The
The
©utting Edge
©utting Edge
Materialisatie van de snoeischaar Aernout Peeters, Rutger Reubens, Joost van der Schee, Jeroen Scheepens, Bas Schoutens,
io9645058 io9688259 io9732222 io9732513 io9747668
Begeleider L. Kowalski IDE 442 Materialiseren Technische Universiteit Delft Delft, 2003
1
The
©utting Edge
Inhoud 1
Samenvatting ....................................................................3
2
Summary ..........................................................................4
3
Inleiding ...........................................................................5
4
Analyse huidige situatie .......................................................6 4.1 Analyse bestaande snoeischaren.....................................6 4.2 Problemen bij bestaande snoeischaren.............................6 4.3 Probleemstelling..........................................................6
5
Beschrijving alternatieven ....................................................8 5.1 Werkingsprincipe.........................................................8 5.2 Materiaal ................................................................. 10 5.3 Vervaardiging ........................................................... 11
6
Keuze............................................................................. 14 6.1 Werkingsprincipe....................................................... 14 6.2 Materiaal ................................................................. 15 6.3 Vervaardiging ........................................................... 16 6.4 Spuitgietsinteren....................................................... 18
7
Verdieping....................................................................... 21 7.1 Werkingsprincipe....................................................... 21 7.2 Materiaal ................................................................. 23 7.3 Coating ................................................................... 24
8
Toetsing ......................................................................... 26 8.1 Kostprijsberekening ................................................... 26 8.2 Krachten en spanningen ............................................. 27
9
Conclusies en aanbevelingen............................................... 28
10
Bronvermelding................................................................ 29
11
Bijlagen .......................................................................... 30 11.1 Analyse van bestaande snoeischaren............................. 30 11.2 Programma van criteria .............................................. 31 11.3 Materialen................................................................ 32 11.4 CMS ....................................................................... 35 11.5 Hardmetalen ............................................................ 37 11.6 Verschillende coatings ................................................ 37 11.7 Rapportage van contact met Widia................................ 38 11.8 Berekening van de materiaalkosten............................... 39 11.9 Berekening van krachten en spanningen ........................ 40
2
The
1
©utting Edge
Samenvatting
Centraal in deze materialiseringsopdracht staat de vierhoekrelatie Functie, Materiaal, Vervaardiging en Geometrie. Bij het herontwerpen van de snoeischaar hebben we dan ook constant elk van deze aandachtsgebieden bestudeerd en de onderlinge relatie geanalyseerd. Wij zijn begonnen met het uitvoeren van een analyse van de bestaande snoeischaren en de problemen die zij oproepen. Het grootste probleem bleek de ergonomie van de snoeischaar en met name de grote knijpkracht die soms tijdens het snoeien moet worden uitgeoefend. Door het genereren van alternatieven voor het werkingsprincipe van de snoeischaar, kwamen we uiteindelijk op het idee van een snoeischaar met variabele overbrenging. Daarnaast wilden we de snijdeigenschappen van het mes verbeteren door het gebruik van andere materialen. Omdat ons aandachtsgebied nu toch al voornamelijk bij het mes lag, hebben we ervoor gekozen ons op de materialisatie van het mes alleen te richten. De interessantste materiaal-vervaardigingstechniekcombinatie die uiteindelijk naar voren kwam was het spuitgietsinteren van hardmetaal. Het onderdeel dat we hier uiteindelijk mee vervaardigd hebben is een mesblad met twee tandheugels en een verdieping uit één stuk. De krachtsinspanning die het knippen vereist, wordt aanzienlijk gereduceerd en de duurzaamheid van de snoeischaar voldoet nu aan de hoge eisen van de professionele snoeier. Echter zijn wij niet in staat geweest de snoeischaar aan alle gestelde eisen te toetsen. Zo zal bijvoorbeeld slagsterkte nader onderzocht moeten worden.
3
The
2
©utting Edge
Summary
The main point in this materialisation assignment was the four related aspects called Function, Material, Manufacturing and Geometry. While designing the pruning shear we constantly and simultaneously studied these aspects and their relationships. We started the project by analysing the existing pruning shears and the problems they cause. The greatest problem turned out to be the ergonomics of the pruning shear and especially the large handgrip force that is sometimes required to cut a branch. By generating alternatives for the operation principle of the pruning shear, we eventually came to the idea of a pruning shear with variable transmission. Beside this, we wanted to improve the cutting properties of the blade by trying different materials. Because most of our attention was aimed at the blade, we decided to materialise only this part. The most interesting material-manufacturingcombination we concluded from this was the powder injection moulding of hard metal. The final part is a blade with two toothed bars and a indentation, all in one piece. The force required for cutting is reduced significantly and the durability of the pruning shear now meets the high demands of the professional gardener. However we have not been able to test the pruning shear on all requirements. For this reason the fracture toughness should for instance still be studied.
4
The
3
©utting Edge
Inleiding
Knippen met een snoeischaar zou een prettige en lichte bezigheid moeten zijn. Vooral voor diegene die er dagelijks mee te maken hebben. Wij willen ervoor zorgen dat pijnlijke beurse handen, in bijvoorbeeld de tuinbouw, voorgoed tot het verleden behoren. Dit willen we bereiken door middel van het maken van een herontwerp, waarin we in het bijzonder letten op materiaalkeuze, vervaardiging, functie en geometrie. In het hierop volgende relaas, zullen wij onze keuze voor het nieuwe model snoeischaar met gesinterd mesdeel en tandwieloverbrenging ondersteunen aan de hand van het door ons gevolgde proces.
5
The
©utting Edge
4
Analyse huidige situatie
4.1
Analyse bestaande snoeischaren
Om een beeld van het huidige aanbod aan snoeischaren te krijgen, is het assortiment van Gamma in Delft bekeken en is op internet verder gezocht. Hierbij is een extreem groot aanbod aan scharen aangetroffen, hetgeen zeer gunstig is voor het vergaren van informatie. Het meest gebruikte materiaal voor de snijbladen is roestvast edelstaal, waarop veelal een anti-kleef coating is aangebracht. Bestaande snoeischaren wegen 200 tot 350 gram. De verkoopprijs varieert van €12,- tot €70,-. Een uitgebreid overzicht van verschillende snoei- en takkenscharen is opgenomen in bijlage 11.1.
Problemen bij bestaande snoeischaren
4.2
Naar aanleiding van gesprekken met een tuinman en iemand die twee weken als appelboomsnoeier heeft gewerkt, zijn de volgende problemen naar voren gekomen. 1. De schaar mag best lichter. 2. De snijdbladen klemmen soms en het is vervelend om het handvat uit elkaar te duwen. 3. De overbrengingsverhouding zou optimaler kunnen. 4. Het rendement door de beperkte stijfheid is ook niet optimaal. 5. Het slot wil soms niet open/dicht. 6. Na een tijdje werken, krijg je pijnlijke handen. 7. De bladen gaan snel bramen, waardoor de schaar niet goed meer werkt. 8. De houding van de pols is niet ergonomisch verantwoord. 9. Je krijgt soms je vingers tussen de handvatten bij de knal van het doorknippen. 10. De hars die in het systeem gaat zitten vormt een probleem (wrijving). 11. Niet alle modellen hebben een sapgoot.
Ad. 3 Bij sommige typen takkenscharen is een optimalere overbrengingsverhouding bereikt door een overbrenging met tandwiel en tandheugel (zie bijlage 11.1). Ad. 8 Bij sommige typen snoeischaren is de houding ergonomisch beter doordat de bek gekanteld is (bijv. Bahco PXR, zie bijlage 11.1)
Wat verder als probleem werd genoemd, is het uit de schaar schuiven van de tak tijdens het knippen. Echter, dit komt een efficiënte werking juist ten goede doordat er behalve een knipbeweging tegelijk ook een snijdbeweging wordt gemaakt.
Probleemstelling
4.3 Kader en achtergrond van de problematiek
In dit project wordt gericht op snoeischaren voor professioneel gebruik, dus voor professionele tuiniers en andere personen die voor hun beroep een snoeischaar gebruiken. Hiervoor is het van belang dat ze beschikken over een kwalitatief goed product. Het voornaamste probleem bij snoeischaren is de relatief hoge kracht die nodig is om de schaar te laten functioneren. Dit komt vooral door de vermindering van de snijdwerking na veelvuldig gebruik. Deze vermindering is het gevolg van aantasting van het snijvlak hetgeen verschillende oorzaken kan hebben: • • • •
Plastische deformatie door te zacht materiaal Uitbreken van materiaal door te hoge brosheid Krassen door te lage krasbestendigheid Corrosie
6
The
©utting Edge
Een tweede probleem is het kleven van hars en dergelijke aan de bladen. Hierdoor is eveneens een hogere krachtsinspanning nodig (zeker wanneer vuil in het scharnier komt) en ook voor het openen van de snoeischaar na een kniphandeling kan krachtsinspanning nodig zijn. Bovendien slijten de snijvlakken sneller als gevolg van het vuil op de bladen. Een derde punt dat de krachtsinspanning kan verminderen is extra aandacht voor ergonomie. Aangezien professionals veel met de snoeischaar zullen werken, is dit een belangrijk punt. Het snoeien met standaard snoeischaren vergt een behoorlijke krachtsinspanning, zeker wanneer de snijvlakken niet meer optimaal scherp zijn. Verder is meestal de uitwijking van de handgrepen bij de pink het grootst met als gevolg een onnatuurlijke positie van de hand en ongunstige krachtsverdeling over de hand. Tenslotte speelt het gewicht van de snoeischaar eveneens een belangrijke rol bij het langdurig hanteren. Doelstellingen
Doelstelling is het creëren van een snoeischaar die een lage krachtsinspanning van de gebruiker vraagt. We willen ons daarvoor op twee dingen richten. Ten eerste willen we het snijdblad van de snoeischaar optimaliseren. Van belang is hierbij een snijvlak te creëren met een zo goed mogelijke snijdwerking, die bovendien deze goede werking lang behoudt en na vermindering van de werking kan worden nageslepen. Het materiaal van de bek moet tevens zodanig zijn, dat hier geen hars en dergelijke aan blijft kleven. Een tweede doelstelling is om de snoeischaar in ergonomisch opzicht te verbeteren. Dit houdt in dat we streven naar een natuurlijkere stand van de hand, een gunstigere knipbeweging, een zo efficiënt mogelijke krachtoverbrenging en een zo laag mogelijk gewicht.
