proiect t.n

UNIVERSITATEA TEHNICĂ din CLUJ-NAPOCAFACULTATEA: CONSTRUCŢII de MAŞINIFiliala:Satu-MareSpecializarea:Ingineria Industrială

LUCRARE DE PROIECTLA

TECHNOLOGII NECONVENCTIONALE

an. III Semestrul II. 2009-2010


Tema de proiect

Să se proiecteze prin tehnologia neconvenţională de fabricaţie a piesei “ rozetă robinet “, din material OŢEL, seria de fabricaţie 100 bucăţi. - tehnologii de fabricare rapidă a prototipurilor prin SLS


1.Materia primă: oţel

Oţelul este un aliaj ce conţine ca elemente principale fierul şi carbonul, având un conţinut de carbon sub 2,11 %. Aliajele fier-carbon cu mai mult de 2,11% carbon se numesc fonte. Oţelurile sunt materialele cu cea mai largă utilizare în industrie. Proprietăţile lor pot să varieze în limite foarte largi în funcţie de conţinutul de carbon şi de alte elemente de aliere.

În funcţie de conţinutul în elemente de aliere, oţelurile se împart în:

oţeluri nealiate (numite şi oţeluri carbon), care conţin ca elemente principale doar fierul şi carbonul

oţeluri aliate, care pe lângă fier şi carbon conţin şi alte elemente: nichel, crom, molibden, vanadiu etc.

În condiţii de echilibru, cei mai importanţi constituenţi ai oţelurilor nealiate sunt ferita, austenita, cementita şi perlita.

Pentru a îmbunătăţi cât mai mult duritatea şi rezistenţa oţelurilor, acestea se supun de regulă unor tratamente termice cum ar fi călirea sau nitrurarea. Scopul final al unor asemenea tratamente este de obicei obţinerea martensitei

Prelucrarea la cald a otelului

Otelul este un aliaj din fier si carbon, unde procentul de carbon se regaseste in limitele normale de 0,02% si 6,5%. Carbonul, in functie de fazele prin care trece, se regaseste in diferite interstitii sau modificari cristaline, care sunt diferit de mari si care cauzeaza diferite distorsiuni ale retelei atomice. Deseori se aliaza si cu alte metale cum ar fi cromul, cobaltul, manganul. Fierul pur se afla de la temperatura ambianta pana la temperatura de 911°C in structura cristalina cubica cu volum centrat (faza α) si se mai numeste si ferita.La temperaturi mai inalte, intre 911°C si 1392°C este in structura cristalina cubica cu fete centrate (faza γ) care se numeste si austenita si care intr-un interval foarte mic formeaza o retea cristalina cubica cu volum centrat numita si faza δ sau δFe.

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Martensit%C4%83&action=edit&redlink=1

http://ro.wikipedia.org/wiki/Nitrurare

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=C%C4%83lire&action=edit&redlink=1

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Tratament_termic&action=edit&redlink=1

http://ro.wikipedia.org/wiki/Perlit%C4%83

http://ro.wikipedia.org/wiki/Cementit%C4%83

http://ro.wikipedia.org/wiki/Austenit%C4%83

http://ro.wikipedia.org/wiki/Ferit%C4%83

http://ro.wikipedia.org/wiki/Vanadiu

http://ro.wikipedia.org/wiki/Molibden

http://ro.wikipedia.org/wiki/Crom

http://ro.wikipedia.org/wiki/Nichel

http://ro.wikipedia.org/wiki/Font%C4%83

http://ro.wikipedia.org/wiki/Carbon

http://ro.wikipedia.org/wiki/Fier

http://ro.wikipedia.org/wiki/Element_chimic

http://ro.wikipedia.org/wiki/Aliaj


In functie de reteaua cristalina, carbonul se regaseste fie in forma tetraedrica sau octaedrica a retelei cristaline a fierului, care au marimi diferite si care la inmagazinarea atomilor de carbon duce la diferite distorsiuni ale structurilor cristaline / atomice. La un continut mai ridicat de carbon in fier se formeaza ledeburita, o faza de amestec dintre austenita si cementita. Aceste faze sunt descriese in "Diagrama de echilibru fier-carbon" aici o prezentare mai simpla:

