de anisotropiewaarde (r), des verandering van de dikte in te beter het materiaal in een richting uit de breedte‐ en te rekken is dan in de andere richting. lengterichting. (Grotere dieptrekverhouding mogelijk).

150‐400 Mpa

‐treksterkte: Min. 400 Mpa ‐verhouding: T/C max. 2,5.

‐min. 10% van de rek.

‐Max. 400 HV

Min. 75 MPa . m⁰́́̕⁵

Max. bedrijfstempe ratuur: Max. 1000 °C. +/‐ ΔT max. bedrijfT‐ smeltpuntmin. 200°C Max. 0,20 massa%

Minimaal 0,25 (Al. Soorten vallen af). Minimaal 1,0 (Al. soorten vallen af).


10

Figuur 7 Potentiële materialen t.a.v. de 2 meest toegepaste rubberpersmethoden.

Conclusie: RVS is het meest geschikte materiaal om te rubberpersen door middel van strekken (positief rubberpersen). Gewoon staal is het meest geschikt om dieptrekachtig te rubberpersen (negatief rubberpersen). WENSEN ‐Het is (in tegenstrijd tot de hoge treksterkte) ook gunstig dat het materiaal een lage vloeigrens heeft. Boven de vloeigrens kan het materiaal namelijk soepeler gebogen worden. ‐Het is gunstig wanneer het materiaal goed warmte kan opnemen c.q. een lage soortelijke warmte heeft. (Bij eventuele verwarming om de vloeigrens te verlagen, is er minder toegevoegde energie in de vorm van warmte nodig). METAALSOORTEN EN HUN BELANGRIJKSTE (MECHANISCHE) EIGENSCHAPPEN In dit onderdeel wordt in aanvulling op de korte introductie een stuk dieper maar toch beknopt ingegaan op de bij het rubberpersen drie meest gebruikte metaalsoorten en hun belangrijkste mechanische eigenschappen. Dit zijn achtereenvolgens: Aluminium, Staal en Roestvaststaal. In het productspecifieke deel worden de meeste geschikte types van de metaalsoorten genoemd voor het product genoemd en wordt een afweging gemaakt tussen metaalsoorten. Tenslotte wordt er een materiaal gekozen. ALUMINIUM Aluminium is een verzamelnaam voor uiteenlopende legeringen. Ze behoren samen met magnesium en titanium tot de lichte legeringen. Ze zijn het beste te herkennen aan de volgende eigenschappen: het is niet‐magnetisch en erg licht van gewicht en glanzend. Aluminium is ruim voorradig, goed recyclebaar en heeft een lage prijs. Het is echter wel beperkt vervormbaar wegens de lage rekgrens (gemiddeld 10%), hoge krasgevoeligheid en krijgt snel zichtbare vloeilijnen. Hierdoor neemt de plaatselijke materiaaldikte wel minder af. Verder kent het veel terugvering door de lage elasticiteitsmodulus. Bij het lassen van Aluminium moet specifiek rekening gehouden worden met het vermijden van warmtescheuren (nauwkeurig lassen) en porositeiten (de oppervlakte van het materiaal moet droog en schoon zijn).


11

Belangrijkste voordelen: Belangrijkste nadelen: 1. Licht (laag soortelijk gewicht) 1. Lage rekgrens (beperkte kracht uitoefenbaar) 2. Lage prijs 2. Beperkte sterkte en stijfheid; scheurgevoeligheid. 3. Goede elektrische geleidbaarheid 3. Krijgt een oxidelaag (reageert snel met zuurstof). 4. Relatief hoge taaiheid 4. Slecht lasbaar (moet met erg nauwkeurig 5. Goed recyclebaar puntlassen, MIG/TIG lassen of laserlassen). Toepassing: Aluminium wordt vooral toegepast vanwege zijn goede elektrische geleidbaarheid in elektrische producten als keukenapparaten en keukentoepassingen als messen en pannen, of boilers en fornuizen, in producten waar de prijs een grote rol speelt boven de sterkte en bovenal de auto‐industrie, waar gewicht een grote rol speelt. Soorten Aluminium: Aluminiumsoorten zijn onder te verdelen naar het hoofdelement van de legering (met een serienummer) met erachter een toestandsaanduiding, of naar de soorten voorbewerking. Naar hoofdelement van de legering: 1000‐serie: Hoofdelementen legering: Aluminium (tenminste 99 massa%). Kneedlegeringen; niet hardbaar. Zeer goede elektrische geleidbaarheid, corrosieweerstand en vervormbaarheid. Lage sterkte (te vergroten met koude deformatie ‐> versteviging). Vooral toegepast als elektriciteitsgeleider en verpakkingsmateriaal levensmiddelen. 2000‐serie: Hoofdelementen legering: Aluminium, Koper. Kneed‐ en gietlegeringen; wel hardbaar. Vaak nog toegevoegd Magnesium of maximaal 1,5 massa% Mangaan. Matige sterkte (te vergroten door koude deformatie + evt. kunstmatige uitharding). 3000‐serie: Hoofdelementen legering: Aluminium, Mangaan. Kneedlegeringen; niet hardbaar. Wel matig sterk (20% sterker dan 1000‐serie). 4000‐serie: Hoofdelementen legering: Aluminium, Silicium (tot 12 massa%). Kneed‐ en gietlegeringen; wel/niet hardbaar. Door toevoeging van Silicium krijgt de legering een lager smeltpunt. De best gietbare Aluminium gietlegering. 5000‐serie: Hoofdelementen legering: Aluminium, Mangaan. Kneed‐ en gietlegeringen; niet hardbaar. Het belangrijkste legeringselement is echter Magnesium. Goed lasbaar en goede corrosieweerstand, maar spanningscorrosie bij hooggelegeerde soorten bij temperatuur hoger dan 65°C. Gemiddelde tot hoge sterkte. 6000‐serie: Hoofdelementen legering: Aluminium, Magnesium, Silicium. Kneed‐ en gietlegeringen; wel hardbaar. Combinatie van warme vervorming en uitharding na het lassen leidt to hogere sterkte. Goede mechanische eigenschappen (waaronder lasbaarheid en corrosieweerstand). 7000‐serie: Hoofdelementen legering: Aluminium, Zink, Magnesium. Kneedlegeringen; wel hardbaar door toevoeging Magnesium + (evt. Koper en Chroom). Vaak hoge sterkte, maar spanningscorrosiegevoelig.


12

Goed voor gelaste constructies, wegens veroudering (sterkte toename, met uitzondering van legeringen met koper). 8000‐serie: Hoofdelementen legering: Al; alle overige legeringselementen. Deze restgroep wordt vaak zo gelegeerd, dat de relatief slechte mechanische eigenschappen van Aluminiumlegeringen verbeterd worden. Figuur 8a De belangrijkste Mechanische eigenschappen en toepassingen van alle series aluminium kneedlegeringen.

Toestandsaanduidingen: F Zoals geproduceerd O‐x Zachtgegloeid H‐xx Verstevigd materiaal. T‐xx Warmtebehandeld

Geen eisen aan mechanische eigenschappen; bij productieproces geen temperatuurs‐ of verstevigingscontrole. O1: hoge temperatuur gegloeid; langzaam afgekoeld. O2: warmtebehandeling tijdens mechanische bewerking O3: gehomogeniseerd eerste cijfer x: soort versteviging; tweede cijfer x: hardheid eerste cijfer x: soorten warmtebehandeling(‐en). Tweede cijfer x: variatie in behandeling.

Figuur 8b: De belangrijkste vervormingseigenschappen (maximale) Treksterkte en breukrek) tegen en de verhouding hiertussen uitgezet tegenover de maximale breukrek van de meest gebruikte Aluminiumlegeringen.

STAAL Staal is een hele veelzijdige, grote groep van metalen met sterk uiteenlopende toepassingen en eigenschappen. Het is zeer goedkoop, sterk en taai. De basisdefinitie van staal luidt dat het een (vaak uitgeharde, dus verstevigde) legering van ijzer is met een klein aandeel koolstof, eventueel met toegevoegde legeringselementen. Belangrijkste voordelen: Belangrijkste nadelen: 1. hoge stijfheid 1. Bros (breukgevoelig) 2. hoge sterkte per gewichtseenheid 2. corrosiegevoelig 3. buigzaam* (afhankelijk van koolstofpercentage). 4. taai


13

Toepassing: Omdat staal zo veelzijdig is, worden hier de verschillende toepassingen alvast onderverdeeld naar koolstofgehalte en versterkte staalsoorten: Lage koolstofstaal (0,02‐0,3 massa% C): verstevigingselementen in constructies, auto‐ onderdelen, plaatwerk, blikwerk. Middelhoge koolstofstaal (0,25 – 0,7 massa% C): spoorwegen, gereedschap, overbrengingsonderdelen van auto’s etc. (versnellingsbak, assen, lagers). Hoge koolstofstaal: (0,5‐1,7 massa% C): snijvoorwerpen, kabels, muziekinstrumenten, lagers HSS: dragende, zwaarbelaste stijve constructies als fietsframes, auto‐onderdelen, containers. Soorten Staal: Staalsoorten worden tegenwoordig, net als alle andere materiaalsoorten, onderverdeeld met een viercijferig nummer: ‐De eerste twee nummers geven de hoofdelementen van de legering aan. ‐De laatste twee nummers geven het koolstofpercentage aan in honderdste procent. Invloed van het koolstofgehalte (massa%) en hoofdlegeringselementen: Het koolstofgehalte en uithardingproces bepalen voor het grootste deel de mechanische eigenschappen van Staal. Door koolstof aan puur Staal toe te voegen kunnen de eigenschappen sterk veranderen: het wordt harder maar ook brosser. Met andere woorden: het wordt sterker, maar slechter vervormbaar en breukgevoeliger. Echter, door het materiaal een warmtebehandeling te geven en het uit te laten harden zijn de mechanische eigenschappen sterk te beïnvloeden. De sturende beïnvloedbare factoren zijn hier de temperatuur waaronder het hardingsproces plaats vindt en de uithardingstijd. Zo kunnen er hele buigzame en taaie staalsoorten ontstaan. Deze verandering van mechanische eigenschappen is verklaarbaar aan de hand van de verandering van de microstructuur van het materiaal (zie ook 3.3: soorten RVS voor microstructuren). Door toevoeging van andere legeringselementen aan dikkere staalplaten van tenminste meerdere millimeters blijven de koeltijden van het staal aan de binnenkant van de plaat gelijk aan dat van de buitenkanten, zodat het materiaal homogeen blijft. Verder kunnen de mechanische eigenschappen van staallegeringen beïnvloed worden (zie kopje ‘legeringsstaal’). De toepassing van deze legeringsstalen zijn voornamelijk uit de vliegtuigbouw afkomstig. Lage koolstofstaal: Slecht hardbaar; sterkte te vergroten door toevoeging van legeringsmetalen. Relatief slap, maar beter buigzaam. Middelhoge koolstofstaal: Hardt bij afkoelen. Een goede compromis tussen sterkte en buigzaamheid. Hoge koolstofstaal: Hardt goed en snel bij afkoelen. Goede slijtagebestandheid. Grote hardheid (wellicht te hard voor het rubberkussen) en grote veerkracht (lastig plastisch vervormbaar). Zeer hoge sterkte, maar slechte buigzaamheid. Legeringsstaal (vaak ook wel Hoge Sterkte Staal genoemd): Voornaamste legeringelementen: IJzer, Koolstof (<1,0 massa%), Chroom (<2,5 massa%), Nikkel (<2,5 massa%), Molybdeen (< 2,5 massa%), Vanadium (<2,5 massa%). De massapercentages zijn in enkele gevallen groter, maar altijd kleiner dan 5,0 massa%. ‐Koolstof: geeft een grotere sterkte, maar ook grotere brosheid ‐Mangaan, Nikkel, Molybdeen en Chroom: verlagen de kritische koelsnelheid.


