1. No category

ICES
VIŠJA STROKOVNA ŠOLA
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Program: Strojništvo
Modul: Orodjarstvo
IZBIRA TEHNOLOŠKEGA POSTOPKA ZA
IZDELEK IZ OGLJIKOVIH VLAKEN
Mentor: dr. Zlatko Kampuš
Kandidat: Primož Toplikar
Lektorica: Alenka Laharnar, prof. slov.
Ljubljana, marec 2015
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju dr. Zlatku Kampušu za vso pomoč, strokovne nasvete,
vložen trud in tudi poučno življenjsko izkušnjo.
Zahvala gre tudi lektorici Alenki Laharnar, prof. slov., za odličen jezikovni pregled
naloge, komunikacijo in sodelovanje.
Posebna zahvala mojim bližnjim za vso podporo, spodbude in pomoč pri študiju,
pisanju naloge ter nasploh v življenju.
Hvala sodelavcem za nesebično pomoč in nasvete.
IZJAVA
»Študent Primož Toplikar izjavljam, da sem avtor tega diplomskega dela, ki sem ga
napisal pod mentorstvom dr. Zlatka Kampuša.«
»Skladno s 1. odstavkom 21. člena Zakona o avtorski in sorodnih pravicah
dovoljujem objavo tega diplomskega dela na spletni strani šole.«
Dne: _________________
Podpis:___________________
POVZETEK
V diplomski nalogi sem predstavil tri različne tehnologije izdelave izdelkov iz
ogljikovih vlaken, naštel njihove prednosti in slabosti ter prikazal, kakšna orodja so
potrebna za izvedbo določene tehnologije. Nadaljeval sem s praktičnim primerom.
Najprej sem zmodeliral končen kos, določil velikost površine ter debelino kosa, nato
pa zmodeliral še orodja, ki jih za izdelavo potrebujemo. Moja glavna naloga je bila
prikaz smiselne izbire tehnologije glede na število kosov, zato sem s kalkulacijami
stroškov izdelave orodja in izdelka prišel do sklepa, katera tehnologija je stroškovno
in časovna najugodnejša. Namen naloge je, da lahko vsak, ki želi podoben izdelek
serijsko proizvajati, hitro določi vrsto tehnologije, ki je za njegov primer najugodnejša
in smiselna.
KLJUČNE BESEDE
Oblikovanje, prepojeno, izdelava, ročno, tlačno.
ABSTRACT
In this diploma I have presented three different technologies of making products
from carbon fibers, pros and cons for each of them and tools, needed to implement
each of them. I continued with practical example. Firstly I modeled final piece,
defined it's surface size and thickness and than modeled tools, needed to create the
piece. My main goal was to present how to sensibly choose technology based on
number of peaces we need to manufacture. Taking in consideration costs of making
the tools and product itself I came to conclusion about which technology is cost and
time wise the most favorable. Purpose of this diploma is to provide means to quickly
choose the most appropriate technology cost and sense wise to anybody, who
wants to produce similar product on a large scale.
KEYWORDS
Design, impregnated, production, manually, compression.
KAZALO
1
UVOD ............................................................................................................... 1
1.1
1.2
1.3
1.4
2
PREDSTAVITEV PROBLEMA ................................................................... 1
CILJ NALOGE ............................................................................................ 1
PREDPOSTAVKE IN OMEJITVE ............................................................... 1
METODE DELA.......................................................................................... 2
TEORETIČNE OSNOVE ................................................................................... 2
2.1
ROČNO OBLIKOVANJE V KALUPU, PREDHODNO OMOČENEM S
SMOLO (WET LAYUP) ......................................................................................... 3
2.2
IZDELAVA IZDELKA PO POSTOPKU Z ROČNIM OBLIKOVANJEM V
KALUPU, PREDHODNO OMOČENEM S SMOLO ................................................ 4
2.2.1
Oblikovanje orodja .............................................................................. 5
2.3
TLAČNO OBLIKOVANJE (COMPRESSION MOLDING) ............................ 6
2.3.1
Izdelava izdelka po postopku tlačnega preoblikovanja ........................ 9
2.3.2
Oblikovanje orodja ............................................................................ 11
2.4
OBLIKOVANJE PREDHODNO S SMOLO PREPOJENE TKANINE
(PREPREG) Z UPORABO AVTOKLAVA ............................................................. 13
2.4.1
Izdelava izdelka po avtoklav postopku .............................................. 14
2.4.2
Oblikovanje orodja ............................................................................ 15
3
IZBIRA OPTIMALNEGA POSTOPKA ............................................................ 17
3.1
3.2
3.3
3.4
4
RAZLOGI ZA IZBIRO OPTIMALNEGA POSTOPKA ................................. 17
NAČRTOVANJE PRIMERJALNEGA IZDELKA ........................................ 18
IZRAČUN STROŠKA ENEGA ORODJA IN IZDELKA ............................... 20
IZRAČUN STROŠKOV ČASOVNO IN KOSOVNO OMEJENE IZDELAVE 24
ZAKLJUČEK .................................................................................................. 28
4.1
4.2
4.3
4.4
OCENA UČINKOV ................................................................................... 28
POGOJI ZA UVEDBO .............................................................................. 28
MOŽNOSTI NADALJNEGA RAZVOJA..................................................... 28
BISTVO .................................................................................................... 29
LITERATURA IN VIRI ............................................................................................ 30
KAZALO SLIK
Slika 1: Primer ročnega oblikovanja v kalupu, omočenem s smolo ........................... 4
Slika 2: Shema postopka z ročnim oblikovanjem v s smolo omočenem kalupu ........ 5
Slika 3: Primer bazena, izdelanega s steklenimi vlakni – postopek z mokro tehniko . 6
Slika 4: Primer vetrnih turbin izdelanih iz ogljikovih vlaken ....................................... 6
Slika 5: Primer pnevmatske stiskalnice..................................................................... 7
Slika 6: Bmc-material ............................................................................................... 8
Slika 7: Smc-material ............................................................................................... 8
Slika 8: Predimpregnirana tkanina ............................................................................ 8
Slika 9: Predimpregriran ud ...................................................................................... 9
Slika 10: Primer tlačnega preoblikovanja ploščatih preoblikovancev ...................... 10
Slika 11: Primer orodja tlačnega preoblikovanja ..................................................... 12
Slika 12: Primer avtomobilskega ojačitvenega kosa, izdeanega s tlačnim
preoblikovanjem ploščatih predoblikovancev .......................................................... 13
Slika 13: Primer polaganja predimpregnirane tkanine v kalup ................................ 13
Slika 14: Shema izdelave izdelka z ročnim polaganjem s smolo predimpregnirane