Propriatatile otelului cum ar fi duritatea sau tenacitatea se determina in functie de distorsiunile structurii cristaline cat si a eliminarii si marimi cristalitelor. Prin diferite procese termice, se pot modifica dupa bunul plac proprietatile otelului.Koyo Thermo Systems va ofera tehnologia si o varietate de cuptoare industriale pentru recoacere, maleabilizare, calire, revenire, durizare, calirea suprafetelor prin carburare, carbonitrare, nitrare si nitrocarburare

La operatiunea de calire a otelului nealiat se incalzeste in prima faza piesa ce urmeaza a fi prelucrata, la o temperatura intre 800°C-900°C, daca e cazul unui otel cu continut scazut de carbon, si cu continut mare de austenit. La otelurile aliate, temperaturile pot avea variatii inseminate.Pentru a impiedica coroziunea se insufla in cuptor gaz exoterm. Exotermele se pot obtine cu un generator de gaze, care se genereaza din hidrocarburi si mai contine pe langa CO si H2, N2, CO2 si H2O.


Generator pentru obtinerea de gaze exoterme

Dupa maleabilzare, otelul se va raci / cali rapid pentru a impiedica o migrare a atomilor de carbon pe structuri mai convenabile, acesta deoarece viteza de difuziune a atomilor de carbon devine destul de mica pentru a mai permite un schimb a structurii, respectiv a retelei atomice. Structura cristalina a fierului se modifica totusi la temperatura scazanda astfel formanduse martensita sau asa zisa transformare martensitica, denumit si otel martensitic. Din cauza defectelor in structura si a tensiunilor, martensita este casanta, foarte dura si aspra dar si greu deformabila. La piese groase sunt necesare sesiuni de racire inalte pentru a permite calirea lor. In practica piesele se racesc in ulei sau bai cu apa. Cea mai efectiva este calirea in apa deoarece apa are proprietatea de a a dispersa bine caldura.La scufundarea in baia de apa se formeaza in prima faza pe suprafata piesei un strat de abur, rau dispersor de caldura, acest fenomen numinduse si "Efect Leidenfrost". Trebuie urmarit ca piesa sa fie in asa fel scufundata ca lichidul sa aibe un contact pe toata suprafata sa. Alternativ se pot folosi si diferite solutii polimerice care se pot adauga la baia de calire. Incalzirea pieselor se poate efectua in cuptoare transportoare actionate cu lant sau cuptoare actionate cu role transportoare (conveioare), piesele cazand sau alunecand la capatul acestora in baia de calire sau mai pot ajunge si intr-un cuptor cu hota la

http://www.crystec.com/kllexoe.htm


care incarcarea se face de jos in sus permitand astfel o evacuare rapida a pieselor de dimensiuni mari.

Dupa calirea in ulei sau emulsii este necesara o spalare a pieselor inainte de a intra in cuptorul de maleabilizare. Va prezint o gama intreaga de astfel de masini de spalat totodata existand si posibilitatea integrarii masinilor de spalat in cuptoare de calire. Astfel toti acesti pasi cum ar fi incalzirea, calirea, spalarea si revenirea se pot face cu o singura instalatie.

La intervalul de temperatura de sub 100°C, rezulta o imbogatire cu atomi de carbon in zona cu defecte ale structurii atomice a otelului martensitic. La temperaturi intre 100°C si 200°C atomi de carbon incep sa migreze din pozitiile nefavorabile ale structurii. Incepe eliminarea de cementita. La continuarea cresteri temperaturii acest process se amplifica. Peste temperatura de 320°C practic toti atomii de carbon parasesc pozitiile nefavorabile ale structurii iar la temperatura de 400°C nu mai au loc schimbari la nivel structural iar otelul devine moale. La otelurile aliate cu crom, vanadiu, molibden si wolfram, duritatea ia amploare in acest interval de temperatura cand se fac cedari de carbizi.Calirea secundara este importanta pentru prefabricate, deoarece trebuie sa isi pastreze duritatea si la temperaturi inalte. Otelul incalzit la 900°C-1000°C in cuptoarele de cementare respectiv cuptoare de maleabilizare / revenire, preia carbon din gazul endoterm. Concentratia de carbon se poate creste pana la limita de solubilizare si transforma in austenita (adancimea de cca. 1 mm). Aici va pune la dispozitie cuptoarele de tip KCF. Procesul de cementare se poate efectua cu ajutorul cuptoarelor continue sau cu ajutorul unui dispozitiv discontinuu. Sistemele de transport intr-un cuptor cu trecere continua pot fi sisteme cu role ceramice, transport cu grilaje sau cu propulsie. Si cuptoarele cu vatra rotativa se utilizeaza in acest process. In aceste dispozitive se pot integra si operatiile de calire, spalarii pieselor cat si a procesului de cementare.