Randvoorwaarden
In het programma van criteria zijn eisen geformuleerd waaraan de schaar moet voldoen (zie bijlage 11.2). De volgende neveneffecten dienen zo veel mogelijk vermeden te worden bij het zoeken naar oplossingen voor de problemen zoals die in de doelstelling zijn omschreven: • • • • •
Te hoge kostprijs Te hoge massa Te grote uitwijking van de handgrepen Te kleine uitwijking van de bek Een te grote schaar
Een belangrijke randvoorwaarde is de kostprijs van de snoeischaar, deze mag niet meer bedragen dan 20 euro. Verder geldt wat betreft de ergonomie een maximale uitwijking van de hangrepen van 100mm. Met de snoeischaar moet een tak met een doorsnede van 3cm kunnen worden gesnoeid. Tenslotte mogen gewicht en afmetingen van de schaar niet veel meer zijn die van de huidige snoeischaren (maximaal 350 gram en 225 cm).
7
The
Standaard werkingsprincipe
©utting Edge
5
Beschrijving alternatieven
5.1
Werkingsprincipe
In het standaard werkingsprincipe van de snoeischaar is er sprake van een momenten overbrengingsverhouding. De meest effectieve kracht wordt gezet bij de pink. Het snoeien gebeurd door middel van een gecombineerde knip en snijd beweging; de bek duwt de tak namelijk naar buiten. Verder is de standaard snoeischaar uitgerust met een blokkering ter bevordering van de veiligheid. Deze bestaat uit een schuifje, dat alleen in dichte stand de schaar kan blokkeren.In figuur 1 is de blokkering weergegeven rechtsonder het scharnierpunt.
Figuur 1, standaard werkingsprincipe van een snoeischaar
Alternatief 1 Versnellingsbak
Het eerste alternatief dat we hebben ontwikkeld is de versnellingsbak. Om de werking van dit eerste alternatief te verduidelijken en om te bekijken of het werkelijk mogelijk was om zo’n snoeischaar te produceren, hebben we tevens een CAD-model gemaakt.
Figuur 2, schetsen voor het eerste alternatief
8
The
©utting Edge
Figuur 3, CAD-model van het eerste alternatief
Figuur 4, exploded view van het CAD-model
Alternatief 2 – Gesloten uiteinde
Het principe achter ons tweede alternatief bestaat uit het verbeteren van de krachtsverdeling over de hand. Dit wilden we bereiken door de meest effectieve kracht niet bij de pink maar bij de wijsvinger te laten optreden. In figuur 5 zijn daar een aantal voorbeelden van gegeven. Probleem bij deze alternatieven is de ongunstige overbrengingsverhouding.
Figuur 5, schetsen van het tweede alternatief
Alternatief 3 – Meer-stangen mechanisme
Het derde alternatief bestaat uit het toepassen van een meer-stangen mechanisme, waardoor de handvatten parallel blijven. In figuur 6 staan daar twee voorbeelden van. Een nadeel van de snoeischaar links is dat de snijdbeweging niet optimaal is. Een nadeel van de snoeischaar rechts
9
The
©utting Edge
is dat er wel heel veel bewegende delen in zitten, waardoor de betrouwbaarheid achteruit gaat i.v.m. vuil en smering. Figuur 6, twee vier stangen mechanismen
Bron: Mourik, 1996; Callister, 1997
Materiaalprobleem
5.2
Materiaal
Een van de belangrijkste problemen waar wij mee te maken krijgen, bij het herontwerpen van de snoeischaar, is de slijtage van het materiaal. Verschillende eigenschappen zorgen voor een betere of slechtere slijtagebestendigheid. Slijtagebestendigheid van een materiaal houdt eigenlijk in dat het materiaal bestand is tegen aantasting door contact met andere materialen tijdens het gebruik. Onderscheid wordt gemaakt tussen aantasting waarbij zonder massavermindering van het product in het oppervlak krassen en deuken ontstaan, en aantasting waarbij juist wel massavermindering optreedt. Het optreden van krassen en deuken is duidelijk verbonden met het begrip hardheid. Hardheid wordt ook wel gedefinieerd als de weerstand van een materiaal tegen indringing van een harder lichaam, en specifiek voor metalen houdt hardheid de weerstand tegen blijvende vervorming in. Om te voorkomen dat de snede van het snijvlak makkelijk vervormt (slijtage) is het ook nodig dat het materiaal breukrek als gevolg van de belasting bij een gebruikshandeling voldoende kan weerstaan. Bij het snijden met het snijvlak van de snoeischaar is van belang dat de slagsterkte hoog is. De slagsterkte is in feite de energie die nodig is voor een breuk bij snelle deformatie, zoals bij een schaarbeweging van de bypass-snoeischaar door een tak. Brosse materialen hebben derhalve een lage slagsterkte. Ook belangrijk bij het kiezen van een materiaal is de mogelijkheid om het materiaal te kunnen naslijpen. Bij het gebruik van de snoeischaar is het ook belangrijk dat het materiaal voor het snijmes niet te zwaar is. Na lang gebruik van de snoeischaar zal de gebruiker erg vermoeid worden als deze te zwaar is.
Alternatieve materialen
Op dit moment wordt bij snoeischaren voornamelijk gebruik gemaakt van verschillende soorten staal, afhankelijk van de prijs van de snoeischaar. We hebben allerlei verschillende soorten staal in kaart gezet, maar ook de mogelijkheid voor het gebruik van een ander, beter geschikt, materiaal hebben we open gelaten. (Voor een uitgebreide toelichting over de materialen, zie bijlage 11.3)
Roestvast Staal
De roestvaste stalen zijn op te splitsen in Ferritisch, Martensitisch en Austenitisch roestvast staal. Deze materialen zijn relatief goedkoop, afhankelijk van de bewerkingen die zijn uitgevoerd om het materiaal te verkrijgen. Vanwege het relatief hoge percentage Cr (>11 gew%) is het 10
The
©utting Edge
materiaal heel goed bestand tegen corrosie. De austenitische staalsoorten wordt in de grootste hoeveelheid geproduceerd en toegepast. Gereedschapsstaal
Het materiaal is relatief goedkoop en heeft goede mechanische eigenschappen. Het materiaal is minder corrosievast dan RVS. Hij is van alle koolstof staalsoorten het hardst, het sterkst en het minst te vervormen. Deze staalsoort wordt het vaakst gebruikt in een geharde en gegloeide toestand en is, als zodanig, bijzonder slijtage-bestendig en in staat om langdurig een scherpe snijrand vast te houden.
Cermet
Dit materiaal is de duurste van de materialen die wij hier bespreken. Deze materiaalsoort bestaat uit een harde, anorganische stof - dus een keramiek- in een metallieke matrix (CERamic METals). Het meest voorkomende cermet is de gecementeerde carbide, die is opgebouwd uit extreem harde deeltjes van een carbide keramiek zoals Tungsten carbide (WC) of Titanium carbide (TiC), in een onderlaag van een metaal zoals Cobalt (Co) of Nikkel (Ni).
Hardmetaal
Het hardmetaal is iets goedkoper dan de bovenstaande cermets. Het is in feite geen metaal, maar een cermet variant, met als grote verschil de hogere beschikbare snijsnelheid (meestal bij industriële toepassingen). Het materiaal is namelijk een composiet van metaal-carbiden, dwz metaal-koolstofverbindingen (meestal gelegeerd met tungsten, chroom, titanium en molybdeen), in een grondmassa van Cobalt.
Keramiek
De materiaalprijs ligt voor keramiek tussen de prijs van RVS en de cermets. Kenmerkend voor keramiek is ook de hardheid en slijtbestendigheid van het materiaal, afhankelijk van de samenstelling. Doordat keramiek het hardste materiaal is dat we kennen, weten we dus ook dat het bijzonder moeilijk te slijpen valt.
Titamiumlegeringen
Bron: Kalpakjian, 2001
Dit materiaal is bijna even duur als de Cermets. Dit komt voornamelijk doordat de chemische reactiviteit met andere materialen bij hogere temperaturen ervoor zorgt dat er speciale smelttechnieken e.d. gebruikt dienen te worden.De hardheid en dus ook de slijtbestendigheid laat te wensen over. Indien we kiezen voor een titanium legering zullen we ervan moeten uitgaan dat we het materiaal nog wel harden.
5.3
Vervaardiging
Voor het produceren de een snoeischaar komen meerdere vervaardigingstechnieken in aanmerking. Elke vervaardigingstechniek heeft voor- en nadelen. In dit hoofdstuk worden de mogelijke vervaardigingstechnieken beschreven. Gieten
De verschillende vormen van metaalgieten zijn: zandgieten, verlorenwas-gieten, spuitgieten, lage-druk-gieten, coquillegieten, centrifugaal gieten, rotatiegieten. Zandgieten en verloren-was-gieten vallen bij voorbaat af omdat die processen niet geschikt zijn voor massafabricage. Centrifugaal gieten en rotatiegieten vallen ook bij voorbaat af omdat die methoden bedoeld zijn voor holle producten. De overgebleven gietprocessen zijn: coquillegieten, ofwel zwaartekrachtgieten, lage-druk-gieten en spuitgieten. Bij deze gietprocessen wordt gebruik gemaakt van een permanente matrijs waarin vloeibaar metaal wordt gegoten, wat vervolgens na afkoeling weer uit de matrijs wordt gestoten. Bij coquillegieten wordt het vloeibare metaal via de bovenkant in de matrijs gebracht. Alle druk wordt hierbij dus uitgeoefend door de zwaartekracht. Bij lage-druk11
The
©utting Edge
gieten wordt het vloeibare metaal via de onderkant de matrijs in gebracht, de druk hiervoor wordt door middel van luchtdruk geleverd. Bij het spuitgieten wordt het metaal onder hoge druk de matrijs in geperst. Door de lage druk bij zwaartekrachtgieten en lage-druk-gieten zijn de eisen aan de matrijs gering, waardoor de matrijskosten zeer laag zijn ten opzichte van spuitgietmatrijzen (2 tot 3 keer goedkoper). De mechanische eigenschappen en maatnauwkeurigheid van spuitgietproducten zijn daarentegen wel gunstiger. Ook is de oppervlaktekwaliteit van spuitgietproducten hoger, waardoor kostbare nabewerkingen uitgespaard kunnen worden. Gieten is met name geschikt voor laagsmeltende metalen, omdat deze het constructiemateriaal van de matrijs niet aantasten. Voorbeelden van veel gebruikte materialen zijn: zink, aluminium, magnesium en messing. Soms wordt ook staal gebruikt, maar dat stelt zeer hoge eisen aan het materiaal van de matrijs. Spuitgieten is van de giettechnieken het meest interessant, vanwege de hoge maatnauwkeurigheid en betere mechanische eigenschappen. Sinteren
Bij sinteren worden poederdeeltjes in een matrijs geperst, waarna de poederdeeltjes aan elkaar ‘gesinterd’ worden door ze tot vlak onder hun smeltpunt te verhitten. Bij metalen heet dit proces ook wel ‘poedermetallurgie’. Een van de voordelen van sinteren is dat harde legeringen met een heel hoog smeltpunt kunnen worden verwerkt, die met veel andere processen onmogelijk te verwerken zijn. Een ander voordeel is dat bij sinteren metalen en niet-metalen gecombineerd kunnen worden, waardoor oneindige combinaties van materiaaleigenschappen kunnen worden gecreëerd. Voor veel legeringen verdient sinteren bovendien de voorkeur omdat bij andere processen de verschillende smeltpunten van de materialen in de legering tot ongewenste segregatie leiden. Verder kunnen met sinteren vrij complexe producten worden gemaakt. De mechanische eigenschappen zijn, door de poreuze structuur, zonder nabewerking vaak lager dan bij de andere processen. Vooral de weerstand tegen vermoeiing is beduidend minder. Door extra nabewerking kunnen deze mechanische eigenschappen echter wel sterk verbeterd worden, soms zelf beter dan met smeden of walsen haalbaar is. Dit brengt logischerwijs wel hogere kosten met zich mee. Samen met de hoge kosten van metaalpoeders en de hoge gereedschapskosten, maakt dit sinteren tot een relatief duur proces. Een ander nadeel van sinteren is dat de vormvrijheid nogal beperkt is door de hoge krachten die op de matrijs werken.
