ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ & ΠΡΩΤΟΤΥΠΟΠΟΙΗΣΗ Βιβλίο Αθανασίου Κουζέλη 5ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ Η μεθοδική του σχεδίου στη βιομηχανική μορφοδοσία : από το σκαρίφημα, μέχρι τη προδιαγεγραμμένη σχεδίαση της μορφής του χρηστικού προϊόντος Η μεθοδική του σχεδίου ή σχεδιαστική μεθοδολογία, αποδίδει τη μορφή σε κάθε είδους βιομηχανικό χρηστικό προϊόν και δημιουργείται από την εισαγωγική ιδέα, δηλαδή μια νοητή κατασκευή (ιδεατή), η οποία με τις βασικές γεωμετρικές πράξεις (τεκτονικές ή στερεοδομικές) συγκροτεί μια τυπική και γενική μορφή του αντικειμένου. Η εισαγωγική ιδέα ή ιδέα , είναι η οποιαδήποτε ιδέα που προετοιμάζει την σχεδίαση της ολοκληρωμένης μορφής του τελικού προϊόντος. Η εισαγωγική ιδέα αποδίδεται σχεδιαστικά με το σκαρίφημα (σκίτσο ή προσχέδιο). Το σκαρίφημα είναι μια σχεδιαστική πρακτική, μια συνοπτική έκφραση της ιδέας, που προδιαγράφει την τελική σύνθεση.  Το σκαρίφημα καταγράφεται ιχνογραφώντας πάνω σε χαρτί , με μολύβι ή άλλα τεχνικά μέσα, , όλους τους συλλογισμούς του μορφοδότη για τη γενική διάταξη και οργάνωση του αντικειμένου, με στερεοδομικό ή τεκτονικό τρόπο, ώστε να η μορφή να αποδίδεται με σαφήνεια. Αυτές οι γεωμετρικές πράξεις – τεκτονικές, στερεοδομικές .  Το σκαρίφημα, δεν αποδίδει μόνον οπτικά την ιδέα, αλλά και αποκρυσταλλώνει το τι πρέπει να και το τι δεν πρέπει να επιδιωχθεί, ώστε η μορφή να ανταποκρίνεται τόσο στη βιομηχανική παραγωγή όσο και στην πρακτική της λειτουργία. Κατά τη διαδικασία αυτή, ο σχεδιαστής αναπλάθει συνεχώς την ιδέα, μέχρις ότου καταλήξει σε μια εναλλακτική επιλογή για τη μορφή που θέλει να αποδώσει στο αντικείμενό του. 1 Η παραστατικότητα της εισαγωγικής ιδέας είναι ασταθής, επειδή κάθε νέα πληροφορία για το είδος, το σκοπό, την τεχνική, κλπ της μορφής, αναγκάζει τον μορφοδότη να αναπτύξει περαιτέρω την ιδέα του, χρησιμοποιώντας την παραστατική και προβολική γεωμετρία, δημιουργώντας έτσι την παραστατική απεικόνιση της μορφής. Ειδικότερα, τα προοπτικά σχέδια αποδίδουν γεωμετρικές και άλλες ιδιότητες του υπό μελέτη αντικειμένου, χωρίς απαραίτητα να καταγράφονται σ’ αυτά οι μηχανικές και τεχνικές λεπτομέρειες για την κατασκευή και τη λειτουργική του σκοπιμότητα. Στη βιομηχανική μορφοδοσία, το σκαρίφημα δεν αποδίδει μόνο την οπτική ενός προϊόντος, αλλά αποκαλύπτει και τον τρόπο σύνθεσης της μορφής . Επομένως, η σχεδιαστική μέθοδος προσδιορίζει τη σύνθεση της μορφής. Με το σκαρίφημα αποφασίζονται η τάξη μεγέθους και οι αναλογίες - Δεν είναι απαραίτητο να προδιαγράφονται οι τυχόν αποκλίσεις – Δεν δίνεται η κλίμακα σχεδίασης, προτού αποφασιστεί η αποδοχή της μορφής. 1. Μεθοδολογίες Σχεδιασμού Μέθοδος Doblin : η μορφή του αντικειμένου εγγράφεται σ’ ένα νοερό στερεό (κύβο ή ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο) και στηρίζεται σε ένα επίπεδο, το οποίο είναι διαμοιρασμένο σε ίσα τετράγωνα. Η εικόνα που σχηματίζεται είναι ανάλογη με εκείνη του προοπτικού σχεδίου με δύο σημεία φυγής, όπου οι προοπτικές ευθείες αποκλίνουν στα σημεία φυγής κατά 30 ο αντίστοιχα, ως προς τη γραμμή του ορίζοντα.  Αν ο κύβος ή το παραλληλεπίπεδο τοποθετηθεί στο ακραίο τετράγωνο του επιπέδου στήριξης και εγγραφεί στον ισομετρικό ή αξονομετρικό όγκο του, τότε καθορίζονται οι βασικές γεωμετρικές ιδιότητες της μορφής, η διάρθρωση και η σύνθεση της.  Ο κύβος ή το παραλληλεπίπεδο, χρησιμοποιώντας ένα τρίτο σημείο φυγής κατακόρυφο, παίρνει μια πιο ρεαλιστική μορφή. Στη διαδικασία αυτή, οι τρεις βασικοί άξονες ( ύψος, πλάτος, βάθος) της μπροστινής κορυφής του ισομετρικού ή αξονομετρικού κύβου ή παραλληλεπιπέδου, παραμένουν σταθεροί μέσα στην προοπτική εικόνα. Έτσι, διασφαλίζεται η στατική οργάνωση της μορφής, σε απόλυτη αντιστοιχία με την αντικειμενική εμφάνισή της, ώστε με τα βιομηχανικά μέσα να μπορέσει να υλοποιηθεί σε προϊόν. 