Cuptor cu propulsie si role ceramice

Cuptor continuu pentru cementarea otelului actionat cu lant

Cuptor continuu cu vatra rotativa pentru procesul de cementare a otelului


2.Tehnologia clasică de fabricaţie

TURNAREA SUB VID

Turnarea in forme vidate este o tehnologie moderna prin care se realizeaza economii substantiale de energie si de materiale auxiliare si o calitate superioara a pieselor obtinute.

Tehnologia de lucru

Lingotiera din fonta prezentata in Figura 1 clasic se obtine prin turnarea in forme temporare din amestec, procedeu care prezinta urmatoarele dezavantaje: consumuri mari de nisip special de turnatorie; consum de lianti si de materiale auxiliare pentru dezbatere; manopera mare la dezbatere si la curatare; consum

suplimentar de energie; rebut considerabil datorat suflurilor; consum suplimentar datorita inclinatiilor de demulare.

Turnarea in vid elimina total sau partial aceste deficiente prin solutiile adoptate, si anume: reducerea consumului de nisip cuartos cu 60%, a consumului de lianti


si de materiale auxiliare cu peste 60%, a manoperei de curatare si dezbatere cu circa 30%, a consumului de metal cu 6%, a consumului de energie cu 35% prin renuntarea la folosirea unor utilaje din statiile de preparat amestec si eliminarea rebutului datorat suflurilor.

In Figura 2 sunt ilustrate comparativ tehnologiile de turnare, de unde rezulta noile solutii adoptate: micsorarea adaosurilor de prelucrare; combinarea planurilor de separatie orizontale, in vechea varianta, cu un plan de separatie vertical prin axa urechilor de manevra, care permite: obtinerea urechilor fara miezuri laterale; centrarea perfecta a miezului central M1 prin imperecherea cu M3 in interiorul formei vidate; micsorarea avansurilor de prelucrare in partea superioara la turnarea in vid s-a realizat prin masuri tehnologice,

respectiv reducerea procentuala a S+P si cresterea procentuala a C+Si.

Succesiunea fazelor de formare in forma vidata este aratata in Figura 3 - a, b, c, d, e, f, g, h.


Fig. 3 a) Aducerea modelului cu placa portmodel in pozitie orizontala si a platformei radiante cu folia pentru mulare deasupra acestora.

Fig. 3 b) Incalzirea si mularea foliei peste model si placa prin crearea in incinta placii si a modelului a unei depresiuni la nivelul 0,3-0,4 bari.

Fig. 3 c) Asezarea si etansarea ramei cu pereti dubli si ferestre pentru depresurizare peste placa cu folia mulata pe model.

Fig. 3 d) Bascularea in plan vertical a ansamblului placa-rama si alimentarea cu nisip uscat


Fig. 3 e) Etansarea la partea superioara a ramei cu folie si consolidarea semiformei prin cuplare la vid 0,3-0,4 bari.

Fig. 3 f) Demularea primei semiforme de pe placa prin intreruperea vidului si cuplarea aerului sub presiune in incinta placii portmodel-model.

Fig. 3 g) Montarea primei semiforme vidate peste forma inferioara din amestec clasic pregatita in prealabil (forma inferioara este

impachetata cu miezurile M1 si M2).

UNIVERSITATEA TEHNICĂ din CLUJ-NAPOCAFACULTATEA: CONSTRUCŢII de MAŞINIFiliala:Satu-MareSpecializarea:Ingineria IndustrialăFig. 3 h) Montarea celei de a doua semiforme vidate concomitent cu miezul M3

si asigurarea pentru turnare a formei.

Forma asamblata in final si pregatita pentru a fi turnata are in componenta ei si o palnie de turnare metalica de tipul celor prin care se toarna lingourile pentru roti si osii inzidita cu caramizi fasonate adecvate. Se prezinta ca in Figura 4.

Din momentul consolidarii semiformelor, acestea raman in contact cu statia de vidare prin reteaua de distributie pana la turnare si circa 25-30 de minute dupa terminarea turnarii.

Dupa racirea in forma, care dureaza circa 16 ore, demularea formei vidate se rezuma la deschiderea ansamblului si nisipul uscat curge in benele cu sertar.

Detasarea retelei de turnare se face o data cu dislocarea de pe forma inferioara a piesei turnate. Resturile de retea si rasuflatorile se detaseaza la curatare.