Smeden
Bij smeden wordt een basisvorm (blenk) door middel van stempels tot een gewenst object vervormd. De blenk ligt op (of in) één van de stempels en wordt vervolgens door middel van de andere stempel met zeer grote kracht tot de gewenste vorm ‘gehamerd’. Dit proces verloopt vaak in meerdere stappen. Er zijn twee manieren om een materiaal te smeden: bij kamertemperatuur (koud smeden) of bij verhoogde temperatuur (warm smeden). Koud smeden levert betere mechanische eigenschappen op, en een hogere oppervlaktekwaliteit, maar vergt veel grotere krachten en daardoor duurdere gereedschappen. Om te kunnen smeden moet het basismateriaal voorbewerkt worden, zodat de blenk een vorm heeft die in de eerste stap van het smeden gebruikt kan worden. Dit houdt bijvoorbeeld in dat de blenk eerst uit 12
The
©utting Edge
plaatstaal gestanst moet worden, voordat het eigenlijke smeden kan beginnen. Na smeden is vaak nabewerking nodig om de juiste maattoleranties en oppervlaktekwaliteit te bereiken. Al met al is het smeden dus een vrij tijdrovend en kostbaar proces. Hier staat tegenover dat de mechanische eigenschappen nauwelijks geëvenaard kunnen worden met andere processen. Smeden is op vrijwel alle metaalsoorten toepasbaar, maar de productiekostprijs is wel direct gerelateerd aan de hardheid van het materiaal. Ook stelt de slagsterkte (onder druk) van het materiaal eisen aan het vervaardigingsproces. Stansen
Bij het stansen wordt doormiddel van een ‘stempel’ uit plaatmateriaal een vorm gedrukt. De stempel heeft de vorm van het gewenste werkstuk. Het plaatmateriaal ligt op een gat, dat dezelfde vorm heeft als de stempel, alleen iets ruimer is gedimensioneerd. Door met de stempel het plaatmateriaal door het gat te drukken, wordt de gewenste vorm uit de plaat gesneden. Hierbij ontstaan aan de randen van het werkstuk bramen door de afschuiving waaraan het werkstuk onderhevig is. Met stansen zijn alleen 2-dimensionale vormen te vervaardigen. Voor een derde dimensie zullen nabewerkingen moeten plaatsvinden. Doordat bij stansen gewalst plaatstaal kan worden gebruikt, kunnen zeer goede mechanische eigenschappen worden bereikt. Deze eigenschappen gelden echter vooral in één richting. Stansen kan op vrijwel alle materialen worden toegepast, waarbij de hardheid van het materiaal echter wel groot effect heeft op de eisen die gesteld worden aan de stempel.
Lasersnijden
Bij het lasersnijden wordt door middel van een laserstraal uit plaatmateriaal een contour uitgesneden. Er vindt dus geen slijtage van gereedschappen plaats en de vorm kan op elk moment aangepast worden. Ook ontstaan er geen bramen aan het werkstuk, omdat er geen mechanische krachten op het materiaal worden uitgeoefend. Met lasersnijden kunnen zeer complexe figuren worden uitgesneden, deze zijn echter slechts 2-D. Voor complexere, 3-dimensionale vormen zullen dus nog nabewerkingen moeten worden gedaan. Doordat bij lasersnijden gewalst plaatstaal kan worden gebruikt, kunnen zeer goede mechanische eigenschappen worden bereikt. Lasersnijden kan op zeer veel metalen worden toegepast, waarbij de hardheid van het metaal overigens geen invloed heeft op de snijsnelheid, de reflectiviteit echter wel!
13
The
6
©utting Edge
Keuze
Keuzes kunnen niet op de verschillende gebieden (werkingsprincipe, materiaal, vervaardiging) afzonderlijk gemaakt worden. De gebieden staan in wisselwerking, bijvoorbeeld keuze voor een materiaal leidt tot mogelijkheden en beperkingen op het gebied van de vervaardigingstechnieken. Deze samenhang is zichtbaar in onderstaande figuur waarin het werkingsprincipe is uitgesplitst naar functie en geometrie. Functie Materiaal
Geometrie Vervaardiging
Hierna worden kort de alternatieven binnen de verschillende gebieden uiteengezet en wordt hieruit gekozen. Deze keuzes zijn dus niet afzonderlijk gemaakt maar in wisselwerking met elkaar.
6.1
Werkingsprincipe
Tabel 1 geeft een overzicht van de voor- en nadelen van de verschillende alternatieven voor het werkingsprincipe. Tabel 1, overzicht van de alternatieven Voordelen
Alternatief 1 – versnellingsbak
Alternatief 2 – gesloten Alternatief 3 – meeruiteinde stangen mechanisme
• Grote overbrengingsverhouding mogelijk
• Grootste kracht bij de wijsvinger
• Stangen blijven evenwijdig bij het knippen
• Geen grote overbrengingsverhouding mogelijk
• Geen grote overbrengingsverhouding mogelijk
• Geen keuze tussen wel of geen overbrenging
• Geen snijdbeweging van de messen of veel bewegende delen
• Mogelijke keuze tussen wel of geen overbrenging Nadelen
• Grootste kracht bij de pink
• Geen keuze tussen wel of geen overbrenging
Conclusie
We hebben uiteindelijk gekozen voor alternatief 1. Eén van de belangrijkste wensen is dat het knippen met de schaar lichter moet gaan. Echter, wij vinden dat dit niet ten koste mag gaan van de efficiëntie. Daarom zijn we van mening dat je moet kunnen kiezen tussen snel of licht knippen. Een grote overbrengingsverhouding en de mogelijkheid om te kiezen tussen snel of licht knippen is eenvoudig verenigbaar in het eerste alternatief. Daar komt nog bij dat we een goede mogelijkheid zien om het mesdeel van dit alternatief te sinteren, hetgeen een kansrijke combinatie van goedkope fabricage en mogelijk gebruik van hardmetaal betekent. 14
The
©utting Edge
In verband met de beschikbare tijd voor dit project is voor het vervolg gekozen om voornamelijk te richten op de materialisatie van het mes (met geïntegreerde tandheugel), omdat dit het meest interessante (en meest essentiële) onderdeel is.
6.2
Materiaal
Uit de analyse van materiaalalternatieven (paragraaf 5.2) kwamen een aantal verschillende materiaalgroepen naar voren. Deze hebben we vervolgens dmv Cambridge Materials Selector getoetst aan verschillende eigenschappen. We hebben hierbij gelet op hardheid, slijtagevastheid, mogelijkheid tot poedermetallurgie, de dichtheid, de prijs en de vervormbaarheid van het materiaal (zie bijlage 11.4 voor de CMSresultaten). De alternatieve materialen worden in de volgende tabel uiteengezet tegen enkele van deze eigenschappen. Tabel 2, materiaalalternatieven
Alternatieve materialen Austeni-tisch RVS
Prijs
Hardheid (Mpa)
Slijtagevastheid
Vervormbaarheid
Poedermetallurgie
1,30x10³ -
Goed
0,05 – 0,7
Ja
1,5 – 6 £/kg
Zeer goed
0,07 – 0,3
Ja
0,25 – 0,45 £/kg
Zeer goed
0,005 – 0,008
Ja
37 – 50 £/kg
5,70x10³ Gereedschapstaal
1,60x10³ 6,50x10³
Cermet
1,05x104 1,50x104
Hardmetaal
3,10x104 3,60x104
Zeer goed
0,001 – 0,0015
Ja
15 – 40 £/kg
Keramiek
2,50x104 -
Zeer goed
0,001 – 0,002
Ja
50 – 80 £/kg
Redelijk
0,01 – 0,4
Ja
5 – 40 £/kg
3,20x104 Titanium-legering Bron: Cambridge Materials Selector, 1994-1995
600 3,80x10³
Hierbij moet wel gemeld worden dat wij de hardheid, de slijtagevastheid, de mogelijkheid tot poedermetallurgie en de vervormbaarheid (waarbij minder vervormbaar beter is) de belangrijkste criteria waren waaraan we de materialen hebben getoetst. Vanwege de hogere hardheid en relatief lage kosten wordt gekozen voor hardmetaal. De keramieken zijn namelijk te bros om voor een snijmes bij een snoeischaar te gebruiken, bijvoorbeeld bij vallen op steen.
15
The
©utting Edge
Figuur 7, slijtage van staal en hardmetaal
Bron: Widia
In de bovenstaande figuur is de slijtage van hardmetalen messen in papiermachines voor de grafische industrie weergegeven. Op de horizontale as staat de hoeveelheid papier die ermee gesneden is, op de verticale de slijtage. Het is duidelijk te zien dat hardmetaal veel langer scherp blijft dan staal.
6.3
Vervaardiging
Om een keuze uit de vervaardigingstechnieken te maken, zijn in tabel 3 de voor- en nadelen van de verschillende technieken weergegeven. Vanwege de eisen aan hardheid en slagsterkte is al geconcludeerd dat het mes uit een metaal vervaardigd zal worden, vandaar dat hieronder alleen de vervaardigingstechnieken voor metaalsoorten aan bod komen. Er zijn drie varianten voor de samenstelling van het mes, waarmee rekening gehouden zal worden: 1. Het mes bestaat uit één geheel, waarbij de twee tandheugels geïntegreerd zijn. Hierdoor ontstaat een complexe vorm, die niet met elke techniek vervaardigd kan worden.