2 Μέθοδος Monge : Με ορθές προβολές, η μορφή αποκαλύπτεται ως στερεό, με όλες τις πλευρές και τις πτυχές της και μπορούμε έτσι να μελετήσουμε και να επεξεργαστούμε τα μετρικά της στοιχεία σε όγκο, επιφάνεια και μάζα. Με τη μέθοδο αυτή, η μορφή εντάσσεται σε ένα σύστημα τριών επιπέδων προβολής : ένα οριζόντιο και ένα κατακόρυφο, που αλληλοτέμνονται υπό ορθή γωνία. Εδώ, το αντικείμενο προβάλλεται ως όγκος ή ως επιφάνεια, ανάλογα με τις διαστάσεις που καταλαμβάνει στο χώρο. Με γεωμετρικές παραδοχές και πράξεις επιτυγχάνεται μία αντιστοιχία ανάμεσα στη μορφή στο χώρο και στα σχήματα που βρίσκονται στα επίπεδα προβολής. Η επιλογή των γεωμετρικών παραδοχών και πράξεων, πρέπει να ικανοποιούν τα εξής : 1. Ο χωρικός όγκος ή το σχήμα της μορφής, να γίνονται αντιληπτά, όταν την παρατηρούμε από μία ορθοοπτική, ως προς αυτήν θέση. 2. Να αποδίδεται απλά η αντιστοιχία της μορφής ως προς τον όγκο/σχήμα και ως προς την εσωτερική και εξωτερική σύνθεσή της. 3. Να υπάρχει η δυνατότητα γεωμετρικής επανακατασκευής του όγκου/σχήματος 4. Η μορφή και όλα τα προβολικά της στοιχεία να είναι συμβατά με την παραγωγική διαδικασία 5. Η συγκρότηση της μορφής να έχει ως αφετηρία είτε την τεκτονική είτε τη στερεοδομική μέθοδο, που καθιστούν εφικτή την τελική σύνθεσή της. Δεδομένου ότι η μορφή βρίσκεται πάντοτε μπροστά από το σύστημα των τριών επιπέδων προβολής, οι ορθογραφικές προβολές καταγράφονται ως μία κάτοψη (στο κάτω οριζόντιο επίπεδο ) και σε δύο πλάγιες όψεις (στο δεύτερο και τρίτο κατακόρυφο επίπεδο. Οι τρεις αυτές προβολές ανάγονται σε ένα ενιαίο σύστημα επίπεδης παράστασης, που προκύπτει από την περιφορά γύρω από τον άξονα τομής και την κατάκλιση πάνω στο επίπεδο της οπίσθιας όψης των δύο άλλων επιπέδων προβολής, σαν μια καρτεσιανή κατασκευή. Αυτό επιτρέπει την ακριβή απεικόνιση διαφόρων στερεοτομιών που συγκροτούν τη μορφή (π.χ. τομή στερεού με επίπεδο, αλληλοδιείσδυση στερεών, κλπ) , καθώς και τους μετασχηματισμούς των στερεών σε ογκοπλαστικές συνθέσεις, με βάση την αναλυτική και παραστατική γεωμετρία. 3 Η επιλογή της μεθόδου ορθογραφικών προβολών εξαρτάται από :  Τη σύνθεση, τη διάταξη και τον όγκο της μορφής,: Οι Ευρωπαίοι σχεδιαστές ακολουθούν τις ορθογραφικές προβολές της «πρώτης γωνίας» (σχεδιάζεται η πρόσθια όψη πάνω από την κάτοψη και δίπλα της η πλάγια όψη της μορφής, με κατάκλιση και περιστροφή γύρω από τους άξονες τομής των επιπέδων προβολής που ανήκουν) . Οι Ιάπωνες ακολουθούν τις ορθογραφικές προβολές της τρίτης γωνίας: σχεδιάζουν την πρόσθια όψη κάτω από την κάτοψη και δίπλα της την πλάγια όψη, με την ίδια διαδικασία των Ευρωπαίων.  Από τη σκοπιμότητα που εξυπηρετεί η εφαρμογή της μεθόδου. Π.χ. για τη σχεδίαση ενός ψαλιδιού, κατάλληλες είναι οι ορθογραφικές προβολές «τρίτης γωνίας». Αντίθετα, για ογκώδη αντικείμενα, προτιμώνται οι ορθογραφικές προβολές «πρώτης γωνίας». Τα μειονεκτήματα της μεθόδου ορθών προβολών : 1. Δεν ανταποκρίνεται στην απεικόνιση οργανικών μορφών. 2. Η σχεδίαση όγκων ή επιφανειών με διπλή καμπυλότητα, με ορθογραφικές προβολές, αποδίδει μία αλληλουχία τομών και προεκβολών, που δεν μπορούν να συνδεθούν, λόγω της πληθώρας των γεωμετρικών κατασκευών. Στην περίπτωση αυτή, ο μορφοδότης καθοδηγείται από τη διαίσθησή του και τη φαντασία του, προκειμένου να βρει τα στοιχεία εκείνα που αποσυνθέτουν την ακρίβεια και τη σαφήνεια της μορφής. Τι εξυπηρετούν οι ορθογραφικές προβολές : Οι ορθογραφικές προβολές εξυπηρετούν την προβολική κατασκευή στερεών, τις στερεοτομίες και την κατάκλιση αναπτυγμάτων, μέσα από τα οποία αποκαλύπτεται η μορφή. Μεταθέτοντας τη δεύτερη πλάγια προβολή στο επίπεδο της πρώτης, όπου έχει κατακλιθεί και η οριζόντια προβολή, επιτυγχάνονται οι συντεταγμένες της οριζόντιας και κατακόρυφης στοίχισης. Ειδικότερα, διευκολύνεται η κατά μήκος και κατά ύψος ανάπτυξη όλων των επιπλέον χρήσιμων προβολών (π.