tkanine ................................................................................................................... 15
Slika 15: Primer stiskanja s smolo predimpregnirane tkanine s podtlakom (vir:
http://www.easycomposites.co.uk/beginners-guide-to-out-of-autoclave-part-3.aspx)16
Slika 16: Primer avtoklav tlačne posode ................................................................. 17
Slika 17: Primer toplotnega ščitnika
(vir:https://www.akrapovic.com/#!/motorcycle/product/road/15288?brandid=46&mod
elid=693&yearid=3694) .......................................................................................... 17
Slika 18: 3d-model končnega izdelka ..................................................................... 18
Slika 19: Dimenzije izdelka ..................................................................................... 19
Slika 20: 3d-model orodja za ročno oblikovanje v kalupu, omočenem s smolo ....... 19
Slika 21: 3d-model orodja za postopek oblikovanja predhodno s smolo prepojene
tkanine z uporabo avtoklava ................................................................................... 20
Slika 22: 3d-model orodja za postopek tlačnega preoblikovanja ............................. 20
KAZALO TABEL
Tabela 1: Izračun stroška orodja za posamezne tehnologije .................................. 21
Tabela 2: Cena izdelave orodja in izdelave enega kosa ......................................... 21
Tabela 3: Čas izdelave enega kosa ter predvideno število kosov v eni izmeni ....... 24
Tabela 4: Tabela količine orodij potrebnih za izdelavo ............................................ 25
Tabela 5: Tabela končne cene izdelave potrebnih orodij ........................................ 26
KAZALO GRAFOV
Graf 1: Spreminjanje temperature in tlaka v odvisnosti od časa v avtoklavu ........... 15
Graf 2: Shematski prikaz stroškov izdelave v odvisnosti od števila kosov glede na
uporabljeno tehnologijo .......................................................................................... 22
Graf 3: Shematski prikaz stroškov izdelave z upoštevano količino, rokom izdelave in
številom potrebnih orodij v odvisnosti od števila kosov glede na uporabljeno
tehnologijo .............................................................................................................. 27
ICES – Višja strokovna šola
1
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
UVOD
1.1 PREDSTAVITEV PROBLEMA
V diplomski nalogi je predstavljen opis treh različnih tehnologij za izdelavo izdelka iz
ogljikovih vlaken, kjer so prikazane glavne lastnosti ter pozitivne in negativne strani
določenega postopka. Sledijo kalkulacije cen materialov za izdelek in orodje, dela,
uporabe strojev ter ostalih stroškov, v grafu pa so prikazane meje za smiselno izbiro
tehnologije glede na število planiranih končnih izdelkov. Naloga je zaključena s
praktičnim primerom cenovno ugodnejše izbire tehnologije za serijsko izdelavo.
Problem, ki ga želim obravnavati, je, da se v podjetju zaradi neraziskanih možnosti
izdelave izdelkov iz ogljikovih vlaken troši denar za izdelavo s počasnejšim in cenovno
manj ugodnim načinom izdelave. S privarčevanimi sredstvi in časom bi lahko dvignili
produktivnost.
1.2 CILJ NALOGE
Cilj naloge je seznaniti se s tremi različnimi možnostmi izdelave izdelkov iz ogljikovih
vlaken, čemur bo sledila optimalna izbira tehnološkega postopka z upoštevanjem
spremenljivk cene izdelave orodij ter izdelka. Jasno prikazane možnosti bodo
doprinesle k hitrejši določitvi postopka in cenovno ugodnejši izdelavi. Rezultat so
znižani celotni stroški izdelave že v sami fazi razvoja.
V drugem delu je prikazan primer izdelave kompozitnega izdelka z določeno površino
in debelino, nato pa primerjava izdelave z obravnavami tehnologijami. Sledi grafični
prikaz cenovno ugodne izbire izdelave glede na število kosov, stroške materiala orodja,
tkanin in dela.
1.3 PREDPOSTAVKE IN OMEJITVE
Tehnološke težave pri kompozitnih izdelkih z negativnimi koti povzročajo omejitve pri
izdelavi končnih izdelkov. Osredotočil se bom na izdelavo izdelkov s površino brez
negativnih kotov in tako prikazali načine, ki jih najpogosteje uporabljamo. Omejil sem
se na tehnologije, ki so v podjetju že vpeljane v proizvodnjo, saj bom le na ta način
prikazal resnično sliko stroškov izdelave.
Na področju izdelave ogljikovih vlaken je še veliko neraziskanih področij, zato se bo
zelo verjetno v bodoče pojavilo veliko novih načinov izdelave in predelave.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 1 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
1.4 METODE DELA
Za izdelavo naloge sem povezal opisno in primerjalno metodo. Z opisno metodo so
predstavljene različne tehnologije, ki jih v mojem delovnem okolju uporabljamo in so
med najbolj uporabljenimi v proizvodnji izdelkov iz ogljikovih vlaken, nato pa je s
primerjanjem prikazano, katera metoda je cenovno in časovno ugodnejša za določeno
količino končnih izdelkov. S povezavo obeh metod so teoretična osnova in praktični
primeri bolje predstavljeni.
2 TEORETIČNE OSNOVE
»Definicij, kaj je kompozitni material, je več. V splošnem velja, da je kompozit material,
sestavljen iz dveh ali več različnih materialov na makroskopskem nivoju.
Makroskopsko pomeni, da so sestavine ločljive s prostim očesom. Največkrat ločimo v
kompozitu dva osnovna dela: osnovo ali matico in utrjevalno komponento ali armaturo.
Med seboj se ti sestavini v kompozitu razlikujeta po mehanskih, fizikalnih in kemijskih
lastnostih.« (Ivanič, 2007, str. 7).
V naravi najdemo mnogo materialov, ki imajo vse značilnosti kompozitov. Les je
sestavljen iz celulotnih vlaken v matici lignita. Ta povezuje trdna vlakna celuloze, ki pa
niso toga. Prav tako človek uporablja kompozitne zgradbe kot so beton, asfalt idr.
Duroplastične kompozite delimo na smole in na ojačitvena vlakna. Med prve spadajo
na primer epoksi, poliesterske, vinilesterske smole, med ojačitvena vlakna pa steklena,
ogljikova, armidna vlakna idr.
V nadaljevanju so opisani nekateri postopki izdelave kompozitnih izdelkov.
-
Ročno oblikovanje v kalupu, omočenem s smolo pri tem postopku polagamo na
predhodno s smolo omočen kalup vlakna, plast za plastjo. Sproti dodajamo smolo
in s tem dosegamo prepojenost plasti. Smolo nato utrjujemo na sobni temperaturi
ali v peči.
-
Tlačno oblikovanje: s tem postopkom lahko izdelujemo izdelke v večjih serijah, saj
predhodno prepojena vlakna vstavljamo v predgreto orodje in se s tem izognemo
dolgotrajnim postopkom utrjevanja.
-
Oblikovanje predhodno s smolo prepojene tkanine z uporabo avtoklava: ročno
polaganje predhodno prepojene tkanine v orodje omogoča čistejšo izdelavo in
izdelavo zahtevnejših oblik izdelka. Način utrjevanja je lažji in končna kvaliteta
produkta boljša.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 2 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
-
Pri procesu brizganja nasekanih steklenih vlaken s pištolo istočasno in
enakomerno s posebnim sistemom pripomočkov nanašamo steklena oz. ogljikova
vlakna na pripravljen kalup. Izdelek nato utrjujemo z določenim ciklom.