2. Het mes bestaat uit twee delen, waarbij één tandheugel met het mes geïntegreerd is. Op deze tandheugel wordt een los tandwiel bevestigd, zodat het geheel twee verschillende vertandingen heeft. Het mes kan zo ook d.m.v. 2-D vervaardigingstechnieken gemaakt worden.
3. Het mes bestaat uit drie delen, waarbij twee tandwielen op het mes worden geplaatst. Het mes bestaat nu uit een zeer simpele vorm, die zeer eenvoudig kan worden vervaardigd. De tandwielen moeten echter nog wel ingekocht of vervaardigd 16
The
©utting Edge
worden, en dit zijn vaak dure onderdelen.
Spuitgieten
Tabel 3, overzicht van vervaardigingstechnieken
*) Mechanische eigenschappen zijn zeer afhankelijk van de intensiviteit van het sinterproces, maar kunnen beter worden dan d.m.v. smeden mogelijk is.
Sinteren Smeden Stansen Lasersnijden
Maatnauwkeurigheid
++
++
--
-
+
Oppervlaktekwaliteit
++
++
-
--
O
Mechanische eigenschappen
-
-/++ *
++
+
O
Hoeveelheid geschikte materialen
--
++
++
++
+
Vormvrijheid
++
+
-
--
--
Kosten
-
--
-
++
++
Meest geschikt voor variant ...
1
1
3
3
2,3
Totaalkosten
+
O
--
-
-
Spuitgieten is op alle varianten toe te passen, maar is vanwege de mechanische eigenschappen en kostprijs vooral interessant met variant 1. Sinteren is op alle varianten toe te passen, maar is vanwege de kostprijs vooral interessant met variant 1. De vervaardigings-kostprijs zal redelijk hoog liggen, maar er hoeven geen extra tandwielen aangeschaft te worden, wat de prijs van het mes toch relatief laag houdt. Door de slechte maatnauwkeurigheid is smeden alleen interessant in combinatie met variant 3. Bij varianten 1 en 2 worden door de aanwezige vertandingen immers hoge eisen gesteld aan de maatnauwkeurigheid, en tevens de oppervlaktekwaliteit, waar smeden niet aan kan voldoen. In combinatie met variant 3 kan dmv smeden een goedkoop mes worden vervaardigd met zeer goede mechanische eigenschappen. Omdat bij deze variant echter nog twee tandwielen moeten worden ingekocht, zullen de kosten beduidend hoger uitvallen. Door het 2-dimensionale karakter van stansen is het alleen geschikt in combinatie met variant 2 of 3, maar variant 2 valt ook af door de hoge eisen aan maatnauwkeurigheid en oppervlakte-kwaliteit voor de vertanding. In combinatie met variant 3 is dit een zeer goedkope vervaardigingstechniek. Omdat bij deze variant echter nog twee tandwielen moeten worden ingekocht, zullen de kosten wel hoger uitvallen. 17
The
©utting Edge
Door het 2-dimensionale karakter van lasersnijden is het alleen geschikt in combinatie met variant 2 of 3. In combinatie met deze varianten is dit een zeer goedkope vervaardigingstechniek. Omdat bij deze varianten nog wel één of twee tandwielen moeten worden ingekocht, zullen de kosten wel hoger uitvallen. Conclusie
Uit voorgaande analyse van de mogelijke vervaardigings-technieken kan geconcludeerd worden dat sinteren de meest interessante vervaardigingstechniek is. Dit is vooral vanwege de hoge maatnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit die d.m.v. sinteren bereikt kunnen worden, in combinatie met de zeer goede mechanische eigenschappen die te behalen zijn. Doordat met sinteren het mes en de tandwielen in één geheel kunnen worden vervaardigd, komen de totale vervaardigingskosten ten opzichte van de andere vervaardigingstechnieken redelijk laag uit. Hierbij moet wel gemeld worden dat de kosten zeer afhankelijk zijn van het productieaantal. Mocht de hoeveelheid geproduceerde onderdelen relatief laag zijn, dan zal het sinteren duur uitvallen, en kan dus beter gekozen worden voor lasersnijden, of, indien de eisen aan de mechanische eigenschappen hoog zijn, smeden. Sinteren kan op verschillende manieren gebeuren: warmperssinteren, koudperssinteren en spuitgietsinteren. Van deze methoden biedt spuitgietsinteren de beste resultaten wat betreft sterkte en geometrie. Bovendien valt het bij complexe producten vaak goedkoper uit dan perssinteren. Gezien de vertandingen in ons product is het vrij complex en zijn de eisen aan de maatnauwkeurigheid hoog, vandaar dat voor spuitgietsinteren is gekozen. In de volgende paragraaf wordt de spuitgietsinter-techniek uitgebreider beschreven.
Bron: German, 1990
Spuitgietsinteren
6.4
Spuitgietsinteren, ook wel Powder Injection Moulding (PIM) genaamd, is een variatie op het perssinter-proces. In plaats van de poederdeeltjes in de juiste vorm te persen, wordt er aan de poederdeeltjes een bindmiddel toegevoegd, zodat het vormen kan geschieden d.m.v. spuitgieten. Dit levert vooral veel voordelen op m.b.t. de vormvrijheid. Na het spuitgieten wordt het bindmiddel onttrokken, zodat het gesinterd kan worden; dit gebeurt op dezelfde wijze als bij perssinteren. Proces
Het proces is onder te verdelen in de volgende stappen: 1. Selectie van materiaal en vervaardiging van het poeder. 2. Mengen van het poeder met een geschikt bindmiddel; vaak is dit een thermoplast. 3. Vervaardiging van homogeen granulaat van poeder en bindmiddel. 4. Vormen van het granulaat d.m.v. spuitgieten in een matrijs. 5. Het onttrekken van het bindmiddel (ontbinding). 6. Verdichting van de vorm d.m.v. sinteren 7. Nabewerkingen (incl. verdere verdichting en warmtebehandeling) Deze processtappen worden hierna behandeld.
1. Poedervervaardiging
•
Mechanisch: brosse materialen worden vermalen tot poeders door mechanische belastingen als compressie, afschuiving en ‘impact’. Nadelen hiervan zijn dat hiermee een onregelmatige
18
The
©utting Edge
korrelstructuur wordt gevormd en dat dit erg tijdsintensief is waar kleine korrels een vereiste zijn. •
2. Mengen met bindmiddel
Chemisch: hierbij worden ruwe materialen ontleed in poedervorm; bij metalen worden vaak oxiden vermalen en vervolgens ontleed in het metaal en zuurstof. Hiermee kunnen veel kleinere korrels vervaardigd worden.
Het bindmiddel wordt zo uitgekozen dat dit de porositeit van het poeder exact opvult; stel dat de porositeit van het poeder 70% bedraagt, dan wordt er gekozen voor 30% (volume) van het bindmiddel. Het volumepercentage ligt vaak tussen 15% en 50%. Het bindmiddel bestaat doorgaans uit meerdere componenten, om betere eigenschappen te krijgen, aangezien het bindmiddel aan vele eisen moet voldoen; bijv. een lage viscositeit, vaste vorm na koeling, lage molecuulgrootte, goede hechting aan het poeder, niet reagerend met het poeder, enz. Om goed te kunnen mengen, gebeurt dit op een verhoogde temperatuur, zodat de viscositeit van het bindmiddel hoger is en dus beter mengt. Het bindmiddel wordt verhit door eerst de hoogstsmeltende component te verhitten en geleidelijk aan lager smeltende materialen toe te voegen. Als laatste wordt het poeder toegevoegd, waarna het mengsel afkoelt.
3. Granuleren
Het granuleren vindt plaats op vergelijkbare wijze met polymeren. Belangrijk hierbij is dat het afval van het spuitgieten gebruikt wordt en er over het geheel nauwelijks afval is.
4. Spuitgieten
Ook dit geschiedt op wijze, vergelijkbaar met het spuitgieten van polymeren. Een belangrijk punt hierbij, is dat interne spanningen, veroorzaakt tijdens het spuitgieten, in het bindmiddel, kunnen zorgen voor kromtrekken van het product tijdens het sinteren (vooral bij dunwandige onderdelen). Het voordeel van spuitgieten t.o.v. persen, behalve de vormvrijheid en de beperkte hoeveelheid nabewerkingen, is dat dit vaak een veel betere distributie van het poeder geeft en dus homogener van aard is. Beperkende factoren hierbij zijn: • • •
5. Ontbinden
De grootste dimensie moet onder 100mm liggen. Het volume mag niet groter zijn dan 100cm3. Het verschil in wanddikte mag als vuistregel niet groter zijn dan een factor 2.
Het is essentiëel dat dit plaatsvindt voor het sinteren, omdat de vorm anders kan barsten. Dit is een nauwkeurig werk, omdat idealiter geen poederdeeltjes worden meegenomen en geschiedt daarom vaak in meerdere stappen. Er zijn twee hoofdvormen: 1. Thermisch: het bindmiddel wordt uit het product gesmolten 2. Met oplosmiddel: het bindmiddel wordt opgelost, door het te dompelen. In werkelijkheid is het een combinatie van de twee vormen hierboven en kan dit plaatsvinden onder hoge druk. Dit proces neemt ongeveer 2 uur in beslag.
19
The
©utting Edge
6. Sinteren
Tijdens het sinteren krimpt de vorm doordat de poederdeeltjes aan elkaar hechten door atomaire bewegingen, veroorzaakt door diffusie. Deze diffusie wordt bewerkstelligd door hoge temperaturen (±1600ºC) gedurende een uur. In tegenstelling tot perssinteren worden maatafwijkingen verkleind hierbij. In theorie (afhankelijk van materiaal, korrelsamenstelling en geometrie) kan 100% van de ideale dichtheid van het materiaal bereikt worden; in werkelijkheid ligt dit maximum bij 98%, maar meestal tussen 70% en 92%. Een belangrijk voordeel t.o.v. perssinteren hierbij is, dat de krimp veel homogener is.
7. Nabewerkingen
Vaak worden nabewerking toegepast om betere materiaaleigenschappen te verkrijgen, bijv. verdichten, warmte behandelingen en coaten.
Voorwaarden
• •
Spuitgietsinteren is alleen economisch vanaf 5000 stuks. Spuitgietsinteren is goedkoper dan perssinteren bij complexe vormen.
Spuitgietsinteren moet alleen worden toegepast, wanneer hoge eisen aan het product worden gesteld, wat betreft materiaal, sterkte en geometrie.