χ. τομές, τομόψεις), καθώς επίσης και οι υπόλοιπες πέραν των τριών βασικών όψεων της μορφής. Για τις σημάνσεις των συντεταγμένων χρησιμοποιείται ειδικός μετρικός κάνναβος (grid) ,ενώ για τις γεωμετρικές κατασκευές , οι διακριτικές βοηθητικές γραμμές. 4 Σχεδίαση με υπολογιστικά συστήματα (Η/Υ) Η παραστατική ιδέα, που σχεδιάζεται με τα σύγχρονα λογισμικά προγράμματα, αποδίδει μια περίβλεπτη μορφή, μέσα από μια κλιμάκωση των θέσεων, από τις οποίες ο μελετητής/παρατηρητής βλέπει τη μορφή. Αντίθετα, στις συμβατικές επί χάρτου μεθόδους, η εντύπωση που δίνει η μορφή προέρχεται από μία και μοναδική θέση του παρατηρητή. Με τα λογισμικά τρισδιάστατης απεικόνισης (3D), η μορφή μπορεί, επίσης, να κινείται, να περιστρέφεται επαναληπτικά και να προβάλλεται με φωτισμό. Η σχεδίαση μέσω Η/Υ γίνεται με λογισμικό , που ονομάζεται «κατασκευαστής στερεών» (solids moduller). Δίνει μια τρισδιάστατη απεικόνιση της μορφής, που προκύπτει είτε με γεωμετρικές πράξεις Boole (ένωση, διαφορά, αλληλοτομή), πάνω σε αρχέτυπα στερεά (κώνος, κύβος, κύλινδρος, σφαίρα), είτε προεκτείνοντας ένα δισδιάστατο σχήμα στο χώρο είτε περιστρέφοντάς το γύρω από ένα νοητό άξονα. Επίσης, γίνονται οι απαιτούμενες γεωμετρικές πράξεις για το συνδυασμό των στερεών, την τομή του στερεού με επιφάνειες ή επίπεδα. Οι γεωμετρικές πράξεις εφαρμόζονται, μέχρις ότου ολοκληρωθεί η διαδικασία με την κωδικοποίηση των όρων κατασκευής και τη νοητή υλοποίησή της μορφής. Επιτρέπει την οπτική κατεργασία και ανάλυση της μορφής και τη συσχέτισή της με την αυτοματοποιημένη τεχνολογία μοντελοποίησης στερεών, για γρήγορη παραγωγή πρωτοτύπων, με σημείο εκκίνησης τις συντεταγμένες της τρισδιάστατης μορφής, μέσω CAD. Με τη στερεολιθική πρωτοτυποίηση , γίνονται αντιληπτές όλες οι γεωμετρικές ιδιότητες κάθε μορφής, παρέχοντας και τη δυνατότητα επεξεργασίας ακόμα και των φυσικών χαρακτηριστικών της, Οι ιδέες, μέσω της ψηφιακής τεχνολογίας, αναπαρίστανται με ένα φωτογραφικό ρεαλισμό, με ειδικά γραφιστικά λογισμικά σκιαγραφίας και χρωματογράφησης : η σκιαγραφία κλιμακώνεται με τόνους χρωμάτων, τους ο οποίους ο Η/Υ προσδιορίζει, ανάλογα με τη θέση των επιφανειών ως προς μια δεδομένη φωτεινή πηγή. Το φωτιζόμενο αντικείμενο ερμηνεύεται από τον Η/Υ σαν ένας αλγόριθμος, ο οποίος αντιστοιχεί στο βαθμό που η επιφάνεια του στερεού στοχεύει το σημείο από όπου προέρχεται ο φωτισμός. 5 Turner Whitted : με τη μέθοδο ψηφιακής σκιαγραφίας που επινόησε, πέτυχε τη φυσική προσομοίωση της παραστατικής ιδέας : κάθε ακτίνα φωτός που προσπίπτει στην επιφάνεια του στερεού αναλύεται σε τρία μέρη : στο φως που διαχέει στο περιβάλλον, στο ανακλώμενο με κάτοπτρο φως και στο διαθλώμενο φως. Οι αντιδράσεις αυτές του φωτός, από το σημείο του παρατηρητή μέχρι τη φωτεινή πηγή, συγκροτούν μία φυσική εικόνα, η οποία απαιτεί πολλές ώρες αναμονής και επανάληψης της διαδικασίας, όταν οι θέσεις του αντικειμένου και της φωτεινής πηγής αλλάζουν. Τα σύγχρονα λογισμικά (CAD, CAM, κλπ) έχουν ειδικά προγράμματα που εμπεριέχουν, όχι μόνο τις χαράξεις, αλλά και τη λογική των γεωμετρικών κατασκευών : π.χ. ένα πρόγραμμα CAD ,θυμάται τον τρόπο με τον οποίο ένα γεωμετρικό στοιχείο συνδέεται με ένα άλλο αντίστοιχο, όπως π.χ. όταν τα σχήματα εφάπτονται ή τέμνονται μεταξύ τους. Η λογική αυτή των συνδέσεων εξασφαλίζει τη σύνδεση ομοιογενών γεωμετρικών στοιχείων, που συγκροτούν, διαρθρώνουν, ή κατασκευάζουν μια παραλλαγή της αρχικής μορφής : π.