14

‐Vanadium: wanneer dit naast alle bovengenoemde legeringelementen toegevoegd wordt,verkrijgt men een combinatie van gunstige mechanische eigenschappen: sterkte gecombineerd met taaiheid en buigzaamheid. Beste combinatie van gunstige Mechanische eigenschappen. Dit is ronduit de meest relevante hoofdgroep van Staal. Het verwerkingsproces van staal tot Hogesterktestaal worden hieronder voor het meest relevante Hogesterktestaaltype (Bake Hardening Steel) zeer beknopt beschreven: ‐Als uitgangsmateriaal wordt vaak een legering met Aluminium en Stikstof in de vorm van Aluminiumnitride gebruikt. Dit zijn stalen met een vervomingskwaliteit, te weten DC001 t/m DC006 (deze zijn bij de introductie al genoemd als veelgebruikte staalsoorten voor het rubberpersen). Het staal wordt eerst in een product geperst, waardoor de sterkte toeneemt. Vervolgens wordt het staal in een oven gegloeid. Hierdoor treedt een combinatie van versteviging door vervorming met rekveroudering op. Resultaat is een staalsoort waarvan de lage vloeigrens behouden blijft, waardoor het goed vervormbaar is, maar dat toch een hoge plaatselijke sterkte, rekgrens en deukbestendigheid biedt. Het leent zich dus ideaal voor vervormingsprocessen als dieptrekken en rubberpersen. Wanneer bovendien een lage koolstofstaal als uitgangsmateriaal wordt gebruikt, is het metaal goed lasbaar. Kort na het bakken (binnen enkele weken) moet het materiaal vervormd (rubbergeperst) worden, omdat het anders door veroudering sneller zichtbare vloeilijnen gaat vertonen bij het rubberpersen. Om een Hoogsterktestaal (HSS) te verkrijgen, moet men een sterkere staalsoort (dus geen staal met een vervormingskwaliteit, maar met een sterktekwaliteit) als uitgangsmateriaal nemen en het zelfde principe toepassen. Wel moet hierbij rekening gehouden worden met hogere benodigde krachten en de daarbij horende beperkingen (slijtage, terugvering) door de toegenomen sterkte.

Figuur 9: Structuur en (mechanische) eigenschappen van verschillende koudgewalste (links) en warmgewalste (rechts) typen HogeSterkteStaal. Wat opvalt is dat deze eigenschappen zeer uiteenlopend zijn.


15

Figuur10 Verschillende types Hogesterktestaal en hun vervormbaarheid (links), trekkromme (midden). Verder de invloed van ‘bake hardening’ op de Mechanische eigenschappen van een vervormingsstaal.

ROESTVASTSTAAL Onder roestvaststaal vallen alle staalsoorten die een corrosiewerende ‘opofferingslaag’ hebben en maximaal 1,2 massa% koolstof bevatten (het massapercentage koolstof bepaald immers voor een groot deel de corrosiegevoeligheid). Door het staal te legeren met tenminste 10.5 massa% chroomlegering (diChroomTri‐oxide), ontstaat een beschermende ‘opofferingslaag’. Wanneer deze laag in aanraking komt met onder andere zuurstof, herstelt deze zich door toevoer van zuurstof. Verder worden ook chroom en nikkel gebruikt als legeringelementen om het staal minder corrosiegevoelig te maken. De mate van corrosiebestendigheid wordt vaak bepaald aan de hand van de Pitting Resistance Equivalent. Deze waarde is dan ook voor het grootte deel afhankelijk van massapercentage van deze legeringselementen (zie 11 en 12) De formule luidt als volgt: PRE= %Cr + 3,3x %Mo + 16x%N -waarin Cr, Mo en N de massapercentages van de legeringselementen Chroom, Molybdeen en Stikstof zijn. -voor de orde van grootte: voor buitengebruik in Nederland is een PRE-waarde van tenminste 23 gewenst, voor zeewater een PRE van tenminste 40.

De legeringselementen hebben nog een additioneel voordeel: het staal wordt onder kamertemperatuur minder bros, of in andere woorden buigzamer.

Figuur 11 en 12: de corrosieweerstand van RVS , waarvoor de Pitting Resistance Equivalent een goede maatstaaf is, is sterk afhankelijk van het massa% beschermende legeringselementen.

Belangrijkste voordelen: 1. Corrosiebestendigheid 2. Hoge breukrek 3. Goede verwerkbaarheid 4. Hoge sterkte

Belangrijkste nadelen: 1. Lastiger te krommen (met hogere krachten, veel terugvering). 2. Gespecificeerd lassen (behoud corrosiebestendigheid).


16

Toepassing: RVS‐soorten worden al gebruikt in producten binnen een vochtige omgeving. waar het corrosiebestendige en hygiënische aspect van groot belang zijn zoals: keukenapparaten, keukens, wasmachines. Sommige soorten zijn hier dan ook uitermate geschikt voor. Soorten RVS: Roestvaststaal kan aan de hand van de hoofdelementen van de legering in vier hoofdsoorten onderverdeeld worden: ‐Austenitisch roestvaststaal (200‐ en 300‐serie): Hoofdelementen legering: Fe, Cr, Ni, Mn. Kubisch vlakgecentreerd atoomrooster (zie figuur 13). Goede tot zeer goede corrosiebestendigheid. Goed lasbaar zonder verlies corrosiebestendigheid (300‐serie). ‐Ferritisch (400‐serie): Hoofdelementen legering: Fe, Cr. Soortgelijk atoomrooster als austeniet; echter ‘magnetisch’. Hoog Chroomgehalte (10,5‐30 massa%). Opvallend laag koolstofgehalte (<0,08 massa%). Matige corrosiebestendigheid. Slecht lasbaar zonder verlies van corrosiebestendigheid. ‐gehard RVS (s‐serie): Hoofdelementen legering: Fe,Cr, Ni, Cu, Nb. Door harding verbeterde mechanische eigenschappen (optimalisatie microstructuur). Lastiger te vervormen. Verder bestaan er nog de volgende soorten: ‐Duplex RVS Een combinatie van austentische en ferritische structuren Hoofdelementen legering: Cr, Ni. Hoge rekgrens, sterkte en goede weerstand tegen lokale aantasting (door combinatie Cr en Ni). Goede corrosiebestendigheid. ‐Martensitisch: Hoofelementen legering: Cr, C. Kan door het hoge koolstofgehalte goed gehard, warmtebehandeld of veredeld worden en is bovendien goed lasbaar. Zeer matige corrosieweerstand (door hoge koolstofgehalte van 13‐18 massa%). ‐superferrieten: Ferrieten met een Chroomgehalte >30massa% Slecht vervormbaar, met name bij lagere temperaturen. Zeer goede corrosiebestendigheid in elk milieu.

Figuur 13: Kubisch vlakgecentreerde, Austentische (links), Ferrische (midden) en Martensitische (rechts) microstructuur.


17

PRODUCTIEKOSTEN In het algemeen kunnen de productiekosten worden onderverdeeld in de volgende kosten: Personeelskosten Vaste kosten Afschrijvingen

Productiekosten

Machinekosten

Materiaalkosten Totale variabele kosten Voorbewerkingen

Figuur 14

Nabewerkingen

Later in het proces komen hier ook nog onder andere verpakkingskosten en transportkosten aan bod, maar die laten we voorlopig buiten beschouwing. Ook is het zo dat in deze tabel de voor‐ en nabewerkingen zijn meegenomen bij de variabele kosten. Dit is gedaan omdat deze tabel de productiekosten van het rubberpersen laat zien en de voor‐ en nabewerkingen andere processen zijn dan rubberpersen met weliswaar dezelfde materiaalkosten, maar met andere machinekosten. Rubberpersen is het meest geschikt voor kleine tot middelgrote series. Om uit te zoeken of rubberpersen goedkoper is dan het gebruik van een andere productiemethode is het handig een eenvoudige berekening te maken van de kostprijs van het product. De kostprijs van een rubbervorm product bestaat uit een optelsom van drie kostensoorten: 1. Eenmalige kosten: de werkvoorbereiding. 2. Per batch terugkerende kosten: logistiek en steltijd. 3. Per product terugkerende kosten: materiaal, pers, loon, rubberkoffer en slijtage rubber.


18

Met behulp van de volgende formule kan een eerste indicatie worden gegeven voor de kostprijs van een rubberpers product. Kverg = E/p + B/b + P*t waarbij: Kverg = Kostprijs van het product (vergelijkingsgetal) E = Kosten van het gereedschap e.d. (o.a. mal en werkvoorbereiding) p = Totaal (verwacht) aantal producten van het betreffende model B = Stelkosten per batch b = Aantal producten per (eenmalige) batch P = Productiekosten, pers en arbeidsloon (per min.) t = Cyclustijd (s) (inclusief het invoeren en uitnemen van het product) Hierbij moet worden opgemerkt dat een aantal vaste kostenposten zoals de rubber‐ en matrijskosten worden verwaarloosd. Voor een meer exactere manier om tot de kosten per product te komen kan gebruik worden gemaakt van de volgende formule: K=(E1+E2*p/g)/p+(B1+B2)/b+P1+(P2+P3)*c*t+P4/g Hierin zijn: K: Kosten per product E1: Werkvoorbereidingskosten E2: Voorbereidingskosten gereedschap B1: Kosten logistiek B2: Totale stelkosten per batch P1: Materiaalkosten P2: Machinekosten per tijdseenheid P3: Loonkosten per tijdseenheid P4: Gereedschapskosten p: Totaal (verwacht) aantal producten van betreffend product b: Aantal producten per batch, batchgrootte c: Aantal benodigde productiestappen per product t: Gemiddelde cyclustijd (s) per productiestap g: Levensduur gereedschap

CYCLUSTIJD Een ander belangrijke factor die meedoet in het totale kostenplaatje is de cyclustijd. Bij rubberpersen wordt er vaak in eerste instantie uitgaan van een cyclustijd van 1,5 tot 2 minuten. Met wat vakkennis kan vaak in een oogopslag een nauwkeurigere inschatting worden gegeven. Omdat de cyclustijd van veel factoren afhankelijk is en de seriegrootte over het algemeen laag is, is het vaak niet de moeite waard om veel moeite te steken in het preciezer inschatten van de cyclustijd. De volgende factoren hebben grote invloed op de cyclustijd: machinetijd (M), diepte‐breedte verhouding (DB), complexiteit (C), grootte (G), seriegrootte (S) en een grote krimpflens (GKf).


19

De machinetijd is de tijd dat de matrijs heen en weer beweegt onder de pers en de pers zelf naar beneden en naar boven gaat. Bij de machines van Phoenix is er een minimale machinetijd van 45 seconden. Meestal word de druk op zijn hoogste punt 3 tot 5 seconden aangehouden. Producten kunnen aardig complex worden. Dit wordt hier vooral gedefinieerd als grootte interne dieptebreedte verhoudingen. Bij grote producten wordt de plaat vaak met tape vastgezet, zodat deze niet gaat schuiven. Bij een grootte diepte‐breedte verhouding komen er veel extra dingen kijken. Er wordt meestal extra rubber in gedaan om toch voldoende druk in de hoeken te kunnen opbouwen. Afhankelijk van de seriegrootte kunnen dit stukken oude slijt‐mat/rubber balletjes of op maat gemaakte stukken rubber zijn. Om gelijkmatige rek te krijgen worden er soms meerdere persgangen gedaan. Bijvoorbeeld twee, met eerst een lage druk (bv 90 N) en vervolgens een hoger druk (bv 350N). Om te zorgen dat het product niet vacuüm om het rubber heen komt te zitten, worden er soms kleine plastic slangetjes gedeeltelijk over het product en gedeeltelijk over de mal gelegd. Als er extra veel rek is over een bepaald stuk wordt het soms ook ingevet. Ook worden er soms stukjes plastic folie ingelegd. Als er een grote krimpflens is, wordt er om plooivorming te onderdrukken ook wel eens een stuk hard plastic overheen gelegd. Hij word hier gedefinieerd als de radius (breedte verhouding?) of dikte? Al deze extra stappen kosten natuurlijk tijd, maar hoeveel? Om deze vraag zonder ervaring te kunnen beantwoorden is een formule opgesteld. Let wel op dat deze formule door ons team empirisch bepaald is en dat het te alle tijden slechts een schatting blijft. L0 L1 L2 G [mm] <400 400‐600 600‐1000 DB <0,2 0,2‐0,4 0,4‐0,5 GKf Geen een twee C Niet Beetje Redelijk Tabel 1: De levels in de formule

L3 1000> 0,5> drie Veel

Voor de variabelen vul je level 0,1 of 2 in. Alleen de machinetijd is hoger (voor Phoenix is het 45). In de tabel staat wanneer je wel level moet kiezen. Voorbeelden voor de cyclustijd van productvormen naar complexiteit en grootte: Simpel: 1 minuut. Groot: 1,6 minuten. Diep: 4,1 minuten. Complex: 2 minuten. Diep, Groot en Complex: 5,7 minuten. Het mag duidelijk zijn (zie ook voorbeeld 1) dat er nog heel wat uitzonderingen (en extremen) zijn op deze schatting. En ook dat met meer tijd de formule verder verfijnd kan worden om betere uitkomsten te krijgen bij een grotere variatie producten.