20
The
7
Verdieping
7.1
Werkingsprincipe
©utting Edge
Om het mes in de context te kunnen zien, wordt hier een overzicht van de snoeischaar getoond met het bijbehorende werkingsprincipe. Figuur 8, schets en doorsnede van de snoeischaar
De snoeischaar bestaat hoofdzakelijk uit twee aluminium gespuitgiete huisdelen (bedoeld voor ophanging van de losse onderdelen) met daarin het niet-snijdende deel van de schaar geïntegreerd, het mes met dubbele tandheugel, twee tandwielen met zeskantig gat, een krachtbeugel en twee ratelmechanismen. Figuur 9, as met krachtbeugel en tandwielen
Op dezelfde as als de krachtbeugel zitten twee tandwielen (zie figuur 9). Deze as is een zeskantige pen met een cilindrisch deel met de lengte van één tandwielbreedte. Door de pen links dan wel rechts te verschuiven, kan er gekozen worden welk tandwiel met de krachtbeugel meedraait en derhalve het mes aandrijft. Het gevolg is dat er gekozen kan worden tussen 1:1 en 1:2 transmissie.
21
The
©utting Edge
Het tandwielen en tandheugel systeem werkt als volgt (figuur 10 en tabel 4): Figuur 10, tandwieloverbrenging
Tabel 4, waardes van de overbrenging *) De vermelde waarde is wanneer het een volledig tandwiel zou betreffen. Feitelijk zijn er dus minder tanden.
Diameter in mm
Aantal tanden
Tandheugel (mes)
30
12*
Tandwiel
30
12
Tandheugel (mes)
40
16*
Tandwiel
20
8
Situatie Overbrenging A
1:1
B
1:2
Het dubbele ratelmechanisme, gevormd door de ratels 1 en 2 (die bevestigd zijn in het vaste huis, zie figuur 8), zorgt ervoor dat bij de indirecte overbrenging het mes in dezelfde stand blijft wanneer de krachtbeugel wordt geopend voor de tweede knijpbeweging. Om het mes weer open te laten gaan na het voltooien van de volledige knipbeweging is het volgende systeem aanwezig. In een verdiept gedeelte van het mes kan een beugel (blauw in onderstaande figuren) vrij roteren. Tijdens een knipbeweging worden de volgende stappen doorlopen: 1. Het mes begint de dichtgaande beweging. De beugel kan vrij roteren en de ratel ‘ratelt’ over de tandheugel.
2. Het mes is bijna dicht. De beugel wordt meegenomen door de rand van de verdieping in het mes. Zodoende wordt door deze
22
The
©utting Edge
beugel de ratel van de tandheugel gelicht.
3. Het mes is volledig dicht. De ratel drukt nu op de beugel en houdt dus niet langer het mes tegen. De spiraalveer in het mes (aangegeven met cijfer 3 in figuur 10) beweegt het mes terug open.
4. Het mes is bijna open; de rand van de verdieping duwt de beugel onder de ratel vandaan, waardoor het mes weer in positie 1 terecht komt.
7.2 Hardmetalen
Materiaal
Hardmetalen worden gemaakt van tungstencarbide poeder met cobalt of nikkel als bindmiddel. Het gebruik van nikkel leidt tot betere corrosieve eigenschappen. Een bijkomend gevolg is dat de mechanische eigenschappen minder worden. Dit is niet gewenst. Wanneer er gebruik gemaakt wordt van THM-F is dat ook niet nodig. THM-F bevat namelijk, naast hele goede mechanische eigenschappen, ook goede corrosieve eigenschappen. (Voor een compleet overzicht van hardmetalen, zie bijlage 11.5)
Figuur 11, invloed van cobalt
Bron: Widia
23
The
©utting Edge
In tungstencarbide poeder, de bouwstof voor hardmetaal, wordt over het algemeen een klein percentage cobalt gebruikt (tussen de 3 en 15 procent). Zoals af te lezen is in figuur 11 betekent dit, dat de buigsterkte gering is. De hardheid daarentegen is wel heel hoog. Dit is dan ook een typisch materiaal voor een snijdtoepassingen. In ons geval is toch een behoorlijke buigsterkte gewenst. Deze kan worden bereikt door middel van naverdichten. De resultaten die daarmee te bereiken zijn, zijn terug te vinden in figuur 12. De hardmetalen van Widia worden tevens versterkt met titaancarbide en tantaan. Deze factoren tezamen zorgen ervoor dat THM-F van Widia uitstekende mechanische eigenschappen heeft. Onze voorkeur ligt dan ook bij dit materiaal. Figuur 12, invloed van naverdichten
Bron: Widia Bron: diverse internetsites
Soorten coatings
CVD
Bron: Pierson, 1999
7.3
Coating
In het gekozen materiaal, te weten THM-F, is TiC verwerkt. Dit dient als smeermiddel om de wrijving langs metaal te verminderen. Het oppervlak van het snijmes bezit echter geen verdere non-stick eigenschappen. Daarom wordt alsnog een coating aangebracht van SBBT. Deze coating zal zorgen voor minder wrijving met takken en vuil en nog betere corrosiebestendigheid. Zo beschermt zij het snijmes onder andere tegen olie, alcohol, benzine, vuil en andere verontreinigingen die anders de levensduur van het product zouden kunnen verkorten. De coatingsdikte variëert tussen de 5 en 25 micron, waarbij de wrijvingscoëfficient wordt verminderd tot 0,05 à 0,07. Voor meer specifieke eigenschappen van enkele coatings, zie bijlage 11.6. Chemical Vapour Deposition (CVD) houdt in dat er een dunne coatingslaag van een bepaald materiaal wordt aangebracht op onderdelen die een exta laag nodig hebben. CVD mag worden gedefinieerd worden als het opdampen van vaste stof op een verhit oppervlak door een chemische reactie in de verdampfase. Het meest toegepaste CVD-proces is het gesloten-reactor (ook wel het chemisch transport) proces. Het is een hybride proces dat de verdampfase overdracht met vaste stof diffusie combineert. De laagdikte bedraagt 1 tot 10 µm. Het werkingsprincipe is gebaseerd op het feit dat er een verandering in chemische activiteit plaatsvindt bij een gegeven temperatuur (8002000°C). Het CVD-proces kan dus worden geclassificeerd als een methode waarbij een hoge temperatuur wordt gebruikt om de energie
24
The
©utting Edge
op te wekken die nodig is bij de reacties. Er wordt ook wel gesproken van Thermisch CVD. Deze methode wordt vaak gebruikt voor het coaten van hoogwaardige snijmaterialen (vaak van Tungsten carbide), met coatings TiC, TiN en Ti(CN). Deze materialen moeten onder strikt gecontrolleerde condities worden opgedampt. Er moet wel op gelet worden dat de opdamptemperatuur niet te hoog gekozen wordt, omdat het anders kan leiden tot diffusie van het bindingsmateriaal van de snijmaterialen. PVD
Physical Vapour Deposition (PVD) houdt in dat er een dunne coatingslaag van een bepaald materiaal wordt aangebracht op onderdelen die een exta laag nodig hebben. Dit andere materiaal is meestal een slijtvast materiaal, dat ook een goede bescherming tegen corrosie kan bieden. Tevens kan het ervoor zorgen dat de wrijving tussen het onderdeel en de, in ons geval, door te snijden tak wordt verminderd. Het kan ook voorkomen dat er een coating wordt aangebracht om het onderdeel een mooier uiterlijk te geven. Het is mogelijk om pure metalen aan te brengen door dit opdamp-proces, maar meestal worden er harde coatings met een grote dichtheid aangebracht, zoals carbiden en nitriden. Het te coaten onderdeel, ook wel het subtraat genoemd, wordt schoongemaakt en in een vacuum kamer (dat onder een hoog vacuum staat) geplaatst. Vervolgens wordt deze verhit tot een temperatuur tussen de 350 en 400°C. Het onderdeel wordt gecoat door een stroom van deeltjes (ook wel de plasma stroom genoemd) afkomstig van de bron van het coatings materiaal, dat we het ‘doel’ noemen. Om ervoor te zorgen dat de coating zo egaal mogelijk wordt aangebracht, worden de onderdelen binnen de vacuum kamer geroteerd, zodat het ‘doel’ zoveel mogelijk van het oppervlak van de onderdelen kan ‘zien’. De dikte van de lagen is beperkt tot circa 2 micrometer.
25
The
Mes
Bron: www.chinatungsten.com /news/content.php3?ne wsid=99 Bron: Stevels, 1994
8
Toetsing
8.1
Kostprijsberekening
©utting Edge
Tungsten carbide met cobalt is verkrijgbaar vanaf 12,50 dollar per kilo. De inhoud van het mes bedraagt 10516,13 mm3. Hiermee kunnen de kosten van de feedstock voor het mesdeel berekend worden. Deze kosten bedragen 2,07 dollar (de berekeningen zijn opgenomen in bijlage 11.8). Uit de drie voorbeelden uit het afstudeerverslag van Jolien Stevels maken we op dat we de overige productiekosten kunnen schatten op ongeveer 0,50 dollar per stuk. Dit brengt onze schatting voor de totale materiaalkosten op 2,57 dollar per stuk. Hierbij moeten de matrijskosten nog opgeteld worden. Bij het rekenen aan de matrijs wordt uitgegaan van een enkelvoudige matrijs. Er is rekening gehouden met een volumetoeslag van 30% voor het bindmiddel. Arbeidsuren: Holte:
179u
Huis:
82u
Montage:
16u +
Totaal
277u
Op dit moment kost 1 manuur ongeveer €44,-; dit betekent dat de totale kosten neerkomen op 277u X €44,- = €12188,-. Bij een verwachte productie van 5000 stuks per jaar gedurende 5 jaar (oftewel 25000 stuks), wordt de kostprijs van het spuitgieten per stuk: €12188,/ 25000 stuks = €0,49 per stuk.
Bron: Stevels, 1994
De kosten van het sinteren en ontbinding zijn afhankelijk van de techniek die gebruikt wordt. Omdat toch een indicatie te kunnen geven, gebruiken wij de kosten uit het voorbeeld met BASF van Jolien Stevels waarin een bedrag van 2,32 dollar per kilo genoemd wordt. Uitgaande van deze kosten komt het sinter en ontbind proces voor ons onderdeel uit op 0,27 dollar.
Bron: Stevels, 1994
Omdat we zowel uit esthetisch als functioneel opzicht de oplegkant van het mes willen naslijpen, zullen er nog kosten bijkomen. Deze kosten bedragen ongeveer 70 dollar per uur. Dat betekent 0,80 dollar per onderdeel. Hiermee komen de totale kosten voor het onderdeel op 3,86 dollar. Figuur 13 en tabel 5 geven de kostprijsopbouw van het mes weer.
