1

FABRICAREA MATRIŢELOR DIN CAUCIUC SILICONIC ŞI

TURNAREA MODELELOR ÎN MATRIŢE SUB VID UTILIZÂND

ECHIPAMENTUL MCP 001 PLC

1. OBIECTUL LUCRĂRII

Scopul principal al lucrării este cunoaşterea teoretică şi experimentală a tehnologiei de

fabricare a matriţelor din cauciuc siliconic, respectiv a tehnologiei de turnare sub vid a pieselor din

răşini utilizând acest tip de matriţe.

2. CONSIDERAŢII GENERALE

2.1 Matriţe din cauciuc siliconic

Cauciucul siliconic este un material extrem de avantajos în aceste tehnologii. El poate fi turnat cu uşurinţă în jurul unui model master pentru a obţine o cavitate. Sunt utilizate două tipuri de cauciuc siliconic pentru a fabrica matriţe, metodele de lucru fiind asemănătoare. Cele două tipuri de cauciuc siliconic disponibil pe piaţă sunt sub forma transparenta sau opaca. Cauciucul siliconic sub formă transparentă este mai scump.

Folosind materialul transparent, modelul master este suspendat într-o cutie, după care cauciucul siliconic este turnat astfel încât el să înconjoare în întregime modelul RP în cutia respectivă.

După ce cauciucul siliconic s-a solidificat se taie un plan de separaţie şi se extrage modelul

master. Se asamblează cele două semimatriţe din cauciuc siliconic între care a rezultat cavitatea ce

copiază forma modelului master RP. In această cavitate se poate turna sub vid materialul din care

se doreşte fabricarea piesei respective. Exista o mare varietate de materiale, care se pot utiliza

pentru fabricarea rapidă a pieselor prin această metodă. În general această turnare se efectuează

sub vid pentru a elimina pericolul apariţiei unor bule de aer în piese.

Aceste matriţe din cauciuc siliconic (CS) rezistă bine la turnarea a circa 20-40 piese din

material plastic. Unele materiale plastice care se toarnă în aceste matriţe de cauciuc siliconic

necesită un timp mai lung de polimerizare în cuptor (la circa 65 grade Celsius). Această încălzire

prelungită, din nefericire usucă mult suprafaţa exterioară a matriţelor din CS şi le face mai fragile,

ceea ce duce apoi la uzura prematură a acestora, mai ales în zonele cu detalii fine.

Atunci când se lucrează cu CS opac (care este mai ieftin), nu se recomandă realizarea

matriţelor într-o singură etapă, aşa cum s-a prezentat mai sus, şi aceasta pentru că este dificil de

tăiat planul de separaţie datorită invizibilităţii modelului RP. În această situaţie se poate lucra în

două etape, în fiecare din ele turnându-se câte o semimatriţă.

2

2.2. Turnarea sub vid Turnarea sub vid este una dintre cele mai interesante şi spectaculoase aplicaţii de utilizare a

modelelor RP la dezvoltarea de produse noi. Timpul este un factor crucial în dezvoltarea de noi produse industriale. Competiţia industrială se intensifică odată cu globalizarea pieţei. Proiectanţii trebuie să dezvolte mereu idei noi de produse modernizate, pentru a răspunde cerinţelor tot mai exigente. Succesul unui produs industrial depinde nu doar de caracteristicile sale tehnice, ci şi de factorii comerciali, cum ar fi costul şi timpul de lansare pe piaţă. Turnarea sub vid este o tehnică modernă care şi-a dovedit oportunitatea şi eficienţa tocmai în această etapă de dezvoltare a produselor noi, etapă în care trebuie utillizate prototipurile pieselor complexe (prezentate în capitolele anterioare), pentru fabricarea seriei mici (30-50 bucăţi), pentru testarea funcţionalităţii noului produs şi/sau testarea pieţei privind marketingul noului produs. In aceste condiţii, turnarea sub vid oferă o metodă rapidă, precisă şi necostisitoare de fabricare a pieselor complexe din materiale plastice, în serii de 30-50 bucăţi.

Această metodă de fabricaţie reproduce cu fidelitate detaliile de formă şi calitatea suprafeţelor modelului RP utilizat ca master.