Dezbaterea miezului interior este usurata de:- golul realizat prin arderea funiei cu care este infasurata armatura metalica;- materialele auxiliare (magnezita si deporom) introduse in retea de miez.

Efortul de curatare este diminuat datorita faptului ca la exterior practic nu se mai intervine, iar la interior calitatea suprafetei este influentata de retea, de amestecul miezului si de vopseaua refractara folosita.


Piesa brut turnata este reprezentata in Fig. 5.

***

Data fiind eliminarea deficientelor enuntate la punctul 1, procedeul a fost omologat, in prezent realizandu-se pe aceasta dezvoltare circa 20 de bucati de lingotiere pe luna, ceea ce acopera necesarul uzinei de lingotiere, in acest caz renuntandu-se la colaborarea cu furnizorii de utilaj de turnare din tara.

In perspectiva sunt in curs de finalizare si de asimilare alte tipuri de lingotiere, ca urmare a actiunii de optimizare a formatelor de lingou pentru roti si osii.

In faza de proiectare exista variante de turnare a maselotierelor in stiva pe aceeasi instalatie, fara a fi nevoie de noi investitii.

3. Tehnologia neconvenţională de fabricaţie

Denumirea de Tehnologii Neconvenţionale ( TN ) este utilizată pentru o gamă largă de metode de îndepărtare de material din piesa de prelucrat, prin procese electrice, termice, chimice, eroziunea mecanică, etc. Tehnologiile


neconvenţionale au început a fi utilizat după cel de-al II-lea război mondial, ca răspuns la schimbările impuse asupra industriei de fabricaţie. Deşi iniţial tehnologiile neconvenţionale au fost concepute şi experimentate pentru a rezolva probleme deosebite şi uneori singulare din diferite sectoare economice ( industria aeronautică ), în prezent marea lor majoritate se utilizează cu succes în aproape toate ramurile industriale.

3.1. Fabricaţia prin sinterizare selectivă cu laser – SLS

Procedeul de fabricare rapidă a prototipurilor prin sinterizare selectivă cu laser se bazează pe materializarea unui produs CAD prin adăugare de straturi succesive. . Nu este necesară construirea de suporţi deoarece stratul de material anterior ( sinterizat sau nu ) constituie suport pentru stratul curent de material.

Sinterizare selectiva cu laser (SLS) este o tehnică de fabricare aditiv care foloseşte un laser de mare putere (de exemplu, un laser cu dioxid de carbon) să fuzioneze particule mici din plastic, pulberi metalice (Direct Metal Laser Sintering), ceramică, sticlă sau într-o masă reprezentând un obiect dorit 3-dimensional.

Comparativ cu alte metode de fabricare a aditivului, SLS poate produce piese dintr-o gamă relativ largă de materiale, cum ar fi de nailon, (îngrijite, de sticlă umplute sau cu alte umpluturi) , metale, inclusiv din oţel, titan, amestecuri de aliaj. Tehnologia SLS este utilizat la scară largă în întreaga lume, datorită capacităţii sale de a face cu uşurinţă geometrii foarte complexe de date digitale CAD. Deşi a început ca o modalitate de a construi piese prototip devreme în ciclul de proiectare, este tot mai folosit in fabricarea limitat să ruleze pentru a produce piese de la utilizatorii finali. Unul mai puţin de aşteptat şi în creştere rapidă în aplicare a SLS este utilizarea acestuia în artă.


- fig. 3.1.2. - Schema de funcţionare a SLS-ul

3.2. Itinerarul tehnologiei neconvenţionale

3.2.1. Obţinerea piesa master

Realizarea piesei începe construirea desenului 3D şi salvarea într-un fişier STL şi transcris în softul maşini SLS.


fig. 3.2.1

Sistemul laser (1) generează o radiaţie care este focalizată de lentila (2), şi direcţionată printr-un sistem de oglinzi (3), către suprafaţa platformei de lucru (6). La începutul procesului de lucru, platforma (6), se găseşte în poziţia superioară. Un sistem de alimentare (4), depune pe suprafaţa platformei un strat subţire de pulbere cu granulaţie fină 20-30 μm granulaţie de grosime controlată. Raza laser scanează suprafaţa platformei după o traiectorie corespunzătoare geometriei primei secţiuni prin piesa de


prelucrat. În urma procesului de scanare, radiaţia laser sinterizează local stratul de pulbere.