Figuur 13, opbouw van de kostprijs
26
The Tabel 5, opbouw van de kostprijs
Snoeischaar Bron: www.epinions.com/hmg d-Lawn_and_GardenHand_Tools-AllFiskars_Ratchet_Anvil_P runer_7685/display_~fu ll_specs
kosten procent feedstock
$2.57
62.23%
spuitgietkosten
$0.49
11.86%
sinteren en ontbinden $0.27
6.54%
nabewerkingskosten
$0.80
totaal
$4.13 100.00%
19.37%
De verkoopprijs van een vergelijkbare snoeischaar met ratelmechanisme van Fiskars is tien dollar. De kostprijs is, ervan uitgaande dat deze 1/3 bedraagt van de verkoopprijs, 3,33 dollar. Als we deze waarde gebruiken als kostprijs voor de rest van onze snoeischaar (we verwaarlozen voor het gemak de kostprijs van het bestaande mesdeel), dan komt de kostprijs van de snoeischaar als geheel uit op 4,13+3,33 = 7,46 dollar. Natuurlijk moeten er nog een paar aanpassingen gemaakt worden aan andere onderdelen waarvan wij de kosten schatten op maximaal 2 dollar. Hiermee komt de totale kostprijs op 9,46 dollar en de totale verkoopprijs op ongeveer 30 dollar. Dit valt binnen de gestelde kosten eis.
8.2
Bron: gardening.fiskars.com/ti ps.html?cat=ergonomic s
©utting Edge
Krachten en spanningen
De hoogste spanningen in de snoeischaar treden op in de tanden van de tandwielen. De situatie waarbij de hoogste krachten op kunnen treden, is die waarbij de overbrenging wordt gevormd door het kleine tandwiel aan de greepzijde en het grote tandwiel van het mes. Uitgaande van een handkracht van 600N (man 31-35 jaar) en bijbehorende arm van deze kracht van 100mm, levert dit de volgende contactspanning op de tandflank en buigspanning in de tandvoet: σcontact = 8 GPa σtandvoet = 2 GPa Een uitgebreide berekening van deze spanningen is opgenomen in bijlage 11.9. De buigsterkte van THM-F bedraagt 3 GPa (zie figuur 15 in bijlage 11.5) en is dus hoger dan de maximale buigspanning die in de tandvoet optreedt. Door de geometrie en afmetingen nog verder te optimaliseren is waarschijnlijk nog een grotere marge haalbaar. De druksterkte van THM-F bedraagt 6 GPa (zie figuur 15 in bijlage 11.5). Dit ligt onder de maximale optredende contactspanning van 8 GPa. Door de geometrie en afmetingen nog verder te optimaliseren kan de contactspanning waarschijnlijk verder omlaag gebracht worden tot onder de toelaatbare contactspanning.
27
The
9
©utting Edge
Conclusies en aanbevelingen
We hebben ons in het proces niet zozeer op de snoeischaar in zijn geheel gericht. Wat wij hebben willen doen is aantonen dat uit mechanisch en kostentechnisch oogpunt het toepassen van hardmetaal een interessante innovatie kan zijn. Hoewel de kostprijs niet gering zal zijn, is er de mogelijkheid je als fabrikant duidelijk te onderscheiden in kwaliteit. We hebben voor onze doelgroep niet voor niets gekozen voor de professionele snoeier. Voor hem mag de garantie dat hij ‘de beste’ tuinschaar in zijn hand heeft best wat kosten. Gemak en kwaliteit zijn dan ook de uitgangspunten van dit nieuwe ontwerp. Het mes is heel scherp en slijt langzaam. Dit betekent echter nog niet dat het ook lang meegaat. Om dat te bereiken zal nogmaals kritisch gekeken moeten worden naar de breuksterkte. Deze is namelijk volgens CMS tien keer lager dan die van het meeste RVS. De vraag is dus of de snoeischaar met het nieuwe mes nog wel aan het programma van eisen voldoet (de snoeischaar mag niet breken bij een val van ongeveer 2 meter hoogte op beton). Wij hebben dit niet kunnen toetsen. Een snoeischaar met hardmetalen mesdeel en variabele overbrenging biedt goede perspectieven voor het oplossen van de bestaande problemen. Ons productvoorstel dient echter wel verder onderzocht en geoptimaliseerd te worden.
28
The
©utting Edge
10 Bronvermelding •
Callister, William D. ’Materials science and engineering: an introduction’ John Wiley & Sons Inc., 1997
•
German, Randall M. ’Powder Injection Moulding’ MPIF, Princetown, USA, 1990
•
Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven R. ‘Manufacturing engineering and technology’ Upper Saddle River: Prentice-Hall, 2001
•
Matek, Wilhelm; Muhs, Dieter; Wittel, Herbert; Becker, Manfred ’Roloff/Matek, Machine-onderdelen, Normering Berekening Vormgeving’ Academic Service, Schoonhoven, 1998
•
Mourik, P. van; Dam, J. van ’Materiaalkunde voor ontwerpers’ Delftse Universitaire Pers, Delft, 1996
•
Pierson, Hugh O. ’Handbook of chemical vapor deposition (CVD): principles, technology, and applications’ Noyes/William Andrew, Norwich, USA, 1999
•
www.chinatungsten.com/news/content.php3?newsid=99
•
www.epinions.com/hmgd-Lawn_and_Garden-Hand_Tools-AllFiskars_Ratchet_Anvil_Pruner_7685/display_~full_specs
•
www.gardening.fiskars.com/tips.html?cat=ergonomics
•
www.nhf.nl/N/page3.html
•
www.harderij.com/nl/pvd.html
•
www.fem-online.de/english/abteilungen/pvd.htm
•
www.fusedmetalsinc.com/old/
•
www.tribology.dti.dk/pvd.html
•
www.cvdtechnologies.com/CVDandapplications.htm
•
www.harderij.com/nl/cvd.html
Programma
•
Cambridge Materials Selector, V2.05, 1994-1995
Afstudeerverslag
•
Stevels, Jolien ‘Economics of Injection Moulding’ January-april 1994, Delft University of Technology
Bedrijf
•
WIDIA Nederland BV, Hardenberg
Boeken
Internetsites
29
The
©utting Edge
11 Bijlagen 11.1 Snoeischaren Tabel 6, overzicht van bestaande snoeischaren *) Bij zogenaamde ‘bypass-snoeischaren’ beweegt een snijvlak langs een (niet-scherp) contradeel.
Analyse van bestaande snoeischaren
Om overzicht te creëren in het rijke aanbod is het onderstaande schema opgesteld van de verschillende merken en typen snoeischaren. Merk / Type
Afbeelding
Bijzonderheden
Materialen
Prijs € (±)
Eenhandsvergrendeling
Roestvast edelstaal, anti-kleef coating, PP, bladveer en rubber
12,-
Eenhandsvergrendeling, instelbare openingswijdte, polsbandje en antislipgreep
Roestvast edelstaal, anti-kleef coating, PP, bladveer en rubber
15,-
Eenhandsvergrendeling, instelbare openingswijdte, polsbandje en grotendeels van aluminium
25,Roestvast edelstaal, anti-kleef coating, PP, bladveer en aluminium
Vergrendeling dmv haakje
Gesmeed staal en ringveer
15,-
Eenhandsvergrendeling, gekantelde bek (ergonomisch), roterende greep, verwisselbare bek en handgrepen
Gesmeed staal, glasvezel, koolstof, verrijkt kunststof en ringveer
50,-
Vergrendeling dmv haakje, antislipgreep
Gestanst staal met epoxy- (greep) en Xylan-coating (mes), ringveer
15,-
Eenhandsvergrendeling
Gesmeed staal en ringveer
20,-
Eenhandsvergrendeling, gekantelde bek (ergonomisch), roterende greep, verwisselbare bek, handgrepen, veer en antislipgreep
70,Gesmeed staal, glasvezel, koolstof, verrijkt kunststof, elastomeer en ringveer
Vergrendeling
Roestvast edelstaal, elastomeer, bladveer
35,-
Vergrendeling, ergonomische handgreep
Roestvast edelstaal, elastomeer, anti-kleef coating, bladveer
40,-
Eenhandsvergrendeling, antislipgreep, polsbandje
Roestvast edelstaal, anti-kleef coating, PP, ringveer
13,-
Bypass-snoeischaren * Gardena 190 Gardena 200 VC
Gardena 205 V
Bahco P3 Bahco P7
Bahco P63 Bahco P126 Bahco PXR
Felco 2 Felco 8 ETC Freunde
30
The ETC Aluminium
*) Bij zogenaamde ‘aambeeldsnoeischaren’ beweegt het snijvlak tot tegen een (niet-scherp) contradeel.
Eenhandsvergrendeling
Gardena 195 VC
P138
Tabel 7, overzicht van bestaande takkenscharen
Roestvast edelstaal, alumunium, anti-kleef coating, kunststof, ringveer
18,-
Aambeeld-snoeischaren *
Bahco
Takkenscharen
©utting Edge
Antislip-aambeeld, eenhandsvergrendeling, instelbare openingswijdte, polsbandje en antislipgreep
Roestvast edelstaal, anti-kleef coating, PP, bladveer en rubber
15,-
Vergrendeling dmv haakje
Gestanst, gevormd en geperst staal, aluminium en ringveer
25,-
Naast snoeischaren zijn ook een aantal bestaande takkenscharen bestudeerd, omdat door de nauwe verwantheid hier misschien ideeën van overgenomen kunnen worden. Hieronder is een schema weergegeven van deze studie. Merk / Type
Afbeelding
Bijzonderheden
Materialen
Prijs € (±)
Roestvast edelstaal, anti-kleef coating, PP, rubber en gelakt staal
20,-
Roestvast edelstaal, anti-kleef coating, PP, gummi en gelakt staal
40,-
Bypass-takkenscharen Gardena 430 B Gardena 780 BL
Tandheugeloverbrenging, sapgeul in mes en gummi handvatten
Aambeeld-takkenscharen Gardena 115 AL
Gardena 160 AL
11.2 Eisen
• • • • •
Eén steel door ‘schuifsysteem’, tandheugeloverbrenging en schaar onder hoek van 20º
Roestvast edelstaal, anti-kleef coating, PP, gelakt staal en aluminium
40,-
Eén steel door ‘schuifsysteem’, tandheugeloverbrenging, schaar onder hoek van 20º, lange steel en instelbare openingswijdte
Roestvast edelstaal, anti-kleef coating, PP, gelakt staal en aluminium
60,-
Programma van criteria De snoeischaar moet geschikt zijn voor takken met een diameter tot 30 mm Lengte van snijvlakken 60 Minimale opening van de bek 30mm halverwege, bij een uitslag van de handvatten van 100mm. (45°) De snoeischaar moet geschikt zijn voor mensen met een handbreedte van minimaal 120mm De handvatten van de snoeischaar moeten een minimale uitslag van 120mm hebben.