Materialele utilizate la turnarea sub vid sunt diferite tipuri de răşini, materiale plastice şi cauciuc. Proprietăţile mecanice ale pieselor de plastic fabricate prin turnare sub vid, sunt comparabile cu cele ale pieselor fabricate prin injecţie de mase plastice.

2.3. Prezentarea echipamentului

Centrul de Fabricare Rapidă a Prototipurilor din cadrul Universităţii Tehnice din

Cluj-Napoca, utilizează o maşină de turnare sub vid de tip MCP-001 PLC, care este prezentată în

figura 1.

Fig. 4.3 Vedere generală a maşiniiFig. 1. Maşina de turnare sub vid MCP-001 PLC

3

După finisarea şi verificarea modelului RP utilizat ca master (model fabricat pe unul din sistemele LOM, FDM sau SLS de ex.), în general, tehnologia de fabricare prin turnare sub vid se derulează în două etape:

• Formarea matriţelor din cauciuc siliconic • Turnarea pieselor în matriţe din cauciuc siliconic

3. FABRICAREA MATRIŢELOR DIN CAUCIUC SILICONIC

Pentru fabricarea matriţelor din cauciuc siliconic necesare, se parcurg următoarele etape de lucru:

1. Verificarea modelului master, (figura 2) care poate fi fabricat rapid, folosind oricare din metodele RP existente: stereolitografia, sinterizarea selectivă cu laser, depunerea de material topit (FDM), depunerea straturilor succesive (LOM) etc.

2. Curăţirea modelului master şi aplicarea unor substanţe chimice care să prevină lipirea siliconului de suprafaţa modelului (figura 3).

3. Stabilirea planului de separaţie a viitoarelor matriţe din cauciuc siliconic şi materializarea acestuia prin lipirea unei benzi adezive la nivelul acestui plan (figura 3).

4. Colorarea conturului planului de separaţie pentru a fi vizibil prin cauciucul siliconic semi-transparent, dupa turnarea acestuia în jurul piesei (figura 4).

5. Fabricarea unei cutii din lemn sau plastic, care să încadreze modelul RP şi în care să se poata turna cauciucul siliconic(CS) în stare lichidă. Aşa cum se observă în figura 5, modelul RP nu trebuie să atingă baza cutiei. S-a ataşat modelului o tija verticală, care va fi înlăturată după

Fig. 2 Verificarea modelului Fig. 3 Pregătirea modelului

Fig. 3 Stabilirea planului de separaţie

Fig.4 Marcarea conturului planului de separaţie

4

turnarea CS şi astfel va rezulta pâlnia de turnare din semimatriţa superioară. 6. Suspendarea modelului în cutia de formare şi ataşarea unor sârme orizontale de susţinere şi a

unor sârme verticale care vor crea canalele de aerisire necesare pentru evacuarea aerului din cavitatea dintre viitoarele semimatriţe (figura 6).

7. Turnarea CS în cutia de formare (figura 7). Anterior turnării, CS este introdus într-o incintă vidată, pentru degazeificare.

8. După turnarea în cutia de formare, CS este introdus din nou în incinta vidată, pentru eliminarea bulelor de aer acumulate la turnarea acestuia în jurul modelului master RP. In continuare, cutia conţinând CS turnat, este introdusă în cuptorul de polimerizare, unde are loc solidificarea blocului de CS (figura 8).

9. După polimerizarea totală, blocul de CS este scos din cutia de formare. Printr-o operaţie manuală se taie cu bisturiul planul de separaţie dintre cele două semimatriţe (figura 9). Pentru aceasta, se urmăreşte cu atenţie traseul marcat în etapa 4, pe marginea benzii adezive aplicate pe modelul master RP, la nivelul planului de separaţie.

Fig. 5 Fabricarea cutiei de formare

Fig. 6 Suspendarea modelului şi marcarea reţelei de aerisire

Fig. 7 Turnarea amestecului de CS

Fig. 8 Degazeificarea şi solidificarea matriţelor din CS

Fig 9 Tăierea planului de separaţie

Fig. 10 Înlăturarea modelului şi pregătirea matriţelor

5

10. Deschizând cele două semi-matriţe din CS, se înlătură modelul master utilizat. Astfel rezultă cele două semimatriţe, care acum sunt pregătite pentru turnarea sub vid a pieselor dorite (figura 10).