χ με το συνδυασμό των πλεγματικών κατασκευών murbs, μέσα από τα οποία προβάλλονται οι στερεογραφικές συντεταγμένες μιας σφαίρας στην εξωτερική επιφάνεια της μορφής, γίνονται ευκολότερα οι μορφολογικές τροποποιήσεις και ελέγχεται η τεχνική διάρθρωση της μορφής, ως ένα σύστημα πρακτικής σκοπιμότητας. Τεχνολογία CIM : η επιλογή γεωμετρικών παραδοχών και πράξεων δεν είναι αυθαίρετη, αλλά γίνεται έτσι, ώστε η εικόνα της μορφής που προκύπτει να έχει μία μονοσήμαντη αντιστοιχία μεταξύ μορφολογικής προδιαγραφής και της τεχνικής της υλοποίησης στη βιομηχανική παραγωγή. Το υλικό και η τεχνική της παραγωγής ικανοποιούν το σκοπό της υλοποίησής της μορφής σε ένα αντικείμενο πρακτικής λειτουργίας . Τα τεχνικά σχέδια με χρήση CIM είναι σαφή και αξιόπιστα, εφόσον οι ιδιότητες που αποδίδονται σε κάθε μορφή, επαληθεύονται με μία επιτυχημένη ολοκλήρωση των σχεδιάσεων, από το σκαρίφημα μέχρι τις υλικοτεχνικές προδιαγραφές της. 6 Η τελική σχεδίαση : το «Σχέδιο Γενικής Οργάνωσης της Μορφής» Το «Σχέδιο Γενικής Οργάνωσης της Μορφής», περιγράφει την τελική μορφή, με τις ακριβείς μετρικές διαστάσεις της, τις προδιαγραφές του υλικού, την εργονομική καταγραφή, το χρηστικό διάγραμμα και την κιναισθητική οργάνωση, σε συνδυασμό με κάθε είδους κατασκευαστικής διαδικασίας από τη βιομηχανική τεχνολογία παραγωγής. Η τεχνική σχεδίαση αφορά τις προδιαγραφές, που ορίζουν οι γεωμετρικές κατασκευές : η κατασκευή παραβολής, υπερβολής, σπειρώματος, εξελιγμένης καμπύλης, σύνδεσης κύκλων, ημιτονοειδούς γραμμής και γωνιών, απαραίτητες για τον ακριβή προσδιορισμό των γεωμετρικών στοιχείων μιας μορφής. Αντίστοιχα, στην ογκομετρική διάσταση των μορφών, ανήκουν οι εφαρμογές που αφορούν τη στερεομετρία των σωμάτων και αντιμετωπίζουν μία πληθώρα προβλημάτων , π.χ αναπτύγματα, αλληλοδιείσδυση των όγκων τους, κλπ. Δυσκολίες : οι πυκνώσεις ευθειών ή καμπύλων γραμμών, ιδιαίτερα την εποχή που διέθετε ελάχιστα εργαλεία σχεδίασης (ταυ, τρίγωνο, διαβήτη, ελλειψογράφο, κλπ). 1960 : αναπτύχθηκε ένα λογισμικό για την πύκνωση της γραμμής και τον προσδιορισμό όλων των σημείων των παραμετρικών όγκων και των πολύπλοκων επιφανειών διπλής καμπυλότητας : καρτεσιανές συντεταγμένες ορίζουν όλα τα στίγματα(σημεία), μέσα από ένα δίκτυο γραμμών (ευθειών ή καμπύλων), οι οποίες διαμορφώνουν ένα ενιαίο πλέγμα επιφάνειας του στερεού. Έτσι, ξεπεράστηκε η παλιά πρακτική της «πρόσφυσης» ή της «συρραφής» συνεχόμενων γραμμικών πλεγμάτων επιφάνειας, που έμοιαζαν με «μπαλώματα». Με το λογισμικό αυτό, διαμορφώνεται μία συνεχής στερεογραφική μορφή, αντίστοιχη με την αντικειμενική της στην υλική πραγματικότητα. Οι παράμετροι, έχουν συμβάλλει κατά ένα μεγάλο μέρος στην ανάπτυξη της λογικής του προγράμματος των γεωμετρικών κατασκευών. Π.χ, η μορφή ενός κοχλία μπορεί να αποδοθεί σχεδιαστικά είτε με ένα επίμηκες σχήμα με λεπτή διατομή είτε με ένα κοντό σχήμα με παχιά διατομή. Η τυπολογία είναι ίδια και στις δύο περιπτώσεις , αλλάζουν μόνον οι μετρικές διαστάσεις τους (γωνίες, διατομές και μήκη). Οι παράμετροι (μ: μήκος, υ: ύψος, π: πλάτος, αντικαθιστούν τα μεγέθη των οριστικών τους διαστάσεων. Έτσι, η υπό μελέτη μορφή «κλειδώνεται», ώστε να διαμορφώνονται οι παραλλαγές της, χωρίς να αλλάζουν τη συνολική σύνθεσή της. 7 Το πλεονέκτημα των παραμέτρων είναι ότι αποδεσμεύουν τη σχεδίαση της μορφής από την αντιγραφή τυποποιημένων γεωμετρικών κατασκευών και επιτρέπουν στο σχεδιαστή να αναθεωρήσει τις μετρικές διαστάσεις της τελικής μορφής και να επεξεργαστεί, κάθε τυχόν αμφιβολία σχετικά με το αν η μορφή ανταποκρίνεται στις προδιαγραφές υλοποίησής της. Οι ανοχές : Στη σύνταξη των σχεδίων των τεχνικών προδιαγραφών, λαμβάνεται υπόψη και το γεγονός ότι κάθε μετρικός προσδιορισμός, μπορεί να μη διατηρηθεί στη βιομηχανική κατασκευή του αντικειμένου, για τεχνικούς λόγους που αφορούν την τριβή, συστολή, διαστολή, κλπ, . Συχνά, η διάσταση ενός τεμαχίου γίνεται λίγο μεγαλύτερη ή μικρότερη, από αυτήν που είχε οριστεί ως τελική. Για την πρόβλεψη της απόκλισης, καθορίζεται ένα μέτρο ως «ανοχή», η οποία προδιαγράφει το μέγεθος, μέσα στο οποίο πρέπει να κυμαίνεται η τελική διάσταση της μορφής : Οι ανοχές θέσεων : είναι ανοχές κατεύθυνσης, τόπου ή περιφοράς, που προσδιορίζουν τις