-
Navijanje(Filament winding) je proces, kjer s pomočjo računalniško vodenih strojev
navijamo ojačitvena vlakna na pripravljen kalup. Gre za natančen proces, saj v tem
primeru ni človeškega faktorja napake.
-
Infuzija (RTM, angl. resin transfer moulding) omogoča predhodno polaganje vlaken
na kalup in kasneje infuzijsko prepojitev vlaken s pomočjo podtlaka. Uporablja se
za večje izdelke, kot so letalka krila.
2.1 ROČNO OBLIKOVANJE V KALUPU, PREDHODNO OMOČENEM
S SMOLO (WET LAYUP)
Izdelava s to tehniko je ob uvedbi kompozitnih materialov postala glavna izdelovalna
metoda za izdelavo kompozitnih delov. Danes je še vedno v uporabi predvsem v
navtični industriji in pri izdelavi prototipov. Pri tem postopku je veliko dela ročnega,
poleg tega pa je treba zagotoviti zadovoljivo zračnost prostora zaradi škodljivih hlapov,
saj je kalup odprt. Smolo nanesemo na kalup, nanjo pa položimo ojačitveni material. Za
impregniranje vlaken uporabimo običajno valjček, nato zopet nanesemo smolo,
dodamo novo plast vlaken in uporabimo valjček, kot je prikazano na Sliki 1. Postopek
ponavljamo, dokler ne dosežemo želene debeline. Postopek je zelo prilagodljiv in
omogoča optimiziranje izdelka, saj lahko polagamo različna vlakna v poljubnih smereh.
Postopek zahteva malo investicije in znanja ter je enostaven za uporabo (Campbell,
2003).
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 3 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Slika 1: Primer ročnega oblikovanja v kalupu, omočenem s smolo
(Vir: http://www.keim-fasertechnik.de/hand-lay-up-laminate.html)
Dobre lastnosti (Mazumdar, 2001):
zaradi maloserijske izdelave je orodje lahko izdelano iz enostavnih materialov, kar
je razlog za nizko začetno investicijo;
ločeno uporabljamo tekočo smolo in suha vlakna, kar je cenejše od
predimpregniranih vlaken (prepreg);
proces je zelo enostaven in prilagodljiv − lahko izberemo katerikoli material s
poljubno orientacijo vlaken.
Slabe lastnosti (Mazumdar, 2001):
veliko ročnega dela;
proces je najbolj primeren za izdelavo prototipov in izdelavo velikih struktur;
zaradi odprtega kalupa moramo rešiti težavo s škodljivimi hlapi;
kvaliteta izdelka ni konstantna in se lahko zaradi človeškega faktorja razlikuje od
kosa do kosa;
proces izdelave ni ekološki.
2.2 IZDELAVA IZDELKA PO POSTOPKU Z ROČNIM
OBLIKOVANJEM V KALUPU, PREDHODNO OMOČENEM S
SMOLO
Čiščenju in poliranju orodja sledijo spodaj opisane faze izdelave izdelka (Mazumdar,
2001).
1. Kalup premažemo z ločilnim sredstvom.
2. Na zunanjo površino nanesemo začetno odpornejšo plast (gel coat), ki zagotovi
najboljšo kvaliteto površine. Ta plast se mora pred nanosom naslednjih plasti
posušiti.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 4 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
3. Ojačitvena plast je položena na kalup, kjer je impregnirana s smolo. Včasih je
mokra plast tkanine položena direktno na površino kalupa.
4. Z uporabo valjčkov enakomerno prepojimo vlakna.
5. Ojačitvene plasti nanašamo eno za drugo po predhodno določenem vrstnem redu
(Slika 2), dokler ne dosežemo želene debeline.
6. Jedro »sendvič konstrukcije« iz balze, pene ali satovja je položeno na že narejen
laminat, na katerega je vezano z lepilnim sredstvom. Vrhnja plast konstrukcije je
narejena po istem postopku in je prav tako adhezivno vezana na jedro.
7. Izdelan kos se lahko utrdi pri sobni ali povišani temperaturi.
Slika 2: Shema postopka z ročnim oblikovanjem v s smolo omočenem kalupu
(Vir: http://www.carbonfiberguru.com/carbon-fiber-processing-part-1-wet-hand-lay-up/)
Zagotavljanje kvalitete izdelka in ponovljivosti pri tem procesu je relativno težka.
Kvaliteta izdelka je v veliki meri odvisna od pravilnega polaganja in iztiskanja zraka iz
tkanine, količine smole, omočenosti, vlage …
2.2.1
Oblikovanje orodja
Zahtevnost kalupa pri postopku z ročnim oblikovanjem v kalupu, omočenem s smolo, je
manjša kot pri ostalih tehnikah, saj ta postopek poteka pri sobni temperaturi in nizkem
tlaku. Najpogosteje uporabljeni materiali za izdelavo kalupov so jeklo, les in kalupi iz
kompozitov iz steklenih vlaken. Kalup je lahko moški ali ženski.
Postopek navadno poteka pri sobni temperaturi. Smola se najpogosteje utrjuje čez noč,
čas utrjevanja pa je odvisen od kemijske sestave smole in temperature utrjevanja. Čas
utrjevanja lahko zmanjšamo z dovajanjem toplega zraka čez laminat. Tlak, potreben za
impregnacijo, zagotovimo z uporabo valjčkov. Med samim impregniranjem ni potreben
dodaten tlak na laminat. Za zagotavljanje boljše prepojenosti med plastmi in
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 5 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
odstranitev ujetega zraka med njimi laminat s podtlakom zapremo z namensko vrečko.
Če je kos majhen, ga lahko vstavimo v avtoklav, kjer je doveden višji zunanji tlak.
Postopek se uporablja za izdelavo:
- prototipov,
- velikih struktur,
- bazenov (Slika 3),
- ladijskih trupov in
- vetrnih turbin (Slika 4).
Slika 3: Primer bazena, izdelanega s steklenimi vlakni – postopek z mokro tehniko
(Vir: http://www.ordinis.com/)
Slika 4: Primer vetrnih turbin
(Vir: http://www.popsci.com/wind-power-moves-offshore)
2.3 TLAČNO OBLIKOVANJE (COMPRESSION MOLDING)
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 6 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Tlačnooblikovalni postopek (Compression molding, ''hot press'') se pogosto uporablja
za veliko serijsko proizvodnjo, tako za tkanine iz ogljikovih kot iz steklenih vlaken,
možna je tudi izdelava strukturnih delov. Za omenjeni postopek potrebujemo poleg
orodja primerno stiskalnico (Slika 5) z zagotovljenim zadostnim tlakom in predgretimi
ploščami oziroma dodatnimi grelci za segrevanje orodja.