După formarea matriţelor din CS, urmează turnarea sub vid a pieselor care vor fi copii fidele a modelului master utilizat. In funcţie de complexitatea şi de fineţea detaliilor, durabilitatea matriţelor din CS variază între 30 şi 60 bucăţi.

4. TURNAREA SUB VID A PIESELOR DIN RĂŞINĂ ÎN MATRIŢELE DIN CAUCIUC SILICONIC

Turnarea sub vid a pieselor din răşină în matriţele din cauciuc siliconic se desfăşoară parcurgând următoarele etape: 1. Legarea celor două semimatriţe cu bandă adezivă şi montarea pâlniei de turnare (figura 11). 2. Măsurarea precisă a cantităţilor necesare ale celor doi componenţi A şi B, din care se

compune răşina care se utilizează la turnarea pieselor (figura 12). Un exemplu de astfel de răşină este SG95. Cantităţile necesare din cei doi componenţi ai răşinii SG95 sunt pregătiţi în cele două căni A şi B ale maşinii de turnare sub vid.

3. Amplasarea corespunzătoare a celor două căni A şi B în camera de vid a maşinii (figura 13).

4. Odată programat, ciclul se desfăşoară automat. Are loc amestecarea celor doi componenţi şi apoi turnarea automată (figura 14).

Fig. 11 Pregătirea matriţelor pentru turnare

Fig. 12 Pregătirea materialelor necesare pentru turnarea sub vid

Fig. 13 Introducerea materialelor în incinta vidată

Fig. 14 Programarea ciclului pentru turmarea automată

6

5. Prin pâlnia flexibilă amestecul format se toarnă în matriţele din CS până când se observă că răşina iese prin toate canalele de aerisire. Urmează introducerea pachetului de matriţe în cuptorul de polimerizare, unde are loc solidificarea piesei turnate, prin polimerizare termală (figura 15).

6. După scoaterea din cuptor, se desface banda care leagă cele două semimatriţe şi se extrage piesa turnată. Apoi, semimatriţele din CS se leagă din nou cu bandă şi se pregătesc pentru turnarea următoarei piese (figura 16).

7. Aşa cum se observă din figura 17, piesa turnată este o reproducere fidelă a modelului master RP. Se taie tijele din plastic rămase datorită găurilor de aerisire şi pâlniei de turnare.

8. Se verifică precizia piesei obţinute prin turnare sub vid (figura 18). Răşina SG95, utilizată pe

scară largă la turnarea sub vid, este transparentă. Pentru obţinerea unor piese funcţionale de formă complexă, cum ar fi o lampă de semnalizare auto, în etapa 2 se adaugă şi un pigment de culoare, odata cu pregătirea celor doi componenţi.

Acest proces de turnare sub vid este deja utilizat pe scară largă la dezvoltarea de produse

noi, în industria constructoare de maşini, industria de fabricaţie a produselor electro-casnice etc.

Fig. 15 Polimerizarea termală a piesei

Fig. 16 Extragerea piesei turnate

Fig. 17 Finisarea piesei turnate Fig.18 Verificarea piesei turnate

7

5. DESFĂŞURAREA LUCRĂRII

După studierea lucrării studenţii vor face cunoştinţă efectivă cu echipamentul MCP 001

PLC de turnare sub vid, urmărind procesul de fabricaţie al unei matriţe din cauciuc siliconic (pe un

studiu de caz), respectiv procesul de turnare sub vid al pieselor din răşină utilizând această matriţă.