επιτρεπόμενες αποκλίσεις ως προς την γεωμετρικά ιδεώδη θέση μεταξύ δύο ή περισσοτέρων στοιχείων, όπου το ένα λαμβάνεται ως στοιχείο αναφοράς: - Οι ανοχές κατεύθυνσης προσδιορίζουν τις οριακές αποκλίσεις στις σχέσεις παραλληλίας, ορθογωνιότητας ή γωνιότητας (κλίσης) . - Οι ανοχές τόπου είναι οι επιτρεπόμενες αποκλίσεις στις σχέσεις διάταξης, όπως είναι η ομοαξονικότητα, η ομοκεντρικότητα ή η συμμετρία. Οι ανοχές μορφής καθορίζουν τις επιτρεπόμενες αποκλίσεις ενός στοιχείου, ως προς την ιδεώδη γεωμετρική μορφή του. Οι ανοχές θέσεων και μορφής, που αφορούν σε στοιχεία που θα παραχθούν με μεθόδους κατεργασίας ή διαμόρφωσης, είναι μικρότερες από τις ανοχές διαστάσεων, γιατί η ιδανική γεωμετρική μορφή συγκρίνεται πάντα με τη μέγιστη απαίτηση σε υλικό, το οποίο διασφαλίζει μία οριακή τιμή των διαστάσεων των στοιχείων. Οι ανοχές «ελευθερία» και το «υπέρμετρο» : «Ελευθερία», στη συναρμογή δύο τεμαχίων, είναι η ανοχή που αφορά τη διαφορά μεταξύ του εσωτερικού μέτρου του εξωτερικού τεμαχίου και του εξωτερικού μέτρου του εσωτερικού τεμαχίου, όταν το εσωτερικό μέτρο είναι μεγαλύτερο. Μέγιστη ελευθερία προκύπτει με τη διαφορά μεταξύ του μέγιστου μέτρου του εξωτερικού τεμαχίου και του ελάχιστου μέτρου του εσωτερικού τεμαχίου. 8 Ελάχιστη ελευθερία προκύπτει με τη διαφορά μεταξύ του ελάχιστου μέτρου του εξωτερικού τεμαχίου και του μέγιστου μέτρου του εσωτερικού τεμαχίου. Το «Υπέρμετρο» λειτουργεί αντίθετα : είναι η διαφορά μεταξύ του εσωτερικού μέτρου του εξωτερικού τεμαχίου και του εξωτερικού μέτρου του εσωτερικού τεμαχίου, όταν το εσωτερικό μέτρο είναι μικρότερο. Μέγιστο υπέρμετρο είναι η διαφορά μεταξύ του μέγιστου μέτρου του εσωτερικού τεμαχίου και του ελάχιστου μέτρου του εξωτερικού τεμαχίου. Ελάχιστο υπέρμετρο προκύπτει από τη διαφορά του ελάχιστου μέτρου του εσωτερικού τεμαχίου και του μέγιστου μέτρου του εξωτερικού τεμαχίου. Ελευθερία και υπέρμετρο εφαρμόζονται ως ανοχές, όταν μία μορφή συναρμολογείται, προκειμένου να λειτουργούν αποτελεσματικά οι οπές, οι άξονες, οι πείροι και οι διάφοροι σύνδεσμοι. Οι συνδέσεις μπορεί να δεσμεύουν τη λειτουργία της μορφής : αν οι άξονες αποκλίνουν από τα προκαθορισμένα μέτρα, τότε, για να επιτύχει η συναρμογή, θα πρέπει οι προδιαγραφές μορφοποίησης τους να εφαρμοστούν με σχολαστικότητα στην παραγωγή. Η παρουσίαση των προδιαγραφών πρέπει να ακολουθεί μία τάξη στην τοποθέτηση των μέτρων , των συμβόλων και των υπομνημάτων, που αφορούν τη γεωμετρική και τεχνική κατασκευή της μορφής. Στο σύγχρονο βιομηχανικό σχέδιο εξακολουθούν να τηρούνται οι σχεδιαστικοί κανόνες, που προέρχονται από τους πρώτους κανονισμούς σύνταξης τεχνικών σχεδίων (γερμανικοί DINBS, κλπ), οι οποίοι περιλαμβάνουν όλους τους τύπους για την παράσταση των προβολών , των περιγραμμάτων, των γεωμετρικών κατασκευών, των μετρήσεων και των αναπτυγμάτων των μορφών. Εκτός από τους κανονισμούς απεικονίσεων, έχουν εκπονηθεί και κανονισμοί εφαρμογής, που αφορούν τους τρόπους κατεργασίας των γεωμετρικών στοιχείων που συγκροτούν μία μορφή. 9 2. Βιομηχανικές μέθοδοι παραγωγής Η τεχνολογία παραγωγής διακρίνεται σε επιμέρους τεχνικές διεργασίες: Διαμόρφωση – Διέλαση – Τύπωση – Μορφοποίηση – Συνδεσμολογία – Επιφανειακή Κατεργασία . Διαμόρφωση : αφορά τις μηχανικές επεμβάσεις στον αρχικό όγκο του υλικού, που περιλαμβάνουν: τον εφελκυσμό, το λυγισμό, την κρούση, την κοπή, την απότμηση, τη σύνθλιψη, τη στρέψη, τη διάτρηση, τη εξόλκυση, την τριβή και την αφαίρεση. Τα συνηθέστερα υλικά που υπόκεινται σε διαδικασίες διαμόρφωσης είναι τα μεταλλικά και τα ξύλινα. Η διαμόρφωση γίνεται με εργαλειομηχανές, ειδικής ή γενικής χρήσης, που λειτουργούν βάσει μετρολογικών και μορφολογικών απαιτήσεων. Σήμερα, η διαμόρφωση γίνεται με αυτοματοποιημένη τεχνολογία και με ηλεκτρονικά μέσα την ακρίβεια των επεμβάσεων, υπολογίζοντας το είδος, τη διαβάθμιση και