20

Voorbeeld 1: Onderdeel design meubel

Figuur 15

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Afspuiten van de mat Afspuiten product Positioneren product Aftepen Slangetjes erop 1e persing Rubber ballen erin 2e persing

Cyclustijd: 7 minuten


21

NABEWERKINGEN Een van de voordelen van rubberpersen is dat er al oppervlaktebehandelingen aan het plaatmateriaal gemaakt kunnen worden voordat de plaat vervormd wordt. Echter, niet alle behandelingen kunnen tegen de rek en stuik die tijdens het persen optreden. Daarom is het goed om te kijken naar welke behandelingen mogelijk zijn nadat de vorm van het product geperst is. In het algemeen kun je verschillende soorten nabewerkingen van metalen onderscheiden: een laag van een ander soort materiaal aanbrengen (meestal een metaal), textuur/oppervlakte bewerken, een verf/chemische laag aanbrengen en het verharden van het metaal door een warmtebehandeling of ion implantatie. Kortom, toevoegen, veranderen of weghalen van het metaal in het originele product. In CES EduPack 2010 zijn vele verschillende nabehandelingen te vinden. Naar deze behandelingen kijkend zijn er grofweg gezien dus twee hoofddoelen van nabewerkingen. Het verbeteren van de materiaaleigenschappen, al dan niet plaatselijk zoals aan het oppervlak, en het verfraaien van het product. Verderop in dit stuk zullen de belangrijkste principes worden toegelicht. HARDEN VAN EEN METAAL Harder maken van metaal Figuur 16

Figuur 17 Een metaal bestaat uit allemaal kleine deeltjes. Door alle bewerkingen die een stuk metaal ondergaan voordat het een product wordt kan ervoor zorgen dat die kleine deeltjes op een zodanige manier staan gerangschikt dat de mechanische eigenschappen van het product afnemen. Door verwarming (meest gebruikte proces, maar er bestaan ook andere manieren) kan er een nieuwe ordening ontstaan waardoor onder andere interne spanningen verdwijnen.


22

LAAG VAN EEN METAAL AANBRENGEN Laag metaal aanbrengen

Figuur 18 Bij veel verschillende materialen is het mogelijk om een laag van een metaal aan te brengen aan de op de buitenste laag van een product of onderdeel. Er vallen vele voordelen te halen met deze technieken. Het hele product krijgt nu namelijk een laag met de eigenschappen van het aangebrachte metaal. Zo kunnen de krasbestendigheid, kleurvastheid, resistentie tegen verschillende (weers‐) omstandigheden enzovoorts op een product worden toegepast met het behoud van de voordelen van het originele product. Een bijkomend voordeel is dat het product het uiterlijk krijgt van het toegepaste metaal. Meestal draait het toepassen van deze processen om een kostenbesparing door lagere materiaal‐ en/of productiekosten, gewichtsbesparing of het vereenvoudigen van de productie. VERFLAAG AANBRENGEN Verflaag

Figuur 19

Soms zijn er producten waarvan de gebruikte materialen een bepaalde kleur (‐combinatie) moeten krijgen. Vaak is dit mogelijk tijdens de productie, denk aan het spuitgieten van een gekleurd kunststof product. Echter, soms is dit lastig of zijn de kosten zo hoog dat het niet rendabel is om zo vroeg in de productie toe te passen. Ook kan het zijn dat er op bepaalde onderdelen een beschermende laag moet. Hier komt het aanbrengen van een verf‐ of laklaag kijken. Ook hier zijn weer verschillende technieken en methoden toe te passen. In de auto‐ industrie wordt bijvoorbeeld het onderdompelen van de producten in een verfbad waar met behulp van spanningsverschillen een egale laag blijft zitten toegepast. Er zijn ook verscheidene methoden die van warmte gebruik maken tijdens of na het aanbrengen van een laag. Elke methode heeft zijn eigen specifieke toepassingen en voor‐ en nadelen.


23

BEWERKEN VAN OPPERVLAKTE/TEXTUUR Textuur aanpassen

Figuur 20 Deze laatste groep verandert als enige niets aan de eigenschappen van het product op het uiterlijk na. In metalen zijn verschillende motieven aan te brengen aan de buitenkant. Veelal word dit machinaal gedaan, maar deze kan ook met de hand. Een andere optie is juist weer alle oneffenheden wegwerken aan het oppervlak door te polijsten. Metalen zullen hierdoor (tijdelijk) gaan glanzen wat een product duidelijk anders laat ogen.


24

PRODUCT. Nu het proces beschreven is, kan er een product worden ontworpen. Van te voren waren er een aantal ideeën zoals een lamp, een puzzelspel, een laptopstandaard enz. Uiteindelijk is het een badkamer meubel geworden met twee wasbakken. Het proces biedt heel veel mogelijkheden qua vormvrijheid. Er is gekozen om zoveel mogelijk van deze voordelen te benutten. Het rubberpersen geeft de mogelijkheid tot ribbels mee te persen. Het Idee is om met die ribbels de waterstroom te beïnvloeden. Met dit idee in het achterhoofd is er een simpel programma van eisen (PVE) op gesteld.

PROGRAMMA VAN EISEN: FUNCTIES: Water weggelijden, gebruiker moet droog blijven bij gebruik kraan, water moet tijdelijk vast gehouden kunnen worden (scheren of kleding wassen), hygiëne moet goed zijn, resistent tegen (heet) water, zepen en schoonmaakmiddelen VEILIGHEID: Geen gevaar voor gebruiker; hoeken afgerond, geen onnodig uitstekende ‘onderdelen’. Wasbak mag niet te heet worden bij gebruik warm water. ONDERHOUD: makkelijk schoon te houden – weinig bacteriën vasthouden OMGEVING: Moet te vervoeren zijn tot in de badkamer (trap, deur auto?) Water in de wasbak en leunen van gebruiker moet ondersteund kunnen worden zonder vervorming van de wastafel MATEN: 2 personen naast elkaar, armen ‘ breed’ : ±2m Afstand tot muur maximaal armlengte van een kort persoon: ±50cm ECONOMISCH: Seriegrootte rond de honderd (100): niche markt, productiekosten maximaal 50% van verkoopprijs, ESTHETISCH: (Combinatie van geometrisch en organische vormen.) Modern(industrieel), organisch en geometrisch gecombineerd, en luxe ontwerp.

SUSTAINABILITY: Bij gebruik hout keurmerk. Het materiaal van de wasbak moet volledig recyclebaar zijn. Niet meer dan 20% materiaalverlies tijdens productie.


25

GEBRUIK: Bij spiegeling van licht mag dit niet fel in de ogen worden weerkaatst. Geen significant verschil ‘in links en rechts’; redelijk symmetrisch in gebruik. DOELGROEP De doelgroep zijn mensen die wat meer geld over hebben voor een badkamer meubel. Mensen die zich willen onderscheiden door net iets anders te doen dan de meeste mensen. Het product zal niet in een doorsnee bouwmarkt te vinden zijn. Over het algemeen zijn het mensen met een boven modaal inkomen, tussen de 40 en 60 jaar. Zij houden van een moderne strakke sfeer in het huis, en willen dus geen overbodige tierelantijnen .

SCHETSEN Vanuit de PVE en doelgroep zijn er schetsen gemaakt. Zie het figuur hieronder.

Figuur 21


26

COLLAGE Door de schetsen is er meer inzicht gekomen hoe het product eruit moet komen te zien qua vorm en functie. Om dit te verduidelijken is er een collage gemaakt.

UITLEG VAN COLLAGE

Figuur 22

In de collage is ten eerste geprobeerd te sfeer uit te beelden. Te zien zijn de hout kleuren, die weergeven dat het meubel een natuurlijke sfeer zal krijgen. Deze natuurlijke uitstraling zal worden gecombineerd met de strakke, industriële uitstraling van RVS. Linksonder is een gebouw te zien die de juiste vorm weer geeft. Het gebouw heeft een organische vorm met ribben. Deze vorm willen we evenaren in ons product.


27

CONCEPT Hieruit is een concept gekomen en is uitgewerkt in SolidWorks. Figuur 23 Hierboven zijn een aantal afbeeldingen te zien van het uitgewerkt concept. Links onder is het afgebeeld samen met het houten meubel. Hierin is het contrast van de natuurlijke hout uitstraling en de industriële sfeer van de wasbak goed te zien. De kranen worden ingekocht en zijn watervalkranen. Deze zorgen voor een mooie rustige waterstroom. Wanneer het water de wasbak in komt wordt het water gebroken door de ribbels. In dit deel van het verslag wordt het concept verder uitgewerkt met de materiaaltoekenning, kosten, cyclustijd, nabewerking en afmetingen.


28

DETAILS

Figuur 24

Figuur 25


29

MATERIAAL SPECIFIEKE MATERIAALEISEN AAN DE PRODUCTVORM Het doel is om een rubbergeperste, metalen design wastafel die bij Phoenix geproduceerd wordt op de markt te brengen. Allereerst is er uiteraard gezocht of iets dergelijks al bestaat. Voor wastafels in de badkamer worden echter nauwelijks metalen gebruik. Enkel voor spoelbakken en keukens komen metalen voor. Echter, deze producten zijn vaak diepgetrokken vanwege de grote dieptrekverhouding. Materiaaltechnisch zijn hier kort genoemd de volgende redenen hiervoor: ‐Beperkte lengte‐diepteverhouding rubberpersen: hierdoor wordt voor metalen vaak dieptrekken gebruikt. ‐Kleine maximaal rendabele productie‐oplage: boven de 1000‐2000 stuks per jaar is dieptrekken voordeliger. ‐Corrosiegevoeligheid metalen: hierdoor heeft keramiek vaak de voorkeur boven metalen. ‐Koude uitstraling van metalen: als metalen nog onbewerkt zijn hebben ze vaak een ruw oppervlakte. Bovendien voelen ze vaak koud aan. Dit spreekt mensen niet aan voor een wastafel. ‐Onderhoudsgevoeligheid: veel metalen moeten opgepoetst worden om glanzend te blijven en behandeld worden om onbekrast te blijven. Qua materiaalkeuze is het doel dus om een metaal te vinden dat meerwaarde biedt boven een wastafel van keramiek en zich bovendien leent voor het productieproces, vereiste nabewerkingen en de specifieke productvorm. De te ontwerpen productvorm is een dubbelgekromde, complexe vorm die door de vele verschillende buigradii voor de vele handmatige berekeningen vereenvoudigd zal moeten worden tot meerdere basisvormen (zie figuur 26). Het zal waarschijnlijk ook in meerdere stappen gerubberperst moeten worden. De moeilijkheden die in het keuzeproces waarschijnlijk een rol spelen met oog op de bijbehorende materiaaleisen zijn: ‐Hoge treksterkte: groot materiaaloppervlakte leidt tot een hoge benodigde persdruk. Het product moet op de grote pers van Phoenix met een persdruk van 8000 ton geperst worden. Hier moet het materiaal van het product tegen bestand zijn zodat het niet scheurt. ‐Hoge breukrek: plaatselijk zal het materiaal zeer ver opgerekt worden. Het materiaal mag hier niet scheuren, dus is een hoge breukrek vereist. De plaatselijke maximale rekken ε₁ en ε₂ moeten binnen het oppervlakte van de Grensvervormingskromme van het materiaal vallen. ‐Hoge dwarscontractiecoefficient + hoge maximale uittrekking: door de vele concentrische buigradii treedt er plaatselijk afwisselend zowel een grote rek als krimp (stuik) op. De plaatselijke vervormingen zijn dus zeer groot. Ook hier moet het materiaal tegen bestand zijn. ‐Eisen aan (de slijtlaag van) het rubberkussen: omdat er hoge mechanische eisen aan het materiaal worden gesteld, zal het materiaal onder een hoge druk moeten worden vervormd. Deze druk wordt via de perskoffer en het rubberkussen overgedragen aan de metaalplaat. Het rubberkussen moet dus erg stug zijn omdat het zelf niet plastisch moet vervormen, maar aan de andere kant mag het niet zo hard zijn dat het materiaal bekrast wordt.