Vor fi analizate piesele din răşină turnate în matriţa din cauciuc siliconic (fig.22), matriţa

propriu-zisă (fig.20,21), respectiv modelul master RP (fig.19) şi se vor face aprecieri asupra

calităţii şi preciziei pieselor turnate în comparaţie cu modelul master RP. De asemenea vor fi

analizate aspecte ce privesc rolul, locul şi utilitatea tehnologiilor de fabricare rapidă a matriţelor

flexibile în cadrul tehnologiilor de fabricaţie.

fig.19 Modelul master RP (fabricat pe echipamentul LOM) folosit pentru fabricarea matriţei din

cauciuc siliconic

fig.20 Matriţa din cauciuc siliconic fig. 21 Matriţa închisă- se observă

fabricată în cadrul Centrului de Fabricare planul de separaţie

Rapidă a Prototipurilor din cadrul UTCN

8

fig. 22 Piesele din răşină turnate în matriţa din cauciuc siliconic

6. APLICAŢII INDUSTRIALE ŞI CONCLUZII

Cererea de soluţii de scule flexibile şi cât mai puţin costisitoare s-a concluzionat în mai

multe metode de realizare a unor scule flexibile care s-au dezvoltat în întreaga lume. Multe

companii au urmărit dezvoltarea şi comercializarea de scule flexibile datorită potenţialului de

cerere a acestora pe piaţă. Proiectanţii trebuie să dezvolte mereu idei noi de produse modernizate,

pentru a răspunde cerinţelor tot mai exigente. Succesul unui produs industrial depinde nu doar de

caracteristicile sale tehnice, ci şi de factori comerciali, cum ar fi costul şi timpul de lansare pe

piaţă. Sculele flexibile sunt asociate astfel în mod normal cu costurile scăzute. Practic orice sculă

sau matriţă poate fi adaptată sau schimbată total, în vederea fabricării unui alt produs.

In cazul pieselor ce urmează a fi folosite ca prototipuri, sau pentru producţia de serie mică,

pot fi cerute materiale cu proprietăţi diferite decât cele disponibile, oferite de procesul de fabricaţie

rapidă a prototipurilor. In timp ce de obicei materialul de bază cerut este un material plastic,

modelele RP fac parte dintr-o altă categorie de materiale. Principalul mijloc de realizare a unor

cantităţi mici de piese polimerizate este acela de folosire a matriţelor din cauciuc siliconic

Aceasta este o metodă standard de realizare a unor cantităţi mici de piese polimerizate.

Orice piesă generată prin RP poate fi folosită ca model în realizarea matriţei din cauciuc siliconic.

Aceste scule pot fi folosite pentru matriţarea unor piese în serii mici şi mijlocii, într-o largă

varietate de poliuretan, răşini epoxidice sau alţi polimeri. Câţiva dintre aceşti polimeri au

proprietăţi care imită materiale termoplastice specific inginereşti, şi este de asemenea posibil ca

prin îmbunătăţirea lor să-şi mărească rezistenţa. Metoda nu realizează o piesă care este identică cu

o piesă matriţată prin injecţie, deoarece condiţiile de fabricaţie nu sunt aceleaşi. Piesele matriţate

prin injecţie pot avea proprietăţi mecanice anizotrope importante din punct de vedere funcţional

9

care depind de exemplu de modul de curgere şi de răcire al materialului în matriţă. In pofida

acestora, cauciucul siliconic nu este scump, oferă o bună precizie şi calitate, şi piesele realizate

sunt de cele mai multe ori adecvate pentru prototipuri sau serii mici de fabricaţie. Materialele sunt

de obicei folosite în formă naturală, iar vopsirea şi alte operaţii secundare pot conduce la obţinerea

unor piese foarte atractive.

Matriţele din cauciuc siliconic sunt cel mai des folosite în procese de turnare

manuală, dar recent au apărut din ce în ce mai multe tehnologii automatizate. Aşa-numitele

sisteme de matriţe de injecţie pot produce câteva piese pe oră cu ajutorul matriţelor din

cauciuc. Matriţele rezistă de asemenea mai mult din cauză că au fost expuse unor procese

chimice.

CONCLUZII

Sculele din silicon pot fi cu precădere folosite pentru matriţarea câtorva piese

înainte de a deveni necesară înlocuirea lor. Numărul depinde de cerinţele de precizie şi

calitate şi de geometria specifică produsului respectiv.Este posibilă realizarea mai multor

piese simple dintr-o singură matriţă din cauciuc siliconic, dar 10 sau12 sunt reprezentative

dacă piesele sunt mai complexe. Este adesea necesară înlocuirea de asemenea a modelului

generat prin RP, fapt ce depinde de numărul de matriţe care trebuie făcute şi de

consideraţiile geometrice şi de precizie.