την επίπτωσή τους στη μορφή που παράγεται. Ολόκληρος ο προγραμματισμός τους απαιτεί απόλυτη ευστοχία και αποφυγή κάθε αστοχίας. Επιπλέον, όλες οι μηχανικές επεμβάσεις αξιολογούνται και ως προς τη μηχανική καταπόνηση που προκαλεί το εργαλείο διαμόρφωσης, καθώς και ως προς τις θερμικές και χημικές επιδράσεις του εργαλείου διαμόρφωσης στο υλικό. Εφελκυσμός - Λυγισμός – Κρούση – Στρέψη : χρησιμοποιούνται εργαλεία, όπως η μέγγενη, το σφυρί, το αμόνι, εργαλείο κάμψης, λαβίδα, πένσα, τσιμπίδα, κλπ. Κοπή – Διάτρηση – Απότμηση : αφορούν τη λοξότμηση, αυλάκωση, αποκοπή, χάραξη, απότμηση και διάτρηση και επιτυγχάνονται με εργαλεία πριονόσχημων ελασμάτων ή περιστροφικών αυλακωτών ελικοειδών κυλίνδρων. Τα κοπίδια είναι ειδικά εργαλεία που, με τη βοήθεια σφυριών, βοηθούν στην αφαίρεση υλικού σώματος, Kάμψη : γίνεται με εργαλειομηχανές και εργαλεία που μετασχηματίζουν γραμμικά σώματα , ράβδους ή επιφάνειες. Κατάλληλα εργαλεία είναι η μέγγενη ή οι πρέσες με μήτρες. Η καμπυλοειδής ή κυκλική κάμψη είναι πιο σύνθετη διαδικασία και απαιτεί έναν οδηγητικό άξονα, όταν πρόκειται για διεργασίες σε ραβδοειδή σώματα (π.χ. ελατήρια, σύρματα, κλπ). Η απλή καμπυλότητα γίνεται με ένα ζευγάρι περιστρεφόμενων κυλίνδρων αντίθετης φοράς , με ελκυσμό ή με επαναληπτικές κινήσεις. Η διπλή καμπυλότητα επιτυγχάνεται με εργαλειομηχανές διέλασης και στρέψης. 10 Η καμπύλωση της επιφάνειας είναι μια διαδικασία, που εξαρτάται από τη γωνία και το είδος της κάμψης. Η περιστροφή της καμπής περί άξονα καθοδηγείται με μέσα, τα οποία ασκούν πίεση την εκτός αξονικής της αξονικής γραμμής επιφάνεια ή με μία αντίθετης φοράς πίεση που ασκείται και στις δύο επιφανειακές πλευρές, εκατέρωθεν της αξονικής γραμμής. Οι πρεσαριστές καμπυλώσεις συντελούν στην ανάπτυξη απλών και λιτών χρηστικών προϊόντων. Δεδομένου ότι πάρα πολλά από τα γνωστά υλικά δέχονται εύκολα μόνιμη ελαστική παραμόρφωση, η καμπύλωση έχει άπειρες εφαρμογές στη βιομηχανική μορφοδοσία κυματοειδούς ανάπτυξης αντικειμένων. Κρούση & σύνθλιψη : γίνονται με ένα ζευγάρι εργαλείων σφυρηλάτησης (βαριά-αμόνι) ή με υδραυλική σφύρα ή πρέσα. Επιτυγχάνουν λεπτότερη διατομή, είτε εν ψυχρώ είτε εν θερμώ. Εξέλαση : κάθε υλικό σώμα με την εξέλαση μειώνεται το πάχος του. Η εξέλαση επιτυγχάνεται με μία μηχανή ελάστρων (δύο κύλινδροι που περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους με αντίθετη φορά), ανάμεσα από τους οποίους τοποθετείται το υλικό σώμα Στρέψη : Γίνεται και αυτή με έλαστρα, που αποτελούνται όμως από δύο αντίθετης φοράς περιστρεφόμενους δίσκους ή λαβίδες. Εργαλεία Διαμόρφωσης : Ο τόρνος : η πρώτη , ιστορικά, εργαλειομηχανή κατεργασίας υλικού με αφαίρεση. Κατά την τόρνευση , το υλικό σώμα που θέλουμε να διαμορφώσουμε, εκτελεί κατά πρώτον μία κίνηση γύρω από τον άξονά του, ενώ το αιχμηρό όργανο μετατοπίζεται συνεχώς, παράλληλα ή κάθετα προς τον άξονα του σώματος. Εκτελεί ποικίλες τορνεύσεις, όπως είναι η διαμήκης, η μετωπική, η κωνική , απλή ή διπλή καμπυλότητα και η κοπή σπειρωμάτων. Η πλάνη : για τη δημιουργία μιας επίπεδης επιφάνειας, ή για τη διαμόρφωση καμπύλων επιφανειών, κατατομών, αυλακώσεων, σφηνοαυλακώσεων, και εμβυθίσεων. Φρεζομηχανές : εργαλειομηχανή κοπής, με ποικίλες αφαιρέσεις υλικού : το κοπτικό εργαλείο προσαρμόζεται σε διάφορες κινήσεις, ενώ εκτελεί όλες τις εργασίες της πλάνης και μπορεί να διαμορφώνει επιπλέον κοιλώματα, κοπή οδόντων σε οδοντοτροχούς, ελικοειδείς αυλακώσεις, και πολλές άλλες εφαρμογές. Πριόνια :ειδικά εργαλεία που διαχωρίζουν το υλικό σώμα , σε κάθετη , κατά μήκος ή τυχαία πορεία μέσα στο σώμα του υλικού. Η λειτουργία τους απαιτεί ταχύτατη παλινδρομική κίνηση ή περιστροφή του οδοντωτού ελάσματός τους. 11 Μεταλλοπρίονα με στρόφαλο : για την κοπή του ξύλου, με παλινδρομικές κινήσεις. Το μεταλλοπρίονο με πριονοταινία κινείται σαν μία ατέρμονα ζώνη γύρω