31
The • • • • • • • • • • • • • Wensen
• • • • • • • • • •
Normen
• •
11.3
©utting Edge
De snoeischaar moet minimaal 5 jaar mee gaan (scharnieren) De snoeischaar moet corrosiebestendig (water, zuren) zijn De snoeischaar moet nageslepen kunnen worden De snoeischaar moet bestand zijn tegen temperaturen van –20 tot 60 °C Het snijmes mag niet breken bij een val vanaf 230 cm op beton De snoeischaar beschikt over een veiligheidsslot Materialen en onderdelen van de snoeischaar moeten aan het eind van de levensduur gescheiden en hergebruikt/gerecycled kunnen worden De snoeischaar moet vanzelf weer open gaan na een knipbeweging Wijze van hanteren en gebruiken spreekt voor zich De snoeischaar brengt niet meer schade toe aan de boom/plant dan nodig voor het snoeien Verkoopprijs maximaal € 75,Materiaal/vervaardiging/geometrie geschikt voor een seriegrootte/batchgrootte van 5000 stuks Massa maximaal 350 gram Hars e.d. moet zo min mogelijk aan de snijvlakken kleven Het snijmes moet(en) zo lang mogelijk scherp blijven De snoeischaar kan eenvoudig schoongemaakt worden Zo min mogelijk afval bij vervaardiging Materialen moeten hergebruikt/gerecycled kunnen worden De snoeischaar is ergonomisch vormgegeven De handgrepen behouden hun uiterlijk Zwaartepunt van de snoeischaar ligt in de hand De snoeischaar heeft de mogelijkheid om opgehangen te worden (opslag, meenemen) De snoeischaar wekt bij de gebruiker de verwachting dat deze beter is dan andere snoeischaren en voldoet aan deze verwachting De snoeischaar moet voldoen aan huidige veiligheidsnormen die gelden voor snoeischaren, te weten NEN 1010 en NEN 3140. De snoeischaar moet voldoen aan huidige milieunormen die gelden voor snoeischaren, te weten de ISO 14001
Materialen
RVS
De roestvaste stalen zijn op te splitsen in Ferritisch, Martensitisch en Austenitisch roestvast staal. Deze materialen zijn relatief goedkoop, afhankelijk van de bewerkingen die zijn uitgevoerd om het materiaal te verkrijgen. Vanwege het relatief hoge percentage Cr (>11 gew%) is het materiaal heel goed bestand tegen corrosie.
Ferritisch RVS
Met een laag koolstofgehalte (<0,12gew%) zijn deze staalsoorten niet geschikt voor hitte behandelingen, waardoor het harden en versterken tot stand moet komen door het materiaal koud te verwerken. Het materiaal is in het algemeen goed koud vervormbaar en heeft een behoorlijke corrosievastheid, mits de gebruiksomgeving geen chloorionen bevat. Ferritisch RVS wordt vaak toegepast als niet de sterkte van het materiaal maar de corrosievastheid de doorslaggevende factor is.
Martensitisch RVS
De martensitische roestvaste staalsoorten kunnen worden verdeeld in vier groepen, met een oplopend koolstof- en chroom-gehalte. Dit heeft
32
The
©utting Edge
natuurlijk effect op de hardheid en de andere mechanische eigenschappen. De corrosievastheid van al deze staalsoorten is onvoldoende in een gebruiksomgeving die chloorionen bevat, evenals de Ferritische soort. Martensitisch RVS is zodanig geschikt voor hitte behandelingen dat hierbij het hoofdbestanddeel van het RVS uit martensiet bestaat. Bij zeer snel afkoelen van RVS wordt martensiet gevormd, aanwezig in een naaldvormige microstructuur. Martensiet is een oververzadigde oplossing van koolstofatomen in Fe-atomen. Deze koolstofatomen geven aanleiding tot grote inwendige spanningen, waarvan de gevormde martensiet zijn hardheid ontleent. Hoe groter het gehalte van de in oververzadiging aanwezige koolstofatomen is, hoe groter de hardheid van het materiaal. Het materiaal kent door de hittebehandeling een hoge sterkte en redelijke stijfheid ten opzichte van de koolstof staalsoorten. Austenitisch RVS
Deze staalsoorten zijn ook bij kamertemperatuur austenitisch en evenals ferritisch RVS niet geschikt voor hittebehandelingen, waardoor het harden en versterken tot stand moet komen door het materiaal koud te verwerken. Vanwege de fcc-kristalstructuur zijn de austenistische RVSsoorten goed koud vervormbaar. Het hoge percentage chroom (> 17 gew% Cr) en ook het aanwezige nikkel (> 9 gew% Ni) zorgt ervoor dat deze materiaalsoort het meest corrosievast van alle RVS-soorten en is wel bestand tegen een gebruiksomgeving die chloorionen bevat in tegenstelling tot de andere RVS soorten. De austenitische staalsoorten wordt in de grootste hoeveelheid geproduceerd en toegepast. Austenitisch RVS kent ongeveer dezelfde sterkte en stijfheid als het Ferritisch RVS.
Gereedschapsstaal
Het materiaal is relatief goedkoop en heeft goede mechanische eigenschappen. Het materiaal is minder corrosievast dan de bovengenoemde staalsoorten. Hij is van alle koolstof staalsoorten het hardst, het sterkst en het minst te vervormen. Deze staalsoort wordt het vaakst gebruikt in een geharde en gegloeide toestand en is, als zodanig, bijzonder slijtage-bestendig en in staat om langdurig een scherpe snijrand vast te houden. De gereedschapstalen(0,9 -1,2 gew% C) zijn hoogegeleerde stalen die meestal een combinatie van Cr, V, W en Mo. Deze legeringselementen gecombineerd met koolstof zorgen voor de hoge hardheid en slijtagebestendigheid. Deze staalsoorten worden vaak gebruikt voor snijmaterialen, zoals o.a. messen en snijvlakken voor snoeischaren.
Cermet
Dit materiaal is de duurste van de materialen die wij hier bespreken. Deze materiaalsoort bestaat uit een harde, anorganische stof - dus een keramiek- in een metallieke matrix (CERamic METals). Cermets kennen omdat het geen echte metalen zijn een goede corrosievastheid. Een aantal van de cermet-varianten zijn goed bruikbaar als snijmateriaal, vooral bij een niet onderbroken snede met een kleine snededoorsnede, dus bij een lage mechanische belasting. De harde stof is meestal een metaalcarbide, -nitride, of -oxyde. Het bindmiddel is meestal een mengsel van Fe, Ni, Mo en Co. Het meest voorkomende cermet is de gecementeerde carbide, die is opgebouwd uit extreem harde deeltjes van een carbide keramiek zoals Tungsten carbide (WC) of Titanium carbide (TiC), in een onderlaag van een metaal zoals Cobalt (Co) of Nikkel (Ni). De harde carbide deeltjes zorgen voor het snijvlak, maar omdat ze erg bros zijn, zijn ze zelf niet in staat de snijkrachten te weerstaan. De taaiheid wordt derhalve verbeterd door ze in een flexibel metal matrix te stoppen, waardoor de carbide deeltjes van elkaar geïsoleerd worden, wat dan weer de breukvoortzetting van deeltje naar 33
The
©utting Edge
deeltje voorkomt. Geen enkel ander materiaal kan de combinatie van eigenschappen leveren die een cermet bezit. Hardmetaal
Het hardmetaal is iets goedkoper dan de bovenstaande cermets. Het is in feite geen metaal, maar een cermet variant, met als grote verschil de hogere beschikbare snijsnelheid (meestal bij industriële toepassingen). Het materiaal is namelijk een composiet van metaal-carbiden, dwz metaal-koolstofverbindingen (meestal gelegeerd met wolfram, chroom, titanium en molybdeen), in een grondmassa van kobalt. Het materiaal heeft ook een redelijke corrosievastheid. De eigenschappen van het hardmetaal zijn sterk te beïnvloeden door het variëren van de samenstelling. Bij een laag gehalte aan bindmiddel (Co) is het materiaal hard maar ook bros, bij een hoger gehalte aan bindmiddel is het materiaal taaier. Door de juiste keuze van de verhoudingen tussen de metaalcarbiden en het bindmiddel is het hardmetaal aan te passen aan de eisen die wij stellen aan het snijvlak.
Keramiek
De materiaalprijs ligt voor keramiek tussen de prijs van RVS en de cermets. Doordat keramiek geen metaalsoort is, maar een anorganischchemische verbinding is het makkelijk bestand tegen corrosie. Keramiek was in eerste instantie het vervangingsmateriaal voor hardmetaal. Het meest toegepaste basismateriaal is Al 2O3 (wit keramiek), soms gemengd met TiC (zwart keramiek). Het wordt gefabriceerd met een sinterproces. Het materiaal heeft ook een zeer hoge warmvastheid met als gevolg dat het materiaal wel weer veel brosser is. Dit beperkt de toepassingen tot gevallen van met een continue snede en een kleine snededoorsnede. Vrijwel alle keramieksoorten zijn nogal bros, door de aanwezigheid van micro-scheurtjes in het materiaal. Deze zorgen er ook voor dat trekkrachten versterkt worden en dat de breuksterkte erg laag is. Deze versterking komt niet voor bij drukkrachten waardoor het keramiek beter bestand is tegen drukkrachten, zoals de krachten op het snijvlak. De keramieksoorten die gemengd zijn met TiC zijn over het algemeen iets taaier. Kenmerkend voor keramiek is ook de hardheid en slijtbestendigheid van het materiaal, afhankelijk van de samenstelling. Doordat keramiek het hardste materiaal is dat we kennen, weten we dus ook dat het bijzonder moeilijk te slijpen valt. Meestal wordt het slijpgereedschap gevormd door een verzameling keramische deeltjes ingebed in een keramische grondmassa.