Figuur 26: De vorm van onze wastafel.

Een algemene Grensvervormingskromme (links) met mogelijk ongewenste bijeffecten (rechts).


vereenvoudigingsprincipe voor de complexe rubberpersvorm.

30

Verdere specifieke producteisen (zoek ook: materiaaleisen PVE) vertaald in gespecificeerde materiaaleisen en –wensen zijn in onderstaande tabellen verwerkt: Materiaaleigenschap: Waarom van belang? Invloed‐kwalitatief Producteis: verband: ‐Het materiaal van de wasbak moet tegen alle in CES genoemde vloeistoffen en zonlicht tenminste op een acceptabel niveau bestand zijn. ‐Voor gewoon water moet het zelf uitmuntend beschermd zijn, of anders nabewerkt (gecoat) kunnen worden. ‐Het materiaal moet een PRE‐waarde van tenminste 20 Bezitten. Het materiaal moet tenminste geschikt zijn om in een nat, gelast en schoon milieu toegepast kunnen worden.

Bestandheid (levensduur) bij vloeistoffen en zonlicht.

De wasbak moet minstens 10 Jaar mee kunnen bij normaal gebruik. Het materiaal moet dus goed bestand zijn tegen vloeistoffen en zonlicht.

Hoe beter de bestandheid tegen de vloeistoffen en eventueel het zonlicht, des te minder de wasbak wordt aangestast door deze stoffen (langere levensduur).

‐ (De toepasbaarheid valt deels onder de corrosiebestendigheid).

Het metaal moet wel toepasbaar zijn binnen het vochtige milieu van de badkamer en moet bovendien goed lasbaar zijn; niet alle metalen zijn dit. Deze geeft de maximale rek van een materiaal in twee richtingen aan, waaruit automatisch de krimp in de derde richting volgt.

‐

Bij de productvorm is zowel een hoge rek in de breedte‐ als in de diepterichting vereist; hieraan moet het materiaal kunnen voldoen zonder te scheuren.

‐De grensvervormingskromme moet van en dusdanige vorm zijn, dat de maximale rek van zowel ε₁ als ε₂ tenminste 20% bedraagt.

Bij voorkeur moet deze laag zijn, omdat bij het gebruik van de wasbak met warmwater het water dan weinig warmte aan het materiaal verliest. Bij voorkeur is deze middelhoog, omdat het materiaal dan zowel niet te warm wordt in het gebruik als snel genoeg warm wordt bij het voorverwarmen.

Hoe lager de thermische geleidbaarheid, des te beter de hoge temperatuur van het water behouden blijft.

Thermische geleidbaarheid max. 20 W/m.°C

Voor het voorverwarmen geldt: hoe lager de soortelijke warmte, des te minder Energie (warmte) er toegevoegd hoeft te worden. Voor het gebruik geldt: hoe hoger de soortelijke warmte, des te minder snel het materiaal te warm wordt om vast te pakken.

Q = 300‐600 J/Kg/°C

Grensvervormingskromme *(er moet altijd rekening gehouden worden met een veiligheidsmarge en de ‘Rekpunten‐wolk’, die kritische rekwaarden binnen de GVK aangeeft.

Productwensen: Thermische geleidbaarheid

Soortelijke warmte


31

MATERIAALKEUZE VOOR ONS CONCEPTPRODUCT Voor de materiaalkeuze van ons conceptproduct wordt deels de in de Eindige Elementen Methode genoemde aspecten gehanteerd om een goed beargumenteerde keuze te maken. Echter, niet alles uit deze methode wordt toegepast omdat de EEM zich matig leent voor het rubberpers proces. ALUMINIUM Binnen de aluminiumseries is de 6000‐serie het meest geschikt omdat deze de beste vervormbaarheid biedt en bovendien wegens zijn goede corrosiebestendigheid en lasbaarheid in principe goed geschikt is voor de productvorm. De grote nadelen van de mechanische eigenschappen van aluminium (beperkte rekgrens, scheurgevoeligheid, matige lasbaarheid en kleine n/r‐verhouding) vormen echter een belemmering voor de maakbaarheid van de productvorm. Bij aluminium moet altijd een compromis gemaakt worden tussen verwerkbaarheid/toepasbaarheid en de mechanische eisen. Voor de product‐specifieke eisen voldoet geen een aluminiumsoort aan allebei deze eisen. Daarom is aluminium überhaupt niet geschikt. STAAL Bij staal is als hoofdsoort een legeringsstaal (Hoge Sterkte Staal) het meest geschikt, omdat gewone staalsoorten minder goed vervormbaar zijn en brosser zijn door de koolstof. Binnen de HSS‐soort is het Bake Hardening‐type het meest geschikt, omdat dit de beste combinatie van mechanische eigenschappen heeft, te weten: hoge sterkte met goede vervormbaarheid en lasbaarheid. Dit maakt het zeer geschikt voor dieptrekachtige producten. Echter: in het algemeen zijn staalsoorten meer geschikt voor ‘strekvormen’ zoals van de wasbak, omdat deze een grotere n/r verhouding hebben. Om die reden is RVS een materiaalsoort die zich beter leent voor ons product. ROESTVASTSTAAL Voor RVS‐soorten geldt dat alleen de Austenitische en Duplexsoorten binnen de specifieke materiaaleisen vallen, omdat enkel deze soorten een goede corrosiebestendigheid hebben binnen vochtige milieus. Verder voldoen verschillende soorten Austenitisch en Duplex‐RVS aan de mechanische eisen, waardoor deze twee soorten in aanmerking komen. KEUZE VAN HET RVS Op basis van een combinatie van alle eigenschappen (mechanische eigenschappen, vervormbaarheid en lasbaarheid, mate van corrosiebestendigheid binnen de toepassing en prijsaspect zijn er een select aantal RVS‐types gekozen (zie onderstaande tabel). Deze worden in onderstaande tabel tegen elkaar afgewogen, waarna een materiaal wordt gekozen.


32

Eigen‐ schap:

RVS‐type NEN, (Amerikaanse norm).

E‐Moduls/Buigmodulus (GPa): Vloeisterkte (‐grens) 0,2% rekgrens (GPa): Treksterkte (GPa): Maximale breukrek (%): PRE (‐): Lasbaarheid: Corrosiebestendigheid nat, schoon, gelaste toepassing in normaal milieu. Corrosiebestendigheid zuur/basisch milieu nat, gelast. Prijs (Eu/kg):

RVS 1.4301, 1.4306 (AlSl 304 ‐,L) 191‐205

RVS 1.44xx (AlSl 316 L,Ln,Ti)*

RVS RVS 1.4439 1.4541 (AlSl 317 (AlSl 321) LMN)**

RVS 1.4539 (AlSl 904 L 191‐197

RVS 1.4547 (AlSl S31254 *** 198‐202

RVS 1.4362 (AlSl UNS S32304 **** 195‐205

189‐205

196‐204

189‐205

191‐310

205‐310

195‐262

200‐241

257‐281

432‐452

520‐580

480‐620 45‐60 >19 V V

515‐620 30‐50 >23 V‐G G

490‐640 25‐55 35,1 V‐G G

510‐660 30‐60 >18 G V

575‐635 46,3‐53,8 36,0 G G

749‐866 35‐40 44,8 V G

720‐810 23‐27 24,6 G V

O

O

O

O

V

V

O

2,92‐3,21

3,59‐3,95

7,87‐8,07

3.06 ‐ 3.37 7,95‐7,97

3,77‐4,14

7,15‐7,68

* Bij de keuze worden de RVS soorten 316 LN,L en Ti in eerste instantie als een materiaal gezien omdat de eigenschappen niet veel van elkaar verschillen. Het toevoegsel (laatste twee cijfers van het NEN‐serienummer) geven slechts een concentratie in honderdste procenten aan. **niet exact aanwezig in CES‐database. Gebruikt zijn de gegevens van AlSl 317L, rought. ***niet exact aanwezig in CES‐database. Gebruikt zijn de gegevens van Austenitic ASTM F1586, wrought, annealed, Nitrogen strengthened ter indicatie. ****niet exact aanwezig in CES‐database. Gebruikt zijn de gegevens van Duplex UNS S32550 Wrought ter indicatie. AD 1: de verstevigingsfactor (n) en anisotropiewaarde (r) zijn niet meegenomen in de beslissing, omdat deze verhouding voor alle RVS‐soorten in het juiste gebied liggen voor de bewerking.

‐Keuzeproces: 1. RVS 304‐soorten zijn erg goedkoop, maar hebben een matige corrosiebestendigheid. Deze soort valt om deze reden af. 2. RVS‐ S32304 (een Duplex‐staalsoort) heeft een te lage maximale breukrek en biedt daarom geen meerwaarde, maar juist een beperking. Deze soort valt om deze reden af. 3. RVS 321 biedt ‘op papier’ geen meerwaarde ten opzichte van RVS 316‐ of 317‐soorten, maar in de praktijk heeft het een combinatie van veel rek en goede lasbaarheid. Bovendien heeft Phoenix er veel ervaring mee. 4. Als enige alternatief voor RVS 321 overtreft de RVS S31254‐soort qua mechanische eigenschappen. Daarom zou hier ook voor gekozen kunnen worden. Er wordt echter gekozen voor RVS‐321, omdat deze soort het bekendst is bij Phoenix.


33

CONCLUSIE RVS AlSl 321 (RVS 1.4541) wordt als metaal voor de wastafel gekozen. Hiervan bestaat geen L‐ versie (met verlaagd koolstofgehalte) of andere speciale versie.

KEUZE VAN MATERIAAL VOOR HET RUBBERKUSSEN: Bij rubberpersen in het algemeen, zo ook bij Phoenix, wordt als materiaal PolyUrEthaan rubber met een bepaalde hardheid (Shore) gebruikt. Voor de permanente bovenlaag van het rubberkussen is deze hardheid (Shore) typisch A60‐70, voor slijtlaag van het rubberkussen A80‐ 90. Omdat het product dat wij maken van een sterk materiaal is, kiezen we voor een productspecifieke slijtlaag met een hardheid A90. De permanente bovenlaag van het rubberkussen kan de hardheid hebben die Phoenix zelf hanteert (A60 of A70), maar is bij voorkeur A70.

PUR plakken en bolletjes die bij een shore. ‘tweede persing’ worden gebruikt.

het rubberkussen in de perskoffer, van

een plaat PolyUrEthaan A90

bovenaf gezien.

Figuur 27


34

MAAKBAARHEIDSANALYSE Dan de vraag of het product wel te maken is, en welke mal gebruikt moet worden. Het product is een dieptrekachtig product, hierdoor is de keuze qua mal al snel gemaakt. Er zal een negatieve mal gebruikt moeten worden. Het product gaat in tweeën gedeeld worden vanwege de vorm. Dit zal moeten omdat in het midden van het product de vorm naar elkaar toe loopt. Als alles in één mal geperst zou worden zal het materiaal in het midden gaan plooien. Het gekozen materiaal aluminium 321 heeft een maximale rek tussen de 30 en 60%. Voor de berekening is uitgegaan van 60%. Dit omdat er een zo groot mogelijke diepte bereikt moet worden. Voor de haalbaarheid van de hoogte van het product wordt deze nu doorberekend. Voor de dikte van de plaat hebben is er in samenwerking met het bedrijf gekozen om eerst 1.2 mm dikte te proberen. De diameter van het product is 300 mm.