από δύο τροχαλίες, από τις οποίες η κατώτερη ζώνη μεταδίδει την κίνηση. Ο πριονόδισκος λειτουργεί και αυτός με ατέρμονα (αδιάκοπη) κίνηση και είναι εξαιρετικά αποδοτικός στις λοξοτμήσεις. Φρεζοδράπανα & δράπανα : για επακριβείς διατρήσεις και διαστασιολογημένες αφαιρέσεις υλικού Δράπανα : ανοίγουν διαμπερείς οπές και τα εσωτερικά ανοίγματα, για να περάσουν οι άξονες, τα δακτυλίδια, τα καρφιά ή οι κοχλίες, που απαιτούνται στη διαμόρφωση ενός χρηστικού προϊόντος. Σπειροτόμος : διαμορφώνει τις οπές σαν σπειρώματα Διέλαση : τεχνική διεργασία, κατά την οποία η μάζα του υλικού δέχεται αδιάκοπη συμπίεση ή εξόλκυση, μέσα από ειδικά διαμορφωμένα ανοίγματα , ώστε μέσα από αυτά να εξέρχονται επιμήκεις, μορφές, ομοιογενείς και με σταθερή διατομή (διάκενη ή μη). Υλικά που επιδέχονται διέλαση είναι τα μέταλλα, τα κεραμοειδή και τα πλαστικά. Οι σύγχρονες μηχανές διέλασης εφαρμόζονται περισσότερο στην παραγωγή γραμμικών προϊόντων, από αλουμίνιο ή πλαστικό. Στα πλαστικά, η διάταξη της διέλασης αποτελείται από ένα θερμαινόμενο και ανθεκτικό στην πίεση κυλινδρικό τμήμα, μέσα στο οποίο υπάρχει ένας κοχλίας, ο οποίος μεταφέρει τους κόκκους του υλικού μέσα από ένα θερμαινόμενο καλούπι, σε θερμοκρασία 200 ο C και πίεση 100-300 bar.Αν η οπή εξόδου στο καλούπι είναι κυκλική, τότε η παραγόμενη μορφή είναι ράβδος ή νήμα. Αν είναι δακτυλιοειδής , παράγει μία σωληνοειδή μορφή. Αν η οπή είναι σχισμή, τότε προκύπτει μια λωρίδα ή ταινία. Σε κάθε άλλη γραμμική διάταξη της οπής αυτής, προκύπτει μία μορφή με χαρακτηριστική, κατατομή, που λέγεται προφίλ . Ωστόσο, στην παραγωγή σωλήνων, η διέλαση διαφοροποιείται ως προς τον τρόπο εξόλκυσης, επειδή το υλικό προωθείται γύρω από ένα αξονικό έμβολο. Η διέλαση έχει ποικίλες εφαρμογές στα χρηστικά προϊόντα, ανάλογα με το είδος του υλικού και την εν θερμώ ή εν ψυχρώ διέλαση που ακολουθείται. Οι σημαντικότερες , παράγουν διάκενα ή ημιδιάκενα διελατά στοιχεία. Η εν ψυχρώ διέλαση εξασφαλίζει την απαιτούμενη αλυγισία και σκληρότητα του προϊόντος. Επίσης υπερέχει και ως προς το βαθμό της επίδρασης της οξείδωσης στην επιφάνεια του προϊόντος. 12 Τα διάκενα χρηστικά λπροϊόντα που παράγει η διέλαση είναι κατάλληλα για αγωγούς και ποτιστικά μέσα, για μονοσωλήνια έπιπλα, στελέχη εργαλείων, για αθλητικά μέσα (μπάρες, κοντάρια, κλπ). Στις περιπτώσεις που διαμορφώνονται με προφίλ, εξυπηρετούν τα μέσα τροχοδρόμησης, οργάνωσης και ταξινόμησης των εσωτερικών χώρων. Θερμομόρφωση & Τύπωση : τεχνικές , με τις οποίες κάθε είδους ύλη με επίπεδο σχήμα (π.χ. φύλλο, λαμαρίνα κλπ), μετασχηματίζεται - όσο επιτρέπει η ελαστικότητά του – σε μια τρισδιάστατη μορφή . Οι τεχνικές αυτές είναι κατάλληλες για την παραγωγή ισόπαχων αναπτυγμάτων επιφανειών, που είναι ασύμφορο να παραχθεί με διαμόρφωση. Θερμομόρφωση : κατά τη φάση της θέρμανσης, ένα πλαστικό ή μεταλλικό φύλλο θερμαίνεται, μέχρις ότου μαλακώσει , προκειμένου να αναρροφηθεί σε μια μήτρα (καλούπι). Στην επόμενη φάση της ψύξης γίνεται ο αποχωρισμός της ισοπαχούς κοιλότητας, που δημιουργήθηκε στις επιφάνειες της μήτρας. Τύπωση : το ίδιο αποτέλεσμα προκύπτει και από την τύπωση, με άσκηση ισχυρής πίεσης στο υλικό με επίπεδο σχήμα, το οποίο υφίσταται μόνιμη παραμόρφωση, μέσα στα όρια της ελαστικότητάς του. Γίνεται με πρέσα, μηχανική ή υδραυλική, ανάλογα με την τεχνική της κίνησής της. Ρυθμίζοντας την πίεση, τη διαδρομή και τις οριακές αποστάσεις της κινητής κεφαλής από την πλάκα του τραπεζιού της πρέσας, τον προγραμματισμό και τον τηλεχειρισμό τους, προκύπτουν καμπυλόσχημες, θλώμενες ή σύνθετες επιφάνειες . Με την τύπωση παράγονται ανοξείδωτα σκεύη και εργαλεία φαγητού ( δίσκοι σερβιρίσματος, μαχαιροπήρουνα, κουτάλια, κλπ). Η παραγωγή τους προϋποθέτει τη διαμόρφωση επίπεδων αναπτυγμάτων τους, σε ειδική ρητίνη, με ειδικό παντογράφο, πάνω στην επιφάνεια του φύλλου και την αποτύπωση