Slika 5: Primer pnevmatske stiskalnice
(Vir: http://www.chap-machinery.com/big_img.html?etw_path=http://www.chapmachinery.com/1-6-1-plastic-molding-machine.html&big_etw_img=1-rubbermachinery/6-1-1b.jpg)
Material za uporabo v postopku tlačnega preoblikovanja je lahko v različnih oblikah, ki
jih uporabljamo glede na zahtevnost oblike, kvaliteto in povpraševanje:
masivni preoblikovanci (BMC − Bulk Molding Compound), kratka neravna vlakna
so razporejena v smoli v obliki kita (Slika 6);
ploščati preoblikovanci (SMC − sheet molding compound), kratka nasekana vlakna
so razporejena v smoli v ploščati obliki (Slika 7);
predimpregnirana tkanina – usmerjena vlakna potekajo v več smereh in so
predimpregnirana s smolo (Slika 8);
predimpregnirana usmerjena vlakna (UD) − usmerjena vlakna potekajo le v eni
smeri in so predimpregnirana s smolo (Slika 9).
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 7 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Slika 6: BMC-material
(Vir: http://www.compositesworld.com/articles/carbon-fiber-reclamation-goingcommercial)
Slika 7: SMC-material
(Vir: http://www.aareplast.ch/de/duroplast/smc-sheet-molding-compound)
Slika 8: Predimpregnirana tkanina
(Vir: http://www.reinforcedplastics.com/view/27771/ottobock-selects-umeco-prepregsfor-running-blades/)
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 8 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Slika 9: Predimpregriran UD
(Vir: http://www.zoltek.com/products/panex-35/prepreg/)
Najpogostejša oblika surovega materiala je ploščati material (SMC), zato se nadaljnje
opisovanje navezuje na uporabo ploščatega materiala v postopku tlačnega
preoblikovanja. Postopek je razširjen v avtomobilski industriji, podoben je procesu
globokega vleka pri preoblikovanju pločevin. Pri globokem vleku je pogosto potrebno
preoblikovanje v več korakih, da pridemo do končne oblike, medtem ko lahko končno
obliko s tlačnim preoblikovanjem ogljikovih vlaken dosežemo v samo enem koraku.
Ena od prednosti ploščatega materiala v primerjavi z jekleno pločevino je, da ima
ploščati material lahko vključena rebra ali druge ojačitve v tretji smeri (smeri izven
ravnine). Prav tako lahko luknje, izbokline in neenako debelino dosežemo že med
polaganjem in se s tem izognemo naknadni obdelavi, na primer vrtanju, varjenju in
frezanju (Mazumdar, 2001).
Dobre lastnosti (Mazumdar, 2001):
ponovljivost procesa,
visoka vsebnost vlaken z uporabo preprega,
visoka kvaliteta površine,
oblika izdelka lahko sledi konturam v različnih smereh, izdelki so geometrično
natančni,
visoka temperaturna odpornost in
kratki časi izdelovalnega cikla.
Slabe lastnosti (Mazumdar, 2001):
visoka cena opreme in orodja – visoka začetna investicija,
proces ni primeren za izdelavo prototipov ali majhnih serij, saj s tem ne upravičimo
cene orodja,
z uporabo SMC naj ne bi izdelovali strukturnih delov, vendar se tej težavi lahko
izognemo z uporabo reber in ojačitvenih profilov ali z uporabo preprega, ki
zagotovi večjo kvaliteto laminata.
2.3.1
Izdelava izdelka po postopku tlačnega preoblikovanja
Pri uporabi ploščatega materiala je ta najprej razrezan na primerne dimenzije. Plošče
so nato položene na spodnjo polovico predgretega orodja. Te pravokotne plošče so
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 9 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
polnilo, ki navadno prekriva od 30 % do 90 % celotne površine. Preostanek se zapolni
s stiskanjem. Pri uporabi prepreg materiala to ni mogoče in mora tkanina prekrivati 100
% površine kalupa. Kalup se zapre tako, da približamo zgornji del kalupa spodnjemu.
Tipična delovna hitrost pomika orodja pri uporabi SMC-materiala je 40 mm/s. Pri
postopku s tlačnim preoblikovanjem sta kalupa tipično predgreta na 140 °C. S
premikanjem zgornjega dela navzdol (Slika 10) začne polnilo v kalupu teči in
zapolnjevati utore. Tok polnila iz kalupa iztisne ujet zrak. Po določenem času spajanja
pod tlakom in pri visoki temperaturi kalup odpremo ter izdelek odstranimo. Postopek
odstranjevanja izdelka iz kalupa je lahko avtomatiziran z izmetnimi čepi. Cikli izdelave
so tipično kratki, od 2 do 4 minute.
Slika 10: Primer tlačnega preoblikovanja ploščatih preoblikovancev
(Vir: http://www.greenhulk.net/forums/showthread.php?t=22098)
Možne napake:
slabša kvaliteta površine,
na površini je viden relief vlaken,
poroznost − nastane zaradi ujetega zraka,
mehurjavost − nastane zaradi razpok med plastmi, ki se med procesom ustvarijo
zaradi prevelikega tlaka plinov − ponavadi je vzrok za to v velikih količinah ujetega
zraka med sestavljanjem plasti kompozita,
zvarne črte − nastanejo, ko se združita dve fronti toka polnila in povzročijo slabše
mehanske lastnosti, ker se vlakna poravnajo vzdolž zvarne črte,
ukrivljenost − nastane zaradi zaostalih napetosti v izdelku; pri izdelkih s
spremenljivo debelino se različno debeli kosi različno hitro hladijo.
Dimenzijska kontrola in ponovljivost procesa sta pomembni zahtevi za kvaliteto
izdelkov.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 10 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Dejavniki, ki vplivajo na ponovljivost procesa, so:
paralelnost stiskalnice − spremenljiva debelina je lahko posledica neparalelnosti
stiskalnice,
tolerance orodja − vsako orodje ima svoje tolerance, ki vplivajo na tolerance
izdelka,
geometrijske tolerance položenega materiala − uporaba geometrijskih toleranc
materiala poveča ponovljivost procesa pri sestavljanju polizdelkov v končni izdelek;
geometrijske tolerance materiala izdelka zmanjšujejo potrebo po vzdrževanju
toleranc na končnih sestavljalnih pripravah,
skrček materiala − zaradi kemičnega procesa smole in termalnega krčenja
materiala pride do skrčka materiala.
Za izboljšanje kvalitete površine izdelka so že pri načrtovanju predlagana priporočila:
- izogibanje ploskim površinam − na ploskih površinah se skozi površino visokega
sijaja lahko vidijo delci, ki so zaradi odboja svetlobe videti svetlejši in tako dajejo
vtis neravne površine; temu se lahko izognemo z uporabo ukrivljenih površin,
- notranje in zunanje zaokrožitve robov − ostrim kotom se je potrebno izogibati,
večinoma naj bi bile zaokrožitve robov čim večje, da ne bi vplivale na uporabnost
izdelka; velike zaokrožitve so pomembne za boljši tok materiala in lažjo odstranitev
izdelka iz kalupa,
- oblikovanje utorov za luknje − na poziciji, kjer je predvidena luknja, lahko
predhodno lokalno stanjšamo material plošče, prav tako lahko v okolici luknje za
boljše mehanične lastnosti material lokalno odebelimo.