Titaniumlegering
Dit materiaal is bijna even duur als de Cermets. Dit komt voornamelijk doordat de chemische reactiviteit met andere materialen bij hogere temperaturen ervoor zorgt dat er speciale smelttechnieken e.d. gebruikt dienen te worden. Titanium en zijn legeringen zijn relatief nieuwe materialen die een unieke combinatie van eigenschappen bezitten. Het materiaal is bij normale temperaturen bijzonder corrosievast en de titaniumlegeringen hebben een uitmuntende weerstand tegen allerlei agressieve milieus. Het zuivere metaal heeft een vrij laag gewicht, een hoog smeltpunt en een elasticiteit modulus van zo’n 107 Gpa. Titanium legeringen zijn extreem sterk, bij normaal gebruik bij gewone temperaturen kunnen ze krachten van zo’n 1400 Mpa verdragen. Wat sterkte betrefd is Titanium dus wel te vergelijken met staal. De stijfheid van het materiaal ligt wat lager dan dat van staal. De hardheid en dus ook de slijtbestendigheid laat te wensen over. Indien we kiezen voor een titanium legering zullen we ervan moeten uitgaan dat we het materiaal nog wel harden. De legeringen zijn goed te vervormen, zoals bijvoorbeeld bij smeden en nabewerkingen. De vervormbaarheid van plaat van titaniumlegeringen is niet erg hoog, wat bij snijvlakken erg handig kan zijn. 34
The 11.4
©utting Edge
CMS
Figuur 14, CMS resultaten
35
The
©utting Edge
36
The 11.5
Hardmetalen
11.6
Verschillende coatings
©utting Edge
Figuur 15, Widia hardmetalen
TiN heeft een gouden kleur, een zeer uitgebreid veld van toepassingen, en een hardheid van 2200 HV. De coating kan temperaturen weerstaan tot 450°C. TiCN is een aangepaste anthracie-kleurige TiN met een verhoogde hardheid van 3000 HV, een geruceerde wrijving tegen staal en een hogere warmte geleidbaarheid. Deze coating is voornamelijk geschikt voor langzame snij-acties met tussenpozen, en kan temperaturen tot 350°C weerstaan. TiAlN is de meest recentelijk ontwikkelde coating met een hardheid van 3300 HV en kan temperaturen weerstaan tot zo’n 800°C. Deze coating voor meerdere toepassingen is ook geschikt om metalen, zoals gietijzer en aluminium, bewerken en verminderd de wrijving en aanhechting van meerere materialen, o.a. plastics. CrN is een relatief zachtere coating met een hardheid van 1800 HV en is makkelijker te vervormen. Het is wel mogelijk om bij deze coating een dikkere coatingslaag aan te brengen. De coating is bijzonder roestvast, vermindert wrijving en aanhechting met andere materialen, zoals bijvoorbeeld plastics. TiC heeft net als alle carbide keramieken een vrij hoog smeltpunt (3100°C) en is extreem hard en sterk. Door deze hardheid en ook de slijtvastheid van dit materiaal wordt het voornamelijk toegepast bij snijmessen, maar ook als slijtvaste coating. Bij blootstelling aan oxiderende atmosferen oxideert het materiaal waarbij CO2 en een metaaloxide vrijkomt. WC Net als Titanium carbide, heeft Tungsten carbide een hoge hitteweerstand, een extreem hoge hardheid in combinatie met een
37
The
©utting Edge
goede slijtvastheid. Het materiaal wordt voornamelijk toegepast voor snijmessen, slijtvaste matrijzen, en ook weer voor slijtvaste coatings. PTFE (Teflon©) of polytetrafluoroethyleen, is een fluorpolymeer (een polymeer bestaand uit koolstof en fluor atomen), met een uitstekende chemische weerstand, lage wrijvingscoëfficiënt, lage electrische geleidbaarheid, een hoge zuiverheid, en andere unieke eigenschappen die een brede toepassing op producten mogelijk maken. Door het combineren van de metaal- of keramieken basis van de coating met het polymeer, kan de coating dikker gemaakt worden met een hogere slijtageweerstand, terwijl de non-stick, waterafstotende eigenschappen van de PTFE coating behouden blijven over een langere periode. SBBT is qua eigenschappen vergelijkbaar met PTFE maar heeft een langere levensduur dan de zuivere PTFE coatings en kan met een gelijkmatigere coatingsdikte worden toegepast, terwijl het het oppervlak van het product voorziet van een lagere wrijvingscoëfficiënt en een betere corrosiebestendigheid. De schone, droge laag beschermt het product tegen olie, alcohol, benzine, vuil en andere verontreinigingen die anders de levensduur van het product zouden kunnen verkorten. De coatingsdikte variëert tussen de 5 en 25 micron, waarbij de wrijvingscoëfficient wordt verminderd tot 0,05 à 0,07.
11.7
Bron: www.nhf.nl/N/page3.ht ml
Rapportage van contact met Widia
Aan het einde van het materialiseren traject zijn we op zoek gegaan naar een bedrijf dat aansloot bij onze keuze voor sinteren en hardmetaal. Op internet vonden wij dat het eerste hardmetaal door de firma Krupp op de markt kwam onder de handelsnaam "Widia". De naam Widia bleek tegenwoordig een bedrijf te zijn dat onder andere een productie eenheid heeft in Hardenberg. Zij maken daar onder andere snijdmessen voor de grafische industrie.
Behalve dat wij het proces van a tot z in de praktijk hebben gezien, hebben we ook een hoop theoretische kennis opgedaan over sinteren. Vier aspecten van het sinterproces waren in het bijzonder van toepassing op ons product. Naslijpen Oplegkant
Zandstralen Hip-en
Gesinterde onderdelen zijn nooit helemaal kaarsrecht. De papiersnijmessen werden daarom nageslepen. Wanneer de onderdelen de oven in gaan worden ze op grafietplaten gelegd. Deze platen laten sporen na op het materiaal. Het is dus aan te raden de oplegkant zo te kiezen dat deze sporen later verwijderd kunnen worden door nabewerking. Nadat het hardmetaal gesinterd is, ziet het er dof en donkergrijs uit. Om het mooi lichtgrijs te laten glimmen moet je het onderdeel zandstralen. HIP is de afkorting voor hot isostatic pressing. Dit is een vorm van naverdichten die de materiaaleigenschappen heel erg verbetert. 38
The Materiaalsoorten
Debinding
©utting Edge
We hebben alle Widia hardmetalen leren kennen en uitleg gehad over hun eigenschappen. Ook hebben we informatie gekregen over maximale korrelgrootte en het effect dat dit heeft op de snijkant van het mes: hoe fijner de korrel des te rechter is de snijkant. Het ontbinden en het sinteren gebeurde in dezelfde oven op een lagere temperatuur, door middel van een geautomatiseerd proces. Wij hadden verwacht dat dit in een aparte machine zou gebeuren. Het proces van sinteren en debinding nam iets minder dan 23 uur in beslag. Het ging hier wel om onderdelen met een aanzienlijk grotere wanddikte dan ons onderdeel. Al met al was het een heel leuk en interessant bedrijfsbezoek waar we buiten deze paar dingen nog veel meer hebben geleerd. Toen we weg gingen kregen we een stapel folders en twee hardmetalen onderdelen mee naar huis.
11.8
Berekening van de materiaalkosten
Figuur 16, volumebepaling
diameter cilinder = 27 max hoogte = 11 lengte mes = 80 diameter gat = 8 dichtheid WC-Co = 15800 kg/m3 pi*(straal)2 = opp cirkel pi*(27/2) 2 = 572,56 mm2 opp cirkel * max hoogte = inhoud cilinder 572,56 * 11 = 6298,10 mm3 pi*(straal)2 = opp gat pi*(8/2)2 = 50,27 mm2 opp gat * max hoogte = inhoud gat 50,27 * 11 = 552,92 mm3 max hoogte * diameter cilinder = grondoppervlakte piramide 11 * 27 = 297 mm2 1/3 * grondoppervlak piramide * lengte mes = inhoud piramide 1/3 * 297 * 80 = 7920 mm3 ½ * inhoud cilinder + inhoud piramide – inhoud gat = inhoud mes ½ * 6298,10 + 7920 – 552,92 = 10516,13 mm3 39
The
©utting Edge
inhoud * dichtheid = gewicht 1.051613*10-5 * 15800 = 0.16615 kg gewicht * prijs = materiaalkosten 0.16615 * 12,50 = 2,07 dollar Bron: Matek, 1998
11.9 • • • • • • • • •
Berekening van krachten en spanningen Handkracht maximaal Arm van Fhand Steekcirkel van het kleine tandwiel Aantal tanden van het kleine tandwiel Steekcirkel van het grote tandwiel Aantal tanden van het grote tandwiel Verhouding van het aantal tanden Modulus van de tandwielen Dikte van de tandwielen (tandbreedte)
Fhand = 600N ahand = 100mm d1 = 20mm z1 = 8 d2 = 40mm z2 = 16 u = z2/z1 = 2 m = d/z= 2.5mm b = 4mm
Figuur 17, krachten in de snoeischaar
Figuur 18, krachten op een tand
Uit de gegeven handkracht, de daarbij behorende arm en de diameter van het tandwiel volgt de omtrekskracht Ft die op de tandwielen werkt: Ft = 6kN 40
The
©utting Edge
Met behulp van deze kracht kunnen nu de tandvoetspanning en de contactspanning uitgerekend worden die in de tandvoet resp. op de tandflank werken. Er treedt buigspanning, drukspanning en schuifspanning op in de tandvoet. De laatste twee zijn echter verwaarloosbaar, zodat voor de tandvoetspanning σtandvoet enkel de buigspanning genomen kan worden. Bij evolvente vertanding (evolvente vertanding is ongevoeliger voor onnauwkeurigheden, in tegenstelling tot cycloïde vertanding) gelden de volgende formules voor de contactspanning σcontact en de tandvoetspanning σtandvoet : σcontact = ZH*ZE*Zε*√((Ft/(b*d1))*(u+1)/u) σtandvoet = (Ft/(b*m))*YFa*YSa*Yε Om ondersnijding te voorkomen in verband met het kleine aantal tanden (z1=8) is profielverschuiving noodzakelijk. Voor een tandwiel met z=8, bedraagt de profielverschuiving maximaal ca. x=0.6 (in verband met vermindering van de tandtopdikte als gevolg van profielverschuiving). Factoren: • • •
• • •
Vormfactor YFa (Roloff/Matek tabel 15-23a, x=0.6) z=8: YFa = 2.47 Kerffactor YSa (Roloff/Matek tabel 15-23b, x=0.6) z=8: YSa = 1.77 Ingrijpfactor Yε = 0.25+0.75/εα Ingrijpquotiënt εα = gα / pe Ingrijpweg gα = 0.5 * (√(da12 – db12) + √(da22 – db22)) – ad * sin α Ingrijpsteek pe = π * m * cos α α = 20° drukhoek da1,2 = d1,2 + 2m topcirkel van kleine/grote tandwiel db1,2 = d1,2 – 2(m+c) basiscirkel van kleine/grote tandwiel c = 0.25 * m tandvoetafronding ad = (d1 + d2) / 2 asafstand Geometriefactor ZH = 2.5 (Roloff/Matek tabel 15-25a) Elasticiteitsfactor ZE = √(0.175 * E) Elasticiteitsmodulus E = 640 GPa Ingrijpfactor Zε = √((4 - εα)/3)
Figuur 19, enkele benamingen van tandwielen
41