> > > > > C1 is dus 3.60 en C2 = 2.68

>

> > > > Omdat het product wanden heeft die gemiddeld 45 graden zijn wordt er nog een berekening uitgevoerd. > De maximale diepte is dus volgens de berekening 136 mm. Omdat het ontwerp dieper is hebben is er gebeld naar Phoenix om te vragen of het ontwerp wel realiseerbaar is. Door meerdere


35

persingen te gebruiken en eventueel smering, zou er een diepte van 150 mm mogelijk zijn. De flens breedte is wel bekend geworden uit de berekening. Deze zal 6 cm worden. Voor de productie gaat dus de pers van 800 bij 1300 mm. gebruikt worden.

NABEWERKING De lijst moet gekeken worden naar welke nabewerkingen goed toe te passen zijn en een verhoging van de waarde van de wasbak. Hiervoor is in CES EduPack 2010 een uitgebreide selectie gemaakt om te kijken naar de mogelijkheden. Hierin is een selectie gemaakt door te kijken naar een goede resistentie tegen gassen, vloeistoffen en organische stoffen. (Zie bijlagen). Dit zijn namelijk de belangrijkste eigenschappen die een wasbak moet hebben. Bestendig zijn tegen water, schoonmaakmiddelen en afval van het menselijke lichaam. Uit deze selectie komen de bovenstaande vier processen naar boven die corrosiebestendig zijn. Echter, in het hoofdstuk over de materiaalkeuze valt te lezen dat de eigenschappen van RVS erg gunstig zijn voor plaatvervorming en het is goed bestendig tegen corrosie. Hierdoor zal een warmte nabehandeling niet noodzakelijk zijn om ons product te verstevigen voor gebruik. HOT DIP COATINGS Hot dipping is een process om een metalen coating aan te brengen. Voornamelijk zijn dit ijzerhoudende materialen met lage smeltpunten zoals zink. Het proces ziet er als volgt uit: Ontvetten, roest verwijderen, in het bad vloeibaar metaal dopen en uiteindelijk met lucht koelen. Het resultaat is een egale dunne laag metaal op het oppervlak van het product. De kosten zijn vergelijkbaar met die van verven en de toepassing heeft een mogelijke maat van 30m x 4 m. Het proces is relatief snel vergeleken met alle andere stappen in het productieproces. Een mogelijk nadeel is dat de dikte moeilijk kan worden vastgesteld en dat de typische RVS look verdwijnt. Afhankelijk van het gekozen metaal is het proces giftig (ook na de behandeling). Dit mag niet. Dit en het feit dat RVS zelf betere resistentie heeft dan de toe te passen materialen zorgt ervoor dat dit proces niet gekozen word. ORGANIC SOLVENT‐BASED PAINTING Dit proces is een verfproces. Doordat er geen gebruik wordt gemaakt van giftige drijfgassen en oplosmiddelen is het verven niet slecht voor het milieu. Met deze methode is de meest egale en dunne verflaag aan te brengen die vervolgens snel droog is (enkele seconden). De automobiel industrie maakt gebruik van deze methode. PVD PLATING PVD plating is een proces waarin een metaal op het product wordt gedampt. Dit word in een vacuüm ruimte gedaan en lijkt op het condenseren van water op een spiegel in de badkamer. Een belangrijke eis is dat het product schoon is voordat de behandeling plaatsvindt. De damp van het materiaal wordt versneld door middel van een elektrisch veld of differentiaalspanning. Meestal is dit proces echter een schoonheidsbehandeling met goede bestendigheid tegen omstandigheden. Dit is relatief veel duurder dan de baten die het oplevert voor RVS, aangezien de eigenschappen al goed zijn. Ook dit proces valt dus af.


36

VITREOUS ENAMELING Dit is een algemeen bekend proces, ook al zullen veel mensen niet weten dat ze producten gebruiken waarop een geëmailleerde laag is aangebracht. Emailleren is namelijk een glaslaag aanbrengen. Dit wordt onder andere toegepast in baden, wasmachines, maar ook op borden langs de weg en zelfs in de bouw wordt het gebruikt. Een van de voordelen is dat de aangebrachte laag decennia kan blijven zitten zonder achteruitgang van de kwaliteit. Tijdens het emailleren moet het Figuur 28 product opgewarmd worden tot boven het smeltpunt van glaspoeder! Een ander voordeel is dat de coating in alle mogelijke kleuren kan worden aangebracht. Om ervoor te zorgen dat het glas goed blijft zitten wordt er gebruik gemaakt van twee lagen. De onderste laag is rijk aan kobalt en nikkel. De tweede laag is voor kleur en decoratie. Aangezien we het uiterlijk van RVS willen bewaren zal dit goed kunnen door gebruik te maken van kleurloos glas. Het enige nadeel van ‘vitreous enameling’ is dat het redelijk duur is. Het kost namelijk veel energie en gaat langzaam ten opzichte van andere nabewerkingen. Daar staat dan weer tegenover dat het oppervlakte eenvoudig te reinigen is, de hygiëne extreem goed is en de krasgevoeligheid is zeer goed. Function of treatment Corrosion protection (aqueous) Corrosion protection (gases) Corrosion protection (organics) Hardness Electrical insulation Decoration Color

True True True True True True True

Physical attributes Surface roughness (A=v. smooth) Processing temperature Curved surface coverage Coating thickness Surface hardness

A 602 good 500 7e3

‐ 902

°C

‐ 1e3 ‐ 1e4

µm HV

Process characteristics Discrete

True

Economic attributes Time before handling Relative equipment cost Relative tooling cost Labor intensity

300 ‐ 1e3 medium low medium

s

CONCLUSIE Uit de vier mogelijke nabewerkingen die een verbetering aanbrengen in de zin van krasbestendigheid en resistentie tegen verschillende corrosie springt emailleren er met kop en schouder boven uit. Dit is een relatief duur proces, maar de verbeteringen zijn zo groot dat het veel oplevert in kwaliteit. De wasbak gaat door de glaslaag veel langer mee en is makkelijker schoon te houden dan standaard RVS. Dit proces zal niet worden gedaan door Phoenix zelf door het gebrek aan materiaal en ruimte voor het emailleren en zal dus worden uitbesteed.


37

RANDPROCESSEN Bij Phoenix zijn alle processen Computer Numerical Controled. Dit houdt in dat de machines computergestuurd geregeld worden. Het computerprogramma dat dit regelt, zit verwerkt in een Computer Aided Manufacturing systeem. Het kantproces kan zelf volautomatisch gebeuren. Kijkend naar alle mogelijke materiaalverwerkingsprocessen bij Phoenix, valt het op dat het bedrijf de gehele voorbewerking van het uitgangsmateriaal tot rubberpersklare vorm in eigen huis heeft. Verder zijn de meeste nabewerkingen ook binnen het eigen bedrijf mogelijk, wat uiteraard een hogere toegevoegde waarde aan het product oplevert. CNC‐KNIPPEN: Het uitgangsmateriaal (een RVS 321‐plaat van 2000 bij 1000 mm, 1,2mm dikte) dient eerst op maat gemaakt te worden. Dit gebeurt door het simpele knipproces: de plaat ligt voor het deel dat over moet blijven op een plat ondersteunend blok. Tegen het uitstekende deel komt op een afstand ‘s’ van het uiteinde, waar een ondermes zit, een bovenmes onder een kracht F naar beneden (zie figuur 29). De kracht F zorgt voor een buigend moment M= F x s. Voor ons materiaal zal de kracht ‘F’ maximaal gehouden worden en de afstand s minimaal, zodat er geen kromming ontstaat op de plaats waar het materiaal afgeknipt is. Het materiaal (RVS 321) heeft immers een middelhoge kracht nodig om het te laten scheuren/breken.

Figuur 29: De knipmachine (links), de hoeken die bij het knippen voorkomen (midden) en een geknipte plaat (rechts).


38

PONSEN Ponsen berust op hetzelfde vervormingprincipe als knippen (afschuiving). Het enige grote verschil is dat er nu niet in een rechte lijn van de plaat afgesneden wordt, maar een vorm in de plaat. De pons drukt in een keer een dop in een vorm van het ponsgereedschap uit de snijplaat. Dit gebeurt in de volgende stappen: 1. Materiaal wordt naar binnen getrokken. 2. Afschuiving ponsmateriaal 3. losscheuren ponsmateriaal 4. Braamvorming . Bij Phoenix zijn er twee ponsmachines met een maximale druk Figuur 30: het ponsprincipe. van 30 ton aanwezig. De kleinste ponsmachine (max. plaatafmeting 2500x1250 mm) gaat gebruikt worden voor het ponsen van de wastafel. Eerst wordt een groot rond gat met diameter 64 mm (standaard buitenmaat afvoerputje) uitgeponst. Vervolgens wordt nog twee gaten met beiden diameter 6 mm (standaard buitenmaat aansluitleidingen voor warm en koud water) uitgeponst. Hierin wordt een schroefdraad geklemd binnenin een rubberrand t.b.v. het plaatsen van de waterleidingen. Tenslotte komt er nog een ovaalvormig gat van 80 mm breedte bij 20 mm hoogte als gat voor het overloopputje. Hierachter komt een los aansluitstuk. ROBOT KANTEN/CNC KANTEN Kanten, ook wel zetten genoemd, is een goedkoop principe om een plaat te buigen, op basis van plastische vervorming door middel van een buigmoment. De punt ‘R’ van de stempel drukt de rechte plaat met een materiaaldikte ‘S’ onder een drukkracht ‘F’ in de matrijsvorm met breedte ‘V’. (zie afbeelding 31). Afhankelijk van hoe diep de stempel de plaat in de groef van de matrijs drukt, wordt er om een (waarbij de buigradius r minimaal is) of meerdere punten gekant. Zo ontstaan er variaties op het kantprincipe (vrijbuigen, matrijsbuigen, stapzetten). Bij Phoenix kan het kanten zowel computergestuurd, met machinebediening van een medewerker (tot een kantlengte van 4000 mm en een druk van 200 Ton) als volledig automatisch door een eenarmige robot uitgevoerd worden (tot een kantlengte van 3000 mm). Laatstgenoemde is zeer uniek voor een middenkleinbedrijf in Nederland. Voor het uitgangsmateriaal van ons product (een RVS 321‐plaat met een dikte van 1.2 mm), zou de minimaal benodigde druk dus net onder de 125 ton per meter liggen. En gezien de lengte van de uitgangsplaathelften van onder de 4000 mm,zal het kanten ook volautomatisch door de robot gedaan kan worden. Enkele dingen om rekening mee te houden zijn: ‐Ongelijke zetting: in het midden van de plaat (het hart) drukt het mes dieper in het materiaal. Om dit te compenseren, wordt een computergestuurde ‘bombering’ gebruikt, die de matrijs in het hart omhoog drukt, zodat toch over even diep in het materiaal gedrukt wordt. ‐Voorsnijden: Omdat het kanten een buigproces is treedt er aan de buitenkant van het materiaal rek op en aan de binnenkant (‐radius) krimp. Om de materiaaldikte in de binnenradius te beheersen, wordt het materiaal aan de kant van de binnenradius vaak voorgesneden met een insnijding, zodat het materiaal bij krimp hier ruimte heeft om weg te vloeien. ‐Achteraanslag: om in elke willekeurige richting te kunnen kanten, is de achteraanslag van veel kantbanken vrij instelbaar over de X, Y en Z‐richting. Bij het robotkanten is dit niet het geval, omdat de robotarm de plaat al in de goede richting legt.


39

Figuur 31 Kantproces met de volautomatische robotarm: een voorgeponste en gesneden plaat van de palet afgepakt (links). Vervolgens wordt deze op een tafel met een aantal referentiepunten gepositioneerd en weer opgepakt door de robotarm (midden). Daarna wordt de plaat precies op de juiste rechte werklijn gekant (rechts), en weer gestapeld.

De CNC‐kantmachine (links), de Figuur 32: CNC kantmaichine (links), plaatdikte uitgezet tegen de drukkracht (midden) en principe van het kanten (rechts).