2.3.2
Oblikovanje orodja
Orodje je sestavljeno iz pestiča - moška polovica in matrice - ženska polovica (Slika
11). Kalup je ponavadi narejen iz jekla in je zaradi izboljšane kvalitete površine orodja
ponikljan ali kromiran. Mehanične ali pnevmatične izmetne čepe lahko vgradimo v
kalup za avtomatsko razkalupljanje izdelka. Togost kalupa je kritična, ker mora
prenašati tlake (od 2 do 30 MPa). Visoki tlaki so potrebni, če ima izdelek globoka rebra
in izbokline.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 11 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Slika 11: Primer skice orodja tlačnega preoblikovanja
(Vir: https://www.studyblue.com/notes/note/n/333-final/deck/10322708)
Za utrjevanje je potrebna toplota med 120 do 170°C, ki jo dovajamo na orodje preko
plošč stroja ali segretega orodja. Gretje orodja lahko izvedemo s kroženjem vodne
pare, olja ali električnih patronov. Tlak za uniformni tok polnila nastane zaradi
premikanja zgornje polovice kalupa v smeri spodnje polovice.
Predimpregnirana tkanina je najprej razrezana na zahtevane dimenzije in položena v
kalup plast za plastjo, tako da dobimo želeno razporejenost plasti in želeno orientacijo
vlaken. Pestič je lahko kovinski ali iz elastomera. Podobno kot pri globokem vleku se
lahko material deformira tudi pri kompleksnih ukrivljenih površinah. Odvisno od
uporabljenega materiala in izdelka lahko strjevanje traja od nekaj minut do nekaj ur.
Glavna razlika med uporabo ploščatega materiala in predimpregniranega materiala v
postopku tlačnega preoblikovanja je, da se morata zgornji in spodnji del kalupa pri
uporabi preprega popolnoma ujemati, medtem ko lahko pri uporabi ploščatega
materiala ta sam zapolni konture, saj se lahko kratka vlakna premikajo in tako zaradi
tlaka zapolnijo ves prostor v kalupu, tudi če se spodnji in zgornji del ne ujemata.
Uporaba postopka tlačnega preoblikovanja:
-
v letalstvu − za izdelavo nestrukturnih delov, notranja zaključna dela,
v avtomobilski industriji − za izdelavo različnih prekrivnih in dekorativnih delov ter
delov karoserije - odbijači, blatniki, maske itd., (Slika 12),
v moto industriji − za izdelavo temperaturnih ščitnikov itd.,
v strojništvu − različni pritrdilni elementi, pokrovi, hitro premikajoči se predmeti;
v medicini – protetika,
pri športni opremi − smuči, kiji.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 12 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Slika 12: Primer avtomobilskega ojačitvenega kosa, izdeanega s tlačnim
preoblikovanjem ploščatih predoblikovancev
(Vir: http://articles.sae.org/12288/)
2.4 OBLIKOVANJE PREDHODNO S SMOLO PREPOJENE TKANINE
(PREPREG) Z UPORABO AVTOKLAVA
»Prepreg je predimpregniran material, ki vsebuje natančno določeno mešanico smole,
utrjevalca, katalizatorja in ojačitvenih vlaken. Ta material ohladimo pod temperaturo
aktivacije, položimo v kalup, s postopkom vakuumiranja zapremo in stisnemo v želeno
obliko po določenem temperaturnem ciklusu (segrevanje, ohlajanje). Sam proces
stiskanja oziroma obdelave lahko poteka bodisi v peči ali v avtoklavu.« (Veplas, 2007).
Omenjeni postopek oblikovanja s smolo prepojene tkanine (Autoclave processing,
Vacuum baging) se pogosto uporablja predvsem v letalski industriji. S tem procesom
lahko izdelujemo kose zelo zahtevnih oblik in z visokim odstotkom vlaken v laminatu.
Je proces z odprtim kalupom, primeren za izdelke z majhno serijo. V tem procesu so
predhodno prepojene tkanine s smolo razrezane na želene dimenzije, položene na
kalup (Slika 13) v predpisani orientaciji vlaken ter nato stisnjene z vakuumsko vrečo.
Slika 13: Primer polaganja predimpregnirane tkanine v kalup
(Vir: http://www.reinforcedplastics.com/view/28031/de-autoclaving-prepreg-processingpart-2/)
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 13 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Najpogosteje uporabljena so ogljikova vlakna, predimpregnirana z epoksi smolo. Kot
nadomestek ogljikovim vlaknom se uporabljajo tudi steklena vlakna, vendar v znatno
manjših količinah. Glavni razlog za to usmeritev je predvsem v superiornih materialnih
lastnostih ogljikove tkanine z epoksi smolo, kar dovoljuje nižjo težo izdelka. Poleg
epoksi smol se pogosto uporabljajo tudi visokotemperaturne smole, kot so polimidne
smole, bismaleimidne smole in cianat esterske smole.
Dobre lastnosti:
izdelamo lahko izdelke z visokim deležem vlaken (več kot 60 %),
s predimpregniranim procesom je možno izdelati tako kompleksne kot enostavne
izdelke,
ta proces je zelo primeren za izdelavo prototipov − njegova prednost je v dokaj
poceni orodju, vendar je potrebna velika začetna investicija za nakup avtoklava,
s tem procesom lahko izdelamo zelo močen in trden izdelek.
Slabe lastnosti:
treba je veliko ročnega dela, zato proces ni primeren za velike serije,
izdelki, izdelani s predimpregniranim postopkom, so dragi.
-
2.4.1
Izdelava izdelka po avtoklav postopku
1.
Predimpregnirano tkanino vzamemo iz hladilnika in segrejemo na sobni
temperaturi, dokler ni dovolj mehka za oblikovanje.
2. Predimpregnirano tkanino položimo na rezalno mizo in razrežemo na želene
dimenzije ter upoštevamo usmerjenost.
3. Kalup najprej očistimo in spoliramo, nato nanesemo še ločilno sredstvo.
4. Odstranimo zaščitno folijo z predimpregniranega materiala, nato tkanino položimo
v kalup po vrstnem redu, določenem v izdelovalnem načrtu.
5. Po vsaki novo naloženi plasti z valjčkom odstranimo ujet zrak.
6. Ko so položene vse plasti, pripravimo sistem za vakuumiranje s polaganjem
ločitvene folije (release film), plasti za odtekanje odvečne smole (bleed layer),
zajezitvene plasti (barrier film), plasti za odtekanje odvečne smole (bleed layer) in
nazadnje še folijo za vakuumiranje (Slika 14).
7. Celoten sestav je položen v avtoklav (če je struktura velika, je treba uporabiti
voziček).