După ce radiaţia laser a scanat în întregime suprafaţa primului strat, platforma de lucru coboară pe o distanţă egală cu grosimea unui strat. Sistemul de alimentare cu material depune un nou strat de pulbere peste stratul precedent. Din nou radiaţia laser va scana stratul curent de pulbere în conformitate cu geometria noii secţiuni prin modelul solid al piesei de prelucrat. În timpul procesului, va exista un permanet control între grosimea stratului de pulbere depus de platforma de lucru, distanţa dintre secţiunile făcute de programul pe calculator prin modelul solid al piesei şi respectiv mărimea deplasării platformei de lucru după fiecare strat prelucrat. După terminarea ciclului se obţine piesa master.

3.2.2. Formarea matriţelor din ceară.

După finisarea şi verificarea modelului RP utilizat ca master., în general, tehnologia de fabricare prin turnare sub vid sederulează în următoare etape: Matriţa profilului interior.Matriţa profilului exterior.După curăţarea matriţei pe suprafaţa acesteia se aplică o soluţie de detensionare care să împiedice aderenţa cerii pe suprafeţele active ale acesteia. Se utilizează ulei siliconic cu temperatură ridicată de topire ce nu interacţionează cu ceara topită şi favorizează procesul de demulare.

Materialul fuzibil se introduce în matriţă în stare păstoasă, nu în stare lichidă, deoarece în stare păstoasă are contracţia liniară mai mică şi cedează mai puţină căldură matriţei.


După turnare în matriţă şi solidificare, pentru a se putea extrage modelele fuzibile din ceară sau amestec de stearină şi parafină din matriţă, se îndepărtează excesul de material ce ar putea conduce la apariţia tensiunilor mecanice mari în modelul din ceară care datorită caracteristicilor materialului s-ar putea deteriora.

După formarea matriţelor, urmează turnarea sub vid a pieselor care vor fi copii fidele a modelului master utilizat. In funcţie de complexitatea şi de fineţea detaliilor.

3.2.3. Turnarea sub vid

Turnarea sub vid este una dintre cele mai interesante şi spectaculoase aplicaţii de utilizarea modelelor RP la dezvoltarea de produse noi. Timpul este un factor crucia lîn 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. Turnarea sub vid este o tehnică modernă care şi-a dovedit oportunitatea şi eficienţatocmaiîn 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.

4.Compararea TN şi TC

Spre deosebire de alte tehnologii de fabricaţie care s-au dezvoltat pas cu pas dar au rămas tributare fundaţiei maşinii-unelte de la care s-a pornit în trecut ( de exemplu un strung CNC cu control adaptiv ), tehnologiile moderne de fabricare rapidă a prototipurilor ( FRP ) au apărut recent ( în jurul anului 1990 ), şi se bazează integral pe utilizarea calculatorului.


Avantajele constau în următoarele aspecte:

-nu este necesară nici o sculă specială de aşchiere sau deformare -precizia de fabricaţie este acceptabilă -timpul de fabricaţie este mult scurtat faţă de tehnologiile clasice -se pot fabrica piese oricât de complexe, cu preţuri rezonabile.

-schimbări şi corecţii numai în primele etape de dezvoltare ale unui nou produs.

După fabricare prototipului totdeauna apare necesitatea modificări unei model, înainte a omologarea produsului ( testări, seria zero ). Aceste schimbări vor implica costuri cu atăt mai mari cu căt necesitatea schimbări apare mai tărziu. Se observă că tehnologiei RP permit comprimarea etapelor şi reducerea timpului de dezvoltare a unui produs noi, costul de modificare este de mult diminor.

Bibliografie

1. - I. Vida-Simiti . Tehnologia Materialelor2. - N. Bâlc . . . . . . . Tehnologii Neconvenţionale, Editura Dacia – Cluj-

Napoca, 20013. - http://rapid-prototyping.harvest-tech.com/selective_laser_sintering.htm4. –www.lmp.uni-sb.de/

http://rapid-prototyping.harvest-tech.com/selective_laser_sintering.htm


5. –www.cfr/jf.romana/20016. –www.firme-constructii-case7 -P. Berce ş. a. . Fabricarea Rapidă a Prototipurilor, Editura Tehnică – Bucureşti, 20008- http://www.3dsystems.com/products/sls/sinterstation_hiq/datasheet.asp

http://www.3dsystems.com/products/sls/sinterstation_hiq/datasheet.asp

proiect t.n

Documents