MIG‐LASSEN De twee helften van de RVS‐wastafel moeten na het dieptrekken aan elkaar gelast worden. Hiervoor wordt de methode van het MIG/MAG en TIG‐lassen (soorten thermisch lassen) het meest toegepast. Hierbij moet rekening gehouden worden met het krimpen en kromtrekken van het gesmolten materiaal van de las, dat weer stolt. Er wordt gekozen voor Metal Intert Gaswelding lassen (het lassen met een inert beschermgas), omdat de methode geschikt is voor lange lassen in RVS (een non‐ ferritisch metaal), waarbij bescherming door een gas vereist is, zodat de verbinding sterkte behoudt. Bij het MIG‐lassen worden de te verbinden RVS‐helften gesmolten door een elektrische boog tussen een lange lasdraad, die in het geval van de wastafel dun moet zijn en een laag Siliciumgehalte moet hebben, Figuur 33 MIG/MAG lasprincipe zodat er mooie dunne, bijna onzichtbare lasnaden ontstaan die makkelijk weg te slijpen zijn. Hierbij wordt een inert beschermgas meegevoerd aan de zijkanten van het gasmondstuk. CNC (2D/3D)‐LASERSNIJDEN Als laatste randproces worden de randen van de flenzen van de wastafel mooi op maat gesneden met behulp van een 3d‐lasersnijder. Bij Phoenix wordt er ‘geëxcimineerd gelasered’. Dit houdt in dat van een mengsel van edelgassen de moleculen als het ware uiteen vallen en fotonen uitzenden met een bepaalde golflengte (het laserlicht). Het laserlicht wordt concentrische gebundeld door een lens. De brandpuntsafstand (daar, waar het licht bij elkaar komt en de intensiteit dus maximaal is) is precies afgesteld op de hoogte van de plaat. Hierdoor ontstaat een Specialisatie Project Rubberpersen Groep 4A 01

40

laserstraal met een snedebreedte van 0,2‐0,5 mm. Door de plaatselijk hoge temperatuur smelt of verdampt het RVS. Door de mogelijkheid van het draaien om drie assen van de buizenlasser is het bij Phoenix ook mogelijk om te 3D‐lasersnijden, waardoor hele oppervlaktes materiaal weggesneden kunnen worden. Een meegespoten snijgas blaast het gesmolten materiaal weg. Bij het snijden ontstaat een onnauwkeurigheid van slechts enkele micrometers in de vorm van rillingen, door de snelheid waarmee de laser ten opzichte van de plaat beweegt. Verder vergroot de materiaaldikte deze onnauwkeurigheid. figuur34: het lasersnijden bij Phoenix, waarbij soms vonken ontstaan wanneer de gasontlading instabiel wordt (links). Het principe van het lasersnijden (rechts).

STAP VOOR STAP Figuur 35


41

CYCLUSTIJD Terugkijkend naar het voorgaande cyclustijd deel kunnen we de formule invullen voor ons product. Als je naar ons product kijkt zie je dat het complex (level 3), redelijk groot (Level 2) en een grootte breedte‐diepte verhouding (level 3). Dan komen we op een cyclustijd van 5,7 minuten. De Ingenieur van Phoenix (Ramses van Alphen) schat zelf dat de cyclustijd voor ons product vijf minuten zal bedragen. Dit komt goed overeen met de schatting die we zelf hadden. Bij elkaar bedraagt de cyclustijd dus ongeveer 11 minuten.

PRODUCTIEKOSTEN Al eerder is bij het programma van eisen gesproken over een seriegrote van rond de honderd stuks. Dit betekent dat alle gemiddelde kosten relatief hoog liggen waardoor de stukprijs erg zal gaan stijgen. Een ander proces dat dicht in de buurt komt van rubberpersen is dieptrekken. De volgende tabel laat de totale kostprijs zien van een rubberpersproduct en een dieptrekproduct bij zowel een kleine als bij een grote serie. Kleine serie Rubberpersen Dieptrekken Instelkosten 0.40 0.75 Perskosten 4,‐ 0.50 Gereedschapskosten 1.50 17.‐ Totaal 5.9 18.25 Grote serie Rubberpersen Dieptrekken Instelkosten 0.02 0.04 Perskosten 6,‐ 0.75 Gereedschapskosten 0.16 0.80 Totaal 6.18 1.59 Hieruit blijkt dat voordeliger is om de wasbak met rubberpersen te produceren. Mens en machinekosten rubberpersen Phoenix bv rekent voor het gemak met een vast bedrag voor de personeel en pers kosten. Dit komt neer op 90 euro per uur. Uit de cyclustijd komt dat één product in totaal 11 min. Moet worden gerubberperst. Een simpele rekensom geeft dan de uitkomst dat de totale mens en machinekosten van rubberpersen uitkomen op €1650,‐. Maar bij dit proces moeten ook nog andere kosten worden berekend. Daarom moeten nu voor de productiekosten nog de materiaalkosten worden berekend en de nabewerkingkosten. Matrijskosten Bij de matrijskosten gaat het om eenmalige kosten. Afgaande op de vorm van de matrijs komen we uit op matrijskosten van ongeveer €9000,‐. Materiaalkosten Het materiaal dat wordt gebruikt voor het ontwerp is RVS 321. Dit materiaal kost tussen de € 3,06 en € 3.37 per kg. De prijs zal waarschijnlijk rond de € 3,37 per kg gaan zitten omdat dit ontwerp wordt gemaakt voor een kleine serie van honderd stuks, waardoor het voordeel van grootschalige inkoop lijkt weg te vallen. Ook is het zo dat het materiaal in plaat aankomt, met zeer waarschijnlijk een enkele voorbewerking erbij. Dit zal ook alleen maar de prijs van het materiaal doen stijgen. Het product wordt geproduceerd uit drie RVS 321 platen. De afmetingen drie de platen zijn niet helemaal gelijk. Zo hebben de platen die worden gerubberperst een andere afmeting dan de buitenplaat. De gerubberperste platen hoeven namelijk maar de helft van de breedte van de


42

buitenplaat te hebben. Wel moet er rekening worden gehouden met extra flensen voor de gerubberperste platen: 1200x400x1.2 (1x) 620x420x1.2 (2x) Dit betekent dat er per product 1.20e ‐3 m3 RVS 321 in het product wordt verwerkt. De dichtheid van RVS 321 is volgens CES tussen de 7.85e3 en 8.05e3 kg/m3. De totale materiaalkosten zullen dan zijn: 100 X 7.95e3 kg/m3 X 1.20e ‐3 m3 x 3,37 €/kg = 3218 Euro. Per stuk zijn de materiaalkosten dus € 32,18. Voor en nabewerkingkosten In het hele proces ondergaan de drie platen van één product de volgende stappen:  3x 2d Laseren: Het 2d laseren gaat volgens een voorgeprogrammeerd programma. De kosten kunnen worden geschat op €50,‐ per uur voor mens en machine.  1x 3d Laseren: Het 3d laseren gaat eveneens volgens een voorgeprogrammeerd programma en kost met een wat duurdere machine dan het 2d laseren ongeveer €65,‐ per uur voor mens en machine.  2x Lassen: Het lassen gebeurd vrijwel handmatig en kost dus ongeveer €40,‐ per uur voor de personeelskosten. Ook hier schatten we dat zowel het 2d laseren, 3d laseren en lassen per totale nabewerking ongeveer 11 minuten duurt. Daarom zijn de totale kosten over honderd stuks ongeveer €2837,‐. Totale kosten Als we nu de materiaalkosten, de matrijskosten, de mens en machinekosten van het rubberpersen en de voor en nabewerkingkosten bij elkaar optellen komen we uit op €16.705,‐. De productiekosten per stuk liggen dus rond de €167,‐. Hierbij moet worden vermeld dat er nog veel andere kosten voor transport en wellicht administratie bijkomen, maar voorlopig gaan we uit van een schatting van de productiekosten van rond de €167,‐.


43

ONTWERPREGELS Bij het rubberpersen zijn er een aantal factoren waar rekening mee gehouden moet worden. Daarom worden er in dit verslag ontwerpregels opgesteld. Deze regels zullen aangeven of een product te maken is met het proces rubberpersen en waar rekening mee moet worden gehouden.

MAXIMALE AFMETINGEN De afmetingen van het product zijn afhankelijk van de grootte van de pers. De grootste pers van Phoenix Bv is 2200 bij 1100. De maximale diepte van het product is te bepalen met een diepte breedte verhouding van 1 op 2 a 1 op 3.

MATRIJZEN De keuze van de matrijs is afhankelijk van het soort product. Voor dieptrekachtige producten worden vaak negatieve malen gebruikt. Voor flenzen of andere details of indrukkingen worden positieve mallen gebruikt. Er bestaan ook mallen die een negatief deel en een positief deel hebben. Hierdoor kunnen plooien worden voorkomen.

MATERIALEN ‐Mechanische eisen:hoe hoger het koolstofgehalte van het materiaal, des te sterker, corrosiegevoeliger en scheurgevoeliger het materiaal is. ‐Maakbaarheid: als je een goed rubberpersbaar materiaal hebt, moet je vooral op de volgende dingen letten: hoge maximale breukrek, hoge n/r‐waarde voor sterkvormen en middelhoge n/r‐ waarde voor dieptrekvormen en hoge treksterkte. ‐Corrosie: hoe hoger de PRE‐waarde van een materiaal, hoe hoger de mate van corrosiebestendigheid is. ‐Lassen: hoe nauwkeuriger er gelast wordt (met minder toevoeging van lasmateriaal), des te beter het materiaal van de producthelften hun sterkte en corrosiebestendigheid houden.

BIJZONDERE VORMEN EN DETAILS Bij het rubberpersen kunnen veel bijzondere vormen worden gemaakt. Wel zal moet worden opgelet dat de buigradius niet te klein wordt, anders is er kans op scheuren. Ook moet er op gelet worden dat de lossingshoek in het product goed is, anders kan het product niet uit de mal verwijderd worden.

NABEWERKINGEN Voor de nabewerkingen moet er gekeken worden naar een aantal zaken. Als eerste is dit of er gewerkt kan worden met een 3d oppervlak; of de bewerking overal komt of niet op alle plaatsen alles meeneemt. Verder moet er in het geval van de wasbak rekening gehouden worden met hygiëne en krasbestendigheid.


44

KOSTEN Bij het rubberpersen wordt er uitgegaan van vaste kosten van negentig euro per uur als vaste kosten voor mens en machine.

TIME TO MARKET Voor een lage cyclustijd is vooral een lage (totale en inwendige) diepte‐breedte verhouding van belang. Deze verhouding is afhankelijk van het materiaal, maar simpel gezegd is een verhouding van rond de 1/5 het snelst. Rubberpersen is afhankelijk van het product een goed proces voor series tot 2000 stuks.


45

CONCLUSIE Rubberpersen lijkt een geschikt proces te zijn om een product in lage oplagen met hoge kwaliteit te produceren. Productie in lage oplagen brengt in de praktijk meestal hoge productiekosten met zich mee. Daarom zal de uiteindelijke verkoopprijs van de wastafel in het hoge prijssegment gaan liggen. RVS 321 gaat worden gekozen als uitgangsmateriaal. Dit materiaal heeft als voordeel dat het goede mechanische eigenschappen heeft en een goede corrosiebestendigheid. Dit alles bevordert de maakbaarheid van het product. Uit berekeningen is gebleken dat de Dieptrekverhouding net gaat waardoor er waarschijnlijk eerst een paar tests moeten worden gedaan om het materiaal optimaal te kunnen rubberpersen. De nabewerkingen zullen waarschijnlijk duur uitvallen. Er is relatief veel energie nodig en het proces duurt redelijk lang. Het voordeel van emailleren is qua schoonmaken, hygiëne en krasbestendigheid zeer groot. Ook zorgt het voor een nette uitstraling en verlengt het de levensduur van producten. Vanwege de hoge productiekosten bij een productie van honderd stuks, kan er worden overwogen om voor een iets grotere serie te gaan om de kosten beter te dekken. Wel moet worden bedacht dat de serie niet te groot moet zijn, omdat anders het dieptrekken voordeliger zal worden, en het product een minder exclusief karakter kan krijgen.