8. Sklenemo povezave s termočleni in cevmi za vakuum, avtoklav zapremo.
9. Podatki glede cikla utrjevanja so vstavljeni v računalnik za nadzor avtoklava (Graf
1).
10. Po ohlajanju odstranimo vakuumsko vrečko in odstranimo izdelek (Mazumdar,
2001).
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 14 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Slika 14: Shema izdelave izdelka z ročnim polaganjem s smolo predimpregnirane
tkanine
(Vir: http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=352)
Graf 1: Spreminjanje temperature in tlaka v odvisnosti od časa v avtoklavu
(Vir: http://www.tech.plym.ac.uk/sme/MATS324/MATS324C8%20autoclave.htm)
Tipične težave pri izdelavi:
ohranjanje točne orientacije vlaken v izdelku, saj je prepreg tkanina v kalup
položena ročno,
narediti izdelek brez zračnih žepkov zaradi ujetega zraka med plastmi,
neraven izdelek povzroča težave zaradi zaostalih napetosti, ki nastanejo v
materialu med izdelavo
2.4.2
Oblikovanje orodja
Orodje za proces z ročnim polaganjem predimpregnirane tkanine je odprt kalup, na
katerega so položene predimpregnirane plasti v poljubnem zaporedju in orientaciji
(Slika 15). Za izdelavo prototipov je orodje lahko narejeno iz kovine, lesa ali plastike, za
izdelavo visoko kvalitetnih komponent pa iz karbon/epoksi, karbon/cianat estra,
karbon/bismaleimida, steklo/epoksi sistema itd.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 15 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Slika 15: Primer stiskanja s smolo predimpregnirane tkanine s podtlakom
(Vir: http://www.easycomposites.co.uk/Beginners-Guide-to-Out-of-Autoclave-Part3.aspx)
Po laminaciji in pripravi na vakuumiranje je kalup položen v avtoklav za utrjevanje in
sprijemanje. Avtoklav (Slika 16) je neke vrste tlačna posoda, ki vzdržuje želen tlak in
temperaturo, potrebno za izdelavo kompozita. Tipični utrjevalni cikel je prikazan na
Grafu 1. Utrjevalni cikel je odvisen od vrste smole, debeline kosa in njegove
geometrije.
Tlak je ustvarjen na dva načina, z uporabo vakuumske vrečke in zunanjega tlaka v
avtoklavu. Vakuumska vrečka zagotovi dobre pogoje za spojenost materiala. V vrečki
ustvarimo vakuum tako, da s cevjo povežemo šobo sistema za vakuumiranje z
vakuumsko črpalko, ki zagotovi želeni vakuum. Za nadtlak uporabljamo zrak ali dušik.
Dušik izberemo, ko utrjevanje poteka pri visokih temperaturah, da ne pride do vžiga.
Tlak zunaj vrečke in vakuum v vrečki ustvarita zadovoljiv tlak, ki stisne laminat ob kalup
in s tem ustvari dober kontakt med plastmi laminata. Toploto, potrebno za utrjevanje,
dobimo iz segretega zraka ali dušika. Dodatno si lahko pomagamo z električnimi grelci,
ki so nameščeni v avtoklavu. Temperatura in tlak v avtoklavu so kontrolirani
računalniško. Računalniški sistem je nameščen zunaj avtoklava, kjer uporabnik nastavi
utrjevalni cikel.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 16 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Slika 16: Primer avtoklav tlačne posode
(Vir: http://maybach300c.blogspot.com/2012/08/manufacturing-processes.html)
Postopek se uporablja tudi za izdelavo:
prototipov,
strukturnih delov letal,
ohišij za radarske antene,
različnih delov v navtiki,
športne opreme (Slika 17) in
strukturnih delov v avtomobilski in moto industriji.
Slika 17: Primer toplotnega ščitnika
(Vir:
https://www.akrapovic.com/#!/motorcycle/product/road/15288?brandId=46&modelId=69
3&yearId=3694)
3 IZBIRA OPTIMALNEGA POSTOPKA
3.1 RAZLOGI ZA IZBIRO OPTIMALNEGA POSTOPKA
V praktičnem delu naloge je poudarek na izbiri postopka, ki bo glede na časovno
omejitev, končno število izdelkov in ekonomičnost najbolj optimalna izbira. V podjetju
želimo v fazi razvoja z načrtovanjem najboljšega postopka izboljševati produktivnost in
s tem konkurenčnost na trgu. Sredstva, ki jih zaradi pravilnih odločitev postopka
prihranimo, lahko uporabimo za nadaljevanje razvoja in širjenje ponudbe.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 17 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Časovna omejitev izdelave prikaže sposobnost podjetja, kako hitro lahko izdela
kvalitetne izdelke. Za izdelavo lastnih izdelkov ali izdelkov naročnika je to jasen
podatek in kaže resnično sliko velikosti podjetja. Z nalogo sem začel zaradi
neraziskanih in neuveljavljenih tehnologiji v podjetju, zavedal pa sem se prednosti pri
različnih tehnologijah, ki jih lahko izkoristimo za boljšo produktivnost in kvaliteto. Začel
sem z izbiro velikosti izdelka, ga cenovno ovrednotil s pomočjo kadra, ki je za to
usposobljen, nato pa izpeljal preračune in prikazal resnično stanje od zasnove do
končnega izdelka.
3.2 NAČRTOVANJE PRIMERJALNEGA IZDELKA
Za primer izračuna potrebne investicije v orodje in izdelavo izdelka je prikazana
izdelava toplotnega ščitnika s površino 0,054 m2 in debelino 1,6 mm brez negativnih
kotov v smeri razkalupljanja. Čeprav je zaradi lažjega načrtovanja in analize izdelek
enostavne oblike, je primer realen in uporaben tudi za zahtevnejše oblike in različne
velikosti.
V prvi fazi razvoja sem s pomočjo programa za 3D-modeliranje nastal želeni končni
izdelek (Slika 18) z dimenzijami (Slika 19). Oblikovan je za potrebe ščitenja voznika
motornega kolesa pred izpušno cevjo.
Slika 18: 3D-model končnega izdelka
(Vir: lastni)
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 18 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Slika 19: Dimenzije izdelka
(Vir: lastni)
V nadaljevanju so predstavljene skice orodij, potrebnih za izdelavo izdelka z različnimi
postopki izdelave. Uporabljen material orodij je aluminij, ki je najprimernejši zaradi
lastnosti, kot so nizka trdota za enostavno obdelavo in dober toplotni prevodnik.
Kalup na Sliki 20 služi za postopek polaganja s smolo predimpregnirane tkanine, kjer
potrebujemo le matrico. Za izdelavo orodja za ta postopek je uporabljenega najmanj
materiala, saj tkanino utrjujemo v namenski vrečki s podtlakom in avtoklavom. Ročno
oblikovanje in namakanje suhe tkanine izvajamo v matrici s Slike 21, dokler ne
dosežemo želene debeline in kvalitete, naknadno pa utrjujemo izdelek na toplem z
vpetjem pestiča na matrico.