46

NAWOORD Na het bezoek aan Phoenix 3d metaal bv. zijn we hard aan de slag gegaan. Uiteraard hadden we al onderzoek gedaan naar rubbervormen en een idee voor een mogelijk product, maar het project stond toen nog in de kinderschoenen. Na eindelijk het rubbervormen van dichtbij gezien te hebben zijn de ideeën pas echt gaan ontstaan. Er zijn idee schetsen gemaakt, plannen opgesteld hoe we alles gingen aanpakken en werden er taken verdeeld. Alles verliep redelijk soepel. Tijdsdruk was niet echt aanwezig in het verloop van de weken en het resultaat mag er zijn. Naarmate het project vorderde viel alles meer op zijn plaats en werd het voor iedereen duidelijker wat er precies moest gebeuren en waar we naartoe aan het werken waren. Dit alles komt duidelijk terug in ons uitgebreide verslag.


47

BRONNEN            

Borsboom J.N. (2007): Omvormprocessen ‐ Technisch info‐blad, nr. TI.07,35, april 2007, p. 4‐5, 9, 13‐16, Vereniging FME‐CWM Zoetermeer. Cambridge Engineering Selector Education Package (2010), Granta Design Limited, Cambridge Dubbeld, G. (2008): SenterNovem januari 2008 nr 5 MKB in Europa, blz. 4 ‘mooie machines’, IWT, Den Haag. E. Meijers (2004): Ontwerpen van dunne plaat producten en de Eindige Elementen Methode, Technisch info‐blad, nr. Ti.04.22, 2004, Vereniging FME‐CWM, Zoetermeer. Galison, P. and Rouland A. (2000): Atmospheric flight in the twentieth century, Kluwer Academic Publischers, Dordrecht. Harrie Raaimakers (2009): Type RVSstaal hoge temperature + hygiëne http://www.ontwerpinplaatwerk.nl/view_topic.php?topic_id=36&forum_id=1 Hibbeler, R.C (2006): Sterkteleer, p. 107, Pearson Education, Singapore. Kruijk, H., Raaijmakers, H.J.M en. Borsboom J. (2008): Rubberpersen, Technisch info‐blad, nr. TI.08.42, Vereniging FME‐CWM , Zoetermeer.’ Marchal, P.D. (Corus RD&T, 2004), Technisch info‐blad, nr. TI.04,18, januari 2004: Hoge Sterkte Staal in dunne plaat en buis, Federatie Dunne Plaat, Zoetermeer. Marchal, P.D. (Corus RD&T, 2004): Aluminium in dunne plaat en buis, Technisch info‐blad, nr. TI.04.21, Vereniging FME‐CWM, Zoetermeer. P.L.F. Rademakers (RAM, 2004): Technisch info‐blad, nr. TI.04,19, januari 2004: Roestvast staal in dunne plaat en buis, Federatie Dunne Plaat, Zoetermeer. Put, v.d., Jo. (2009): Moderne indstriele productie, Pearson Education, Amsterdam.

De volgende internetsites zijn bezocht voor achtergrondinformatie:  Gietbare Metalen: http://www.bennink‐tencate.com (bezocht op 18‐01‐11)  http://www.tosec.nl/nl/metaalbewerking/kanten‐zetten (bekeken op 18 januari 2011)  Lasersnijden: http://www.lac‐online.nl/dfl/achtergrond_lasersnijden.html (bekeken op 18 januari 2011)  MIG welding: http://www.ntg‐emmen.nl/migmagmassief.htm (bekeken op 18 januari 2011)  MIG Welding: http://www.youtube.com/watch?v=_dN9POwctD4&feature=related (bekeken op 18 januari 2011)  MIG Welding: http://www.youtube.com/watch?v=N7CJwS5isrQ&feature=related (bekeken op 18 januari 2010)  Proplassen http://www.youtube.com/watch?v=4PliEZYXYuo (bekeken op 18 januari 2011)  Roestvaststaal: http://www.xs4all.nl/~tcmbv/Wat%20is%20RVS.html (bezocht op 15‐01‐ 11).  RVS en ALU bewerking, techniek en behandeling: http://www.rvs‐ gelderland.nl/bewerkingen_techniek.html (bekeken op 18 januari 2011)  Sinke, J : Rubber Forming of metal sheet, http://www.tudelft.nl/live/pagina.jsp?id=e20d0449‐623c‐4a37‐b22a‐ a6b423b7b7a8&lang=en (bekeken op 18 januari 2011)  Staal: http://www.ussteel.com/corp/auto/tech/grades/dentresistant/bake_hard.asp Uitgeverij TCM BV, Leiden.


48

BIJLAGEN BIJLAGE MATERIALEN MATERIAAL VOOR DE WASTAFEL Stainless steel, austenitic, AISI 321, wrought General properties Designation AISI 321 UNS number Density Price Composition overview Composition (summary) Fe/<.08C/17-19Cr/9-12Ni/<2Mn/<1Si/.3-.7Ti/<.045P/<.03S Base Composition detail C (carbon) Cr (chromium) Fe (iron) Mn (manganese) Ni (nickel) P (phosphorus) S (sulfur) Si (silicon) Ti (titanium) Mechanical properties Young's modulus Flexural modulus Shear modulus Bulk modulus Poisson's ratio Shape factor Yield strength (elastic limit) Tensile strength Compressive strength Flexural strength (modulus of rupture) Elongation Hardness - Vickers Hardness - Rockwell B Hardness - Rockwell C Hardness - Brinell Fatigue strength at 10^7 cycles Fatigue strength model (stress range) Parameters: Stress Ratio = 0, Number of Cycles = 1e7 Fracture toughness Mechanical loss coefficient (tan delta) Thermal properties Melting point Maximum service temperature Minimum service temperature Thermal conductivity Specific heat capacity Thermal expansion coefficient Latent heat of fusion Processing properties Carbon equivalency Electrical properties Electrical resistivity Optical properties Transparency Durability: flammability Flammability Durability: fluids and sunlight Water (fresh)


S32100 7.85e3 * 3.06

-

8.05e3 3.37

kg/m^3 EUR/kg

0 17 65.1 0 9 0 0 0 0.3

-

0.08 19 73.7 2 12 0.045 0.03 1 0.7

% % % % % % % % %

189 * 189 74 134 0.265 62 200 510 210 210 30 170 75 * 0 150 223 131

-

205 205 82 152 0.275

GPa GPa GPa GPa

-

241 660 305 305 60 210 85 13.7 202 247 205

MPa MPa MPa MPa % strain HV

53 * 9.3e-4

-

66 0.00129

MPa.m^0.5

1.4e3 750 -240 14 490 16 * 260

-

1.43e3 925 -190 17 530 18 285

°C °C °C W/m.°C J/kg.°C µstrain/°C kJ/kg

4

-

5.1

65

-

77

Fe (Iron)

MPa MPa MPa

µohm.cm

Opaque Non-flammable Excellent

49

Water (salt) Excellent Weak acids Excellent Strong acids Acceptable Weak alkalis Excellent Strong alkalis Excellent Organic solvents Excellent UV radiation (sunlight) Excellent Oxidation at 500C Excellent Primary material production: energy, CO2 and water Embodied energy, primary production 77.2 - 85.3 MJ/kg CO2 footprint, primary production 4.85 - 5.36 kg/kg Water usage 112 - 337 l/kg Material processing: energy Casting energy * 4.02 - 4.44 MJ/kg Forging, rolling energy * 2.29 - 2.53 MJ/kg Metal powder forming energy * 37.5 - 41.4 MJ/kg Vaporization energy * 24.9 - 27.6 MJ/kg Conventional machining energy (per unit wt removed) * 9.68 - 10.7 MJ/kg Non-conventional machining energy (per unit wt removed) * 46.8 - 51.7 MJ/kg Material processing: CO2 footprint Casting CO2 * 0.241 - 0.266 kg/kg Forging, rolling CO2 * 0.183 - 0.202 kg/kg Metal powder forming CO2 * 3 - 3.32 kg/kg Vaporization CO2 * 1.99 - 2.21 kg/kg Conventional machining CO2 (per unit wt removed) * 0.774 - 0.856 kg/kg Non-conventional machining CO2 (per unit wt removed) * 3.74 - 4.14 kg/kg Material recycling: energy, CO2 and recycle fraction Recycle True Embodied energy, recycling * 21.6 - 23.9 MJ/kg CO2 footprint, recycling * 1.36 - 1.5 kg/kg Recycle fraction in current supply 35.5 - 39.3 % Downcycle True Combust for energy recovery False Landfill True Biodegrade False A renewable resource? False Notes Typical uses Aircraft exhaust manifolds; bellows; expansion joints; furnace parts; heater element tubes; process plant parts; turbine gas heaters for nitric acid production; Reference sources Data compiled from multiple sources. See links to the References table. Standards with similar compositions Please Check CES EduPack 2010, search for ‘Stainless Steel 321’ for more information. Links ProcessUniverse Producers Reference Shape No warranty is given for the accuracy of this data. Values marked * are estimates.


50

MATERIAAL VOOR (DE SLIJTLAAG VAN) HET RUBBERKUSSEN Polyurethane rubber (unfilled) General properties Designation Polyurethane rubber / Urethane rubber / Polyurethane thermoset elastomer (AU, EU, PUR) Density 1.19e3 1.21e3 kg/m^3 Price * 3.3 3.63 EUR/kg Tradenames Adiprene, Estane, Genthane Composition overview Composition (summary) Polyurethane, ether or ester based, general formula (NH-R-NH-CO-O-R'-O-CO)n, crosslinked. AU = ester type. EU = ether type. Base Polymer Polymer class Thermoset elastomer : rubber Polymer type PUR Polymer type full name Polyurethane plastic % filler (by weight) 0 % Filler type Unfilled Composition detail Polymer 100 % Mechanical properties Young's modulus 0.0025 0.03 GPa Compressive modulus * 0.0025 0.03 GPa Flexural modulus * 0.0025 0.03 GPa Shear modulus * 8.33e-4 0.01 GPa Bulk modulus * 1.5 2 GPa Poisson's ratio * 0.47 0.49 Shape factor 1.6 Yield strength (elastic limit) 40 51 MPa Tensile stress at 100% strain * 3 4 MPa Tensile stress at 300% strain * 6 12 MPa Tensile strength 40 51 MPa Compressive strength * 48 61.2 MPa Flexural strength (modulus of rupture) * 65 81.4 MPa Elongation 500 750 % strain Elongation at yield 500 750 % strain Hardness - Shore D 12 41 Hardness - Shore A * 50 92 Fatigue strength at 10^7 cycles * 16 20.4 MPa Fracture toughness * 0.901 1.49 MPa.m^0.5 Mechanical loss coefficient (tan delta) 0.05 0.1 Compression set at 23°C 7 15 % Compression set at 70°C * 15 45 % Compression set at 100°C * 30 60 % Tear strength * 60 90 N/mm Impact properties Impact strength, notched 23 °C 190 200 kJ/m^2 Impact strength, notched -30 °C 190 200 kJ/m^2 Thermal properties Glass temperature * -73 -23 °C Maximum service temperature 80 105 °C Minimum service temperature -65 -30 °C Thermal conductivity 0.28 0.3 W/m.°C Specific heat capacity 1.65e3 1.7e3 J/kg.°C Thermal expansion coefficient 160 165 µstrain/°C Electrical properties Electrical resistivity 1e17 3.16e18 µohm.cm Dielectric constant (relative permittivity) 5 8 Dissipation factor (dielectric loss tangent) 0.02 0.09 Dielectric strength (dielectric breakdown) 14 20 MV/m Comparative tracking index * 550 600 V Optical properties Refractive index * 1.48 1.5 Transparency Transparent Absorption, permeability Water absorption @ 24 hrs 0.2 0.22 % Water vapor transmission 0.724 4.47 g.mm/m².day Permeability (O2) 46.4 133 cm³.mm/m².day.atm Durability: flammability Flammability Slow-burning Durability: fluids and sunlight Water (fresh) Excellent


51

Water (salt) Acceptable Weak acids Limited use Strong acids Unacceptable Weak alkalis Acceptable Strong alkalis Unacceptable Organic solvents Limited use Oils and fuels Acceptable UV radiation (sunlight) Fair Oxidation at 500C Unacceptable Primary material production: energy, CO2 and water Embodied energy, primary production * 101 112 MJ/kg CO2 footprint, primary production * 3.92 4.34 kg/kg Material processing: energy Polymer molding energy * 15.9 17.5 MJ/kg Material processing: CO2 footprint Polymer molding CO2 * 1.27 1.4 kg/kg Material recycling: energy, CO2 and recycle fraction Recycle False Recycle fraction in current supply 0.1 % Downcycle True Combust for energy recovery True Heat of combustion (net) * 21.8 22.9 MJ/kg Combustion CO2 * 2 2.1 kg/kg Landfill True Biodegrade False A renewable resource? False Notes Typical uses Cushioning, packaging, shoe soles, tires, wheels, fuel hoses, gears, bearings, wheels. Other notes Strengths: Abrasion resistance, tear strength weathering, oil swell. Limitations: Hydrolysis, especially hot water. Ether types have better hydrolytic stability (more durable to water), better low temperature performance, poorer mechanical properties. Links ProcessUniverse Producers Reference Shape No warranty is given for the accuracy of this data. Values marked * are estimates.


52

BIJLAGE NABEWERKINGEN

Hot-dip coatings General Designation Hot dip coatings The process Hot dipping is a process for coating a metal, mainly ferrous metals, with low melting point metals usually zinc and its alloys. The component is first degreased in a caustic bath, then pickled (to remove rust and scale) in a sulfuric acid bath, immersed (dipped) in the liquid metal and, after lifting out, it is cooled in a cold air stream. The molten metal alloys with the surface of the component, forming a continuous thin coating. When the coating is zinc and the component is steel, the process is known as galvanizing. The process is very versatile and can be applied to components of any shape, and sizes up to 30 m x 2 m x 4 m. The cost is comparable with that of painting, but the protection offered by galvanizing is much greater, because if the coating is scratched it is the zinc not the underlying steel that corrodes ("galvanic protection"). Properly galvanized steel will survive outdoors for 30‐40 years without further treatment. Process schematic


53

_

Function of treatment Corrosion protection (aqueous) Corrosion protection (gases) Corrosion protection (organics) Wear resistance Thermal conduction Color

True True True True True True

Physical attributes Surface roughness (A=v. smooth) Processing temperature Curved surface coverage Coating thickness Coating rate Surface hardness

C 325 ‐ Very good 10 ‐ * 4e3 ‐ 10 ‐

705

°C

130 2.3e5 12

µm µm/s HV


* 108 ‐ 576 medium low low

s

Supporting information Design guidelines When properly selected, hot‐dip metallic coatings provide excellent long‐term corrosion protection. Because of the high temperature of the process, there can be some distortion of the workpiece. Galvanizing is preferred over painting because a metallurgical bond between the coating and underlying steel or iron. It can protect steel from corrosion for 30 years or more. Galvanizing is not always satisfactory for machined, threaded or mating parts because of the thick and uneven coating which has to be removed from the threads by retapping. The galvanizing process is limited by the batch size: specialized work can handle parts up to 30 m long and fabrications 18*2*5 m. Thickness control is poor, and the coating is less uniform than with electroplating. Technical notes The hot‐dipping process is rapid (fraction of a minute for small objects to several minutes for structural parts). Postcoating treatment varies according to the needs of the coated component. Hot dipping is principally applied to ferrous metals, commonly cast iron or steel. In specialized situations, materials such as high‐strength low‐alloy steel may be used. Coatings are low melting point metals: aluminum, zinc, tin, lead, terne (lead alloy with 10 to 20 % tin). Zinc, aluminum and terne perform well in providing corrosion protection under atmospheric conditions, in soils and aqueous media. Lead and tin do not provide galvanic protection but may be resistant to soils that are highly aggressive to zinc coatings. Lead has good resistance to sulfuric and hydrochloric acids, brines, etc. However, owing to its tendency to coat unevenly and to pit, it is not used extensively as a coating for steel in the atmosphere or in most soils. Alloying lead with tin, antimony, cadmium, mercury, and arsenic produces coatings that have been used with success. Typical uses


54

Aluminized steel or cast iron: refinery process piping and equipment, appliance parts, furnace heater tubes, brazing fixtures. Galvanized steel: roofing and siding, nails, wire, tanks (water storage), boilers, pails, hardware for indoor and outdoor use, structurals, guard rails, lighting standards, pipes and fittings, fencing. Lead on steel or copper; wire, pole‐line hardware, bolts, washers, tanks, barrels, cans, air ducts. Tin is a good base for paint. Tin on steel, cast iron or copper: milk cans, food grinders, cooking pans, kitchen utensils and electronic parts. Terne on steel or copper: roofing, lining cabinets used in chemical laboratories, gasoline tanks, oil filters. The economics Galvanizing is inexpensive, despite being energy intensive. Hot‐dipped coatings can be applied on either a short‐run or a mass‐production basis. Galvanizing, particularly, is cost effective compared to other coating methods because it lasts longer and requires less maintenance: a hot dip galvanized coating has outstanding resistance to mechanical damage in transport, erection and service. The environment With tin, certain hazardous chemicals are used. The rate of immersion should be slow enough to prevent dangerous spluttering or explosions caused by trapped water or moisture being added to the molten tin. Fumes are produced at nearly every stage of the tinning and galvanizing processes, requiring a efficient ventilating system.

Links MaterialUniverse Reference No warranty is given for the accuracy of this data. Values marked * are estimates.

Organic solvent-based painting General Designation Organic solvent‐based painting The process In solvent‐based painting, a pigment and a bonding agent, dispersed in an organic solvent, is painted or sprayed onto the surface of the object to be painted. New developments now give formulations that dry in seconds, have fade‐resistant colors, soft "feel", exciting visual effects, more powerful protective qualities, and much more ‐ though the most difficult is that of providing environmental friendliness. Conventional organic‐solvent based paints involve toxic solvents, and for that reason they are under threat. Process schematic

_

Function of treatment Corrosion protection (aqueous) Corrosion protection (gases) Corrosion protection (organics)


True True True

55

Electrical insulation Decoration Color Surface texture

True True True True

Physical attributes Surface roughness (A=v. smooth) Processing temperature Curved surface coverage Coating thickness Surface hardness

A 10 Good 30 10

‐ 100

°C

‐ 300 ‐ 16

µm HV


True



s

Supporting information Design guidelines Solvent‐based paints give the smoothest, most uniform coating and the greatest control of color ‐ the automobile industry and most product designers insists on them. Metallic paints mix flake aluminum powder in the coating; the trick is to have the coating thin enough that the metal flakes lie in a plane so that the color does not 'flip' when viewed from different angles. But there is a taste, too, for 'traveling colors'. Color is determined by the differential absorption and reflection of the various wavelengths of light; the color seen is that at the least absorbed wavelength form the angle of view. Traveling colors use additives to change the absorption‐reflection characteristics from various angles. Technical notes Paints are applied by brushing, dipping or spraying, and can be applied to virtually any surface provided it is sufficiently clean. Typical uses About half of all paints are used for decorating and protecting buildings, the other half for manufactured products, most particularly cars and domestic appliances; marine applications create important market for high‐performance corrosion and anti‐fouling formulations; 'printers inks' are paints that play a central role in publishing and packaging. The economics Painting is cost effective. The equipment costs are low for non‐automated painting, but can be high if the equipment is automated. Paints are a $75 billion per year industry. The environment Emissions from the evaporating solvents from solvent‐based paints (VOCs) are toxic, react in sunlight to form smog and are generally hostile to the environment. Auto manufacturers and others are under increasing pressure to meet demanding environmental standards. The solvents must now be recaptured, burnt or recycled. There is growing incentive to replace them by water‐based paints (but they dry slowly) or dry polymer coatings (but they cannot yet offer the same surface quality).


PVD plating General Designation Vapor processes The process In PVD plating, a thin coating of metal ‐ usually aluminum ‐ is deposited from a vapor onto the object to be coated. The vapor is created in a vacuum chamber by direct heating or electron beam heating of the metal,


56

from which it condenses onto the cold workpiece, much like steam from a hot bath condensing on a bathroom mirror. In PVD metallizing there is no potential difference between bath and workpiece. In ion plating the vapor is ionized and accelerated by an electric field (the workpiece is the cathode, and the metallizing source material is the anode). In sputtering, argon ions are accelerated by the electric field onto a metal target, ejecting ions onto the component surface. By introducing a reactive gas, compounds can be formed (Ti sputtering in an atmosphere of N2, which gives a coating of hard TiN, for instance). Clean surfaces are essential. Aluminum, copper, nickel, zirconium and other metals can be deposited. The process can be applied to plastics, metals, ceramics or glass. Process schematic

_

Function of treatment Corrosion protection (aqueous) Corrosion protection (gases) Corrosion protection (organics) Hardness Wear resistance Thermal conduction Electrical conduction Decoration Color Reflectivity Surface texture

True True True True True True True True True True True

Physical attributes Surface roughness (A=v. smooth) Processing temperature Curved surface coverage Coating thickness Coating rate Surface hardness

A 350 Average 2 0.1 200

‐ 400

°C

‐ 8 ‐ 1 ‐ 1e3

µm µm/s HV

‐ 120

s


True


60 high low low

Supporting information Design guidelines


57

Metallizing is widely used to give a reflective metallic finish on bulk and film polymers, metal, glass and ceramic. Technical notes Clean surfaces are essential. Aluminum, copper, nickel, zirconium and other metals can be deposited. Typical uses Automotive trim, household appliances and kitchenware, door and window hardware, bathroom fixtures, printed circuit boards. The economics The capital cost is high, the tooling cost low. For aesthetics, PVD metallizing is preferred to electroplating for polymers and ceramics because of its speed, quality and absence of unpleasant chemicals. The environment High volume production, good quality and cleanliness ‐ particularly the absence of unpleasant chemicals ‐ makes this an attractive process from an environmental standpoint.


Vitreous enameling General Designation Vitreous enameling The process Vitreous enamelling is painting with glass. It creates coatings of exceptional durability: the enameled death‐masks of the Pharaohs of Egypt look as bright, vibrant and perfect today as they did when they were created over 3000 years ago (Tutankhamen, BC 1358 ‐ 1340). A thin layer of glass powder with binder and coloring agent is applied to the object to be enameled; the layer is then fused to the object, generally made of cast iron, pressed steel, copper, silver or even ‐ in the case of Tutankhamen ‐ of gold, creating a continuous, strongly‐bonded coating of colored glass. It is a hot process ‐ the object being enameled must be heated to the melting point of the glass powder ‐ limiting it to metals and ceramics. Vitreous enamel coatings have exceptional hardness, wear and corrosion resistance, and can be made in an unlimited range of colors. Process schematic

_

Function of treatment Corrosion protection (aqueous) Corrosion protection (gases) Corrosion protection (organics) Hardness Electrical insulation Decoration Color

True True True True True True True

Physical attributes Surface roughness (A=v. smooth)


A

58

Processing temperature Curved surface coverage Coating thickness Surface hardness

602 Good 500 7e3

‐ 902

°C

‐ 1e3 ‐ 1e4

µm HV


True



s

Supporting information Design guidelines Enamel coatings have exceptional hardness, wear and corrosion resistance, and can be made in an unlimited range of colors. Technical notes The glass used for enameling must flow easily, wet and bond to the metal surface, and have an expansion coefficient that differs only slightly from that of the underlying metal. This is achieved by using a glass rich in boric oxide (up to 35%), which also yields strong bonds and lustrous colors. In practice enameling usually marries two different kinds of glass: the base coat includes cobalt and nickel oxides, which help to forma a strong bond with the metal; the second coat carries color and decoration. The result is extremely durable coating that is able to withstand thermal shock. Typical uses In the home: baths, washing machines, dishwashers, heaters, stovetops, fireplaces, gas and electric cookers, clock faces and cook ware. In places you can't see: hot water services, storage tanks, car exhaust systems, printed circuits and heat exchangers. In places you can see: street signs, railway signs and murals. In the building industry: interior and exterior architectural panels, fascias, spandrels and partitions. The economics Enameling is not cheap ‐ it is both slow and energy intensive. Its choice relies on the balance between quality and cost ‐ its durability and aesthetic qualities are unequalled. The environment The process requires high temperatures, but is otherwise environmentally benign. Enameled surfaces are easily cleaned (even graffiti can be removed without damage), scratch resistant and exceptionally hygienic.



59

Specialisatie Project Rubberpersen Groep 4A 01 1

Recommend Documents