Tlačno preoblikovanje (Slika 22) je v primeru najhitrejši način izdelave izdelka, izdelava
orodja pa je kompleksnejša. Potrebna so vodila, utori za pričvrstitev na ploščo
stiskalnice, izvrtine za električne grelce in predvidevanje poteka izdelave na stiskalnici.
Pestič, ki je pričvrščen na zgornjo ploščo stiskalnice in proizvede zadosten tlak, ter
predgreto orodje omogočata hiter cikel utrditve predimpregniranega materiala.
Slika 20: 3D-model orodja za ročno oblikovanje v kalupu, omočenem s smolo
(Vir: lastni)
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 19 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Slika 21: 3D-model orodja za postopek oblikovanja
predhodno s smolo prepojene tkanine z uporabo avtoklava
(Vir: lastni)
Slika 22: 3D-model orodja za postopek tlačnega preoblikovanja
(Vir: lastni)
3.3 IZRAČUN STROŠKA ENEGA ORODJA IN IZDELKA
Glede na zahtevano površino in debelino izdelka ter na vse upoštevane kalkulacije
izdatkov, kot so material (aluminij, ogljikova vlakna, smola, folije ...), stroški strojev,
stroški izdelave orodij ter upoštevano plačilo zaposlenih, ki so na tem izdelku delali,
sem skupaj z usposobljenim kadrom za kalkulacije orodij in izdelkov najprej izračunali
končno ceno enega orodja in enega izdelka z vključenimi materiali v izdelku.
Zaradi ohranitve tajnosti in s tem konkurenčnosti podjetja sem v preračunih stroškov
vrednost orodja za avtoklav ovrednotil z osnovo 1. Vrednosti ostalih dveh postopkov
bodo določene kot faktorji te osnove.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 20 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
V strošek orodja smo vključili porabljen aluminij, čas 3D-modeliranja orodja,
programiranje CNC-stroja, delovne ure operaterja, strojne ure in obdelavo površine
(Tabela 1).
STROŠEK ORODJA
AVTOKLAV
NA MOKRO
TLAČNO
delo
1
1,9
2,3
stroj za obdelavo
1
1,6
2,2
material (AL)
1
2
3,9
dodaten material
(vodila ...)
1
1
20
vsota
1
1,8
2,5
Tabela 1: Izračun stroška orodja za posamezne tehnologije
(Vir: lastni)
Stroški izdelave izdelka so sestavljeni iz čiščenja in priprave orodij, dela zaposlenih za
sestavljanje izdelka in ostale potrebne priprave za utrjevanje, stroški avtoklava,
stiskalnice, peči in ostale porabljene energije (Tabela 2).
TEHNOLOGIJA
strošek orodja
strošek izdelave izdelka
AVTOKLAV
1
1
NA MOKRO
1,8
0,82
TLAČNO
2,5
0,53
Tabela 2: Cena izdelave orodja in izdelave enega kosa
(Vir: lastni)
Za enostaven primer in primeren shematski prikaz je določena količina izdelanih kosov
med 30 in 400 kosov. Za določitev končne cene izdelka glede na upoštevano količino,
ceno izdelave izdelka in stroški orodja lahko uporabimo naslednjo enačbo:
𝑂
𝑆 =𝑁+𝐼,
(1)
kjer je
S….…končna cena izdelave izdelka,
O……strošek izdelave orodja,
N…....število kosov in
I…......strošek izdelave izdelka.
Iz tega sledi Graf 2, ki prikazuje na x-osi število izdelanih kosov, na y-osi pa cena
izdelka z vključenimi sredstvi za izdelavo enega kosa z upoštevano investicijo v orodje.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 21 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Graf 2: Shematski prikaz stroškov izdelave v odvisnosti od števila kosov glede na
uporabljeno tehnologijo
(Vir: lastni)
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 22 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Glavne prelomnice za odločitev, katera tehnologija je najugodnejša, so na Grafu 2
označene in se zgodijo pri 132., 175. in 247. izdelanem kosu. Vidno je, da je do 132.
izdelka tlačno preoblikovanje najdražje, kar pa se izkaže, da je od 175. izdelka naprej
prav ta najcenejši način izdelave izdelkov. 247. izdelek je meja, kjer oblikovanje
predhodno s smolo prepojene tkanine z uporabo avtoklava postaja najdražji način
izdelave.
Graf 2 prikazuje izdelavo kosov brez časovne omejitve in samo z enim izdelanim
orodjem. To je pomemben podatek pri razumevanju, da je končna cena izdelka
sorazmerna s potrebnim številom izdelanih orodij orodij, s tem pa se končni stroški
izdelave izdelka povečajo. Kasneje je v praktičnem primeru prikazan časovno omejen
projekt z določeno količino kosov ter stroški izdelave orodij.
Z dobljenim rezultatom na grafu dobimo hiter pregled nad ceno izdelave glede na
željeno količino kosov z upoštevanim sorazmerno razdeljenim stroškom orodja. To
nam pomaga pri začetni orientaciji, saj v tem primeru ni časovno omejene izdelave in je
vračunana izdelava le enega orodja.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 23 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
3.4 IZRAČUN STROŠKOV ČASOVNO IN KOSOVNO OMEJENE
IZDELAVE
V sledečem praktičnem primeru je predviden potek v serijski proizvodnji izdelkov, kjer je
potrebna hitra in kvalitetna izdelava v čim krajšem času. Za primer bomo vzeli planirano
količino 810 kosov, ki jih moramo izdelati v mesecu (21 dni).
KOLIČINA: 810
ČASOVNA OMEJITEV: 21 dni
Za tolikšno količino izdelkov je treba najprej izračunati, koliko kosov na eno izmeno
lahko proizvedemo. V Tabeli 3 vidimo očitno razliko v hitrosti izdelave med različnimi
tehnologijami, ki je prav tako bistvenega pomena pri odločitvi, saj v industriji vedno bolj
stremimo h kvaliteti in hitri izdelavi.
Z upoštevanjem potrebnega časa priprave orodja, laminacije, vakuumiranja in
utrjevanja je v Tabeli 3 jasno vidna razlika v količini časa, potrebni za izdelavo enega
kosa.
ČAS IZDELAVE
AVTOKLAV NA MOKRO
TLAČNO
priprava + izdelava enega kosa
1
0,41
0,06
max količina v eni izmeni
1
2,4
16,04
Tabela 3: Čas izdelave enega kosa ter predvideno število kosov v eni izmeni
(Vir: lastni)
Z deljenjem časa enega delavnika (7h) s časom izdelave enega izdelka dobimo
izračun izdelave maksimalne količine kosov v enoizmenskem delavniku z enim
orodjem. To je jasen pokazatelj dnevnih kapacitet in hkrati omogoča enostaven
izračun časa, ki ga potrebujemo za planiranje končne količine izdelkov.
S preprosto enačbo lahko nato izračunamo potrebno količino orodij, s katerimi lahko v
času 21 dni proizvedemo toliko izdelkov.
𝑁=Š
𝐷
𝐾
𝑥 𝐾𝑀7
,
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
(2)
stran 24 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
kjer je
N…….število potrebnih orodij,,
K…….količina izdelkov
Š𝐷 …...število dni in
𝐾𝑀7 ….maksimalna količina v 7 urah.
V Tabeli 4 je izračunamo potrebno število orodij za izdelavo 810 izdelkov v 21 dneh.
MOKRA
AVTOKLAV
TEHNIKA
TLAČNO
1
0,42
0,06
Tabela 4: Tabela količine orodij potrebnih za izdelavo
(Vir: lastni)
STROŠKI IZDELAVE POTREBNE KOLIČINE ORODIJ ZA IZDELAVO 810 KOSOV V
ROKU 21 DNI − ENA IZMENA
Za izračun končne cene izdelave vzamemo podatke iz Tabele 2, kjer preračunane
stroške izdelave orodja pomnožimo s številom potrebnih orodij iz Tabele 4 (enačba 3).
Rezultat je predstavljen v Tabeli 5.
Sledi enačba za izračun končne cene orodij:
𝐾𝐶 = Š𝑂𝑅 𝑥 𝐶 ,
(3)
kjer je
𝐾𝐶 ……končna cena,
Š𝑂𝑅 ..…število potrebnih orodij in
C……..cena enega orodja.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 25 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
AVTOKLAV
(€)
NA MOKRO
(€)
TLAČNO (€)
1
0,76
0,15
Tabela 5: Tabela končne cene izdelave potrebnih orodij
(Vir: lastni)
Enačba za izračun končnega stroška izdelka glede na število potrebnih orodij je
sledeča:
𝐶𝐾 =
𝑂𝑉
𝑁
+ 𝐼,
kjer je
𝐶𝐾 ........ končna cena izdelka,
𝑂𝑉 …….seštevek vseh stroškov izdelave orodij,
N……..število izdelkov in
I………strošek izdelave izdelka.
Na Grafu 3 opazimo očitno razliko uporabe različnih tehnologij s časovno omejenim
projektom, določenim številom končnih izdelkov, številom potrebnih orodij in ceno
izdelave. Z upoštevanjem končne cene izdelka in števila kosov je nastal Graf 3, ki
prikazuje optimalno izbiro postopka za naš primer.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 26 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
Graf 3: Shematski prikaz stroškov izdelave z upoštevano količino, rokom izdelave in
številom potrebnih orodij v odvisnosti od števila kosov glede na uporabljeno tehnologijo
(Vir: lastni)
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 27 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
4 ZAKLJUČEK
V diplomski nalogi sem zajel osnove treh tehnologiji, ki jasno prikazujejo prednosti in
slabosti ter način uporabe.
Cilj praktičnega prikaza cenovno in časovno najprimernejše izbire tehnologije za
serijsko proizvodnjo je uspešno prikazan. Pri postopku s tlačnim preoblikovanjem
predimpregnirane tkanine sem dokazal ogromen prihranek časa in denarja ter s tem
tudi boljšo kakovost kot pri ostalih dveh postopkih.
Primer izdelave izdelka, prikazan v drugem delu diplomske naloge, je obravnavan
glede na določeno debelino in površino izdelka. Predvidevam, da se stroški izdelave
orodij in izdelkov sorazmerno spreminjajo glede na sorazmerno spremenjeno velikost
izdelka.
4.1 OCENA UČINKOV
Z danim prikazom praktične izdelave izdelka in orodij ter vsemi kalkulacijami za
izdelavo sem z izračunom dokazal, da lahko glede na povprečno vrednost ostalih dveh
tehnologij s procesom izdelave za tlačno preoblikovanje pospešimo izdelavo za okoli
9,6-krat in pocenimo za okoli 1,7-krat. Za uporabo z upoštevanim časovnim rokom in
potrebnimi dodatnimi orodji lahko uporabimo kalkulacije danega primera. Kalkulacije iz
te naloge lahko uporabimo na različnih primerih oblik izdelkov z upoštevanjem
časovnega roka in potrebnim številom orodij.
4.2 POGOJI ZA UVEDBO
Za uvedbo tehnologije tlačnega preoblikovanja potrebujemo ustrezno stiskalnico, kar bi
bil lahko največji vložek pri uvajanju tehnologije. V primeru, da ima podjetje dolgoročno
vizijo proizvodnje večjih količin izdelkov z enostavnimi površinami, se glede na količino
privarčevanih sredstev in časa vsekakor izplača.
4.3 MOŽNOSTI NADALJNEGA RAZVOJA
V nadaljevanju razvoja najugodnejšega načina izdelave bi lahko prešli na zahtevnejše
oblike, možnost hlajenja orodja na določeno temperaturo z namenom predhodnega
zlaganja tkanin na matrico. Dodatno izboljšanje lahko predvidevamo tudi pri
neenakomerno segreti površini ter raziskovanju načina izdelave izdelkov z večjo
debelino.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 28 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
4.4 BISTVO
Bistvo diplomske naloge je v seznanjanju s tremi načini izdelave izdelka iz ogljikovih
vlaken. Opis tehnologij bralca seznani s prednostmi, slabostmi ter postopki izdelave.
Sledi praktični primer z zmodeliranimi izdelkom in orodji, kalkulacijami stroškov
izdelave orodij, materialov in dela. Z grafi je shematsko prikazana vrednost izdelka
glede na količino izdelkov in vključenim številom orodij potrebnih za izdelavo v
določenem časovnem obdobju. S tem delom si bo lahko uporabnik glede na lastno
situacijo opravil hiter pregled za najugodnejšo izbiro tehnologije za njegov primer.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
stran 29 od 30
ICES – Višja strokovna šola
Diplomsko delo višješolskega strokovnega študija
LITERATURA IN VIRI
1. Campbell, F. C. (2003). Manufacturing processes for advanced composites.
Oxford: Elsevier Science & Technology.
2. Donaldson, S. L., Miracle D. B. (2008). ASM Handbook Composites, Vol. 21.
Material Park: ASM International.
3. Gurit Composite Systems & Engineering. Pridobljeno 17. 2. 2015 z naslova
http://www.gurit.com/systems-and-engineering.aspx.
4. Ivanič, A. (2001). Novi mehanizem vpetja vlaken v kompozitnih materialih.
Doktorska disertacija, Maribor: Univerza v Mariboru, Fakulteta za gradbeništvo.
5. Mazumdar S. (2001). Composites manufacturing materials, product and
process engineering. Florida: CRC Press LLC.
6. SP Systems: Composite Engineering Materials. Pridobljeno 17. 2. 2015 z
naslova
http://www.composites.ugent.be/home_made_composites/documentation/SP_C
omposites_Guide.pdf.
7. Veplas.
Pridobljeno
17.
2.
2015
z
http://www.veplas.si/index.php?page=static&item=73&tree_root=42.
Primož Toplikar: Izbira tehnološkega postopka za izdelek iz ogljikovih vlaken
naslova
stran 30 od 30