του επιδιωκόμενου όγκου σε δύο μεταλλικές μήτρες, ο οποίος δεν υπερβαίνει ποτέ το πάχος της δυνατής ελαστικής παραμόρφωσης του μεταλλικού φύλλου που πιέζεται ανάμεσά τους. Για υψηλού επιπέδου αισθητική εμφάνιση, οι μηχανές τύπωσης εκτελούν με ακρίβεια τις προβλεπόμενες ανάγλυφες λεπτομέρειες στην επιφάνεια. Οι μηχανικές πρέσες διακρίνονται, ανάλογα με την εφαρμοζόμενη πίεση, τον αριθμό των εμβόλων και τις θέσεις οδήγησής τους. 13 Μορφοποίηση : η αποτελεσματικότερη τεχνολογική μέθοδος , που αποδίδει μορφές με πλαστικότητα και ελευθερία στη διάρθρωση τους. Εξυπηρετεί την παραγωγή χρηστικών προϊόντων ενιαίου μεγέθους και όγκου. Απαραίτητη προϋπόθεση για κάθε μορφοποίηση είναι η κατασκευή ενός εκμαγείου (καλουπιού) , που ο εσωτερικός του χώρος προσδιορίζει τη μορφή του προϊόντος. Κάθε εκμαγείο προκύπτει, αποτυπώνοντας το πρόπλασμα (πρότυπο, μοντέλο), οι διαστάσεις του οποίου και η μορφολογία του αντιστοιχούν (με μια μικρή αύξηση) σε αυτές του τελικού προϊόντος. Χύτευση : Για τη μορφοποίηση αντικειμένων με μεγάλες ανοχές στις διαστάσεις τους : το υλικό εισάγεται σε ρευστή κατάσταση μέσα σε ένα εκμαγείο και μετά από ένα χρονικό διάστημα στερεοποιείται , παίρνοντας το σχήμα του εκμαγείου. Οι μέθοδοι χύτευσης ποικίλουν , ανάλογα με τη σύνθεση της μορφής και τον καταμερισμό του όγκου μέσα στο εκμαγείο. Χύτευση σε εκμαγεία άμμου προσφέρεται για την παραγωγή αντικειμένων με βάρος από μερικά γραμμάρια μέχρις δεκάδες τόνων. Η άμμος, βασίζεται κυρίως στο χαλαζία, ενώ για μεγαλύτερα μεγέθη χρησιμοποιείται άμμος ζιρκονίου ή ο χρωμίτης. Για την εξασφάλιση των απαιτούμενων μηχανικών αντοχών, προστίθεται στην άμμο ένα συνθετικό υλικό, π.χ. πηλός, τα πυριτικά άλατα ή μια συνθετική ρητίνη , για να μην διασκορπίζεται. Η κοιλότητα του εκμαγείου προκύπτει, καθώς η άμμος συμπιέζεται από το ήμισυ του προτύπου (μοντέλου). Με μηχανική διαδικασία, το εκμαγείο αποτυπώνεται , χωρίς μετακινήσεις του χυτού υλικού έτσι, ώστε σε όλα τα σημεία της παραγόμενης μορφής να διασφαλίζονται οι ίδιες τιμές σκληρότητας και ολκιμότητας. Το πρόπλασμα έχει λίγο μεγαλύτερες διαστάσεις από τη μορφή που θα παραχθεί, γιατί, όταν ψύχεται, συστέλλεται. Ο πιο συνηθισμένος τύπος εκμαγείου έχει πάντοτε ανοικτή κορυφή και μικρά ανοίγματα (οχετούς), μέσα από τα οποία εκχύνεται το ρευστό μέταλλο, όταν αυτό πλεονάζει . Η εξαγωγή του τελικού προϊόντος γίνεται με το διαχωρισμό του σε δύο τμήματα, που προκύπτουν από τη διαίρεση των όγκων, μέσω ενός αξονικού επιπέδου τομής (άνω-κάτω ή δεξί- αριστερό τμήμα). Μέθοδος Croning : μεταλλική χύτευση, με ταχύτερα και απλούστερα αποτελέσματα. Τα πρότυπα (μοντέλα) είναι μεταλλικά, προσαρμοσμένα σε πλάκες, οι οποίες βρίσκονται μέσα σε μια μηχανή κατασκευής εκμαγείων κελυφωτής μορφής . Πάνω από τις πλάκες τοποθετείται άμμος, που εμπεριέχει μια θερμοσκληρυνόμενη ρητίνη , ως συνδετική ουσία. Προκύπτει ένα κέλυφος με λεπτά τοιχώματα, το οποίο αποτελείται από συγκολλημένους κόκκους άμμου. Αναστρέφοντας τις πλάκες, απομακρύνεται η 14 πλεονάζουσα άμμος και το κέλυφος μαζί με το πρότυπο οδηγούνται στο φούρνο σκλήρυνσης , στους 300ο – 400ο C . Μετά τη σκλήρυνση (σε δύο λεπτά, περίπου), αποχωρίζεται το πρότυπο από το κέλυφος με ένα μηχανικό βραχίονα. Η διαδικασία αυτή παράγει χυτά χρηστικά προϊόντα με ομαλή επιφάνεια και με πολύ μικρές αποκλίσεις στις τελικές διαστάσεις της μορφής του. Η χύτευση ακρίβειας είναι ήδη γνωστή από την εποχή του χαλκού, όπου γινόταν με χύτευση ρευστού μετάλλου σε καλούπι με κερί . Στη σύγχρονη βιομηχανία , κατασκευάζονται διαστελλόμενα πρότυπα από κερί, πλαστική ύλη ή υδράργυρο. Τα χυτά αυτής της τεχνικής έχουν πολύ μικρό μέγεθος. Για τη μορφοποίηση ενός συμπλέγματος ως προτύπου, τα επιμέρους πρότυπα προσαρμόζονται σε ένα κοινό στέλεχος (διάταξη «δέντρου»). Η διάταξη του «δέντρου» βυθίζεται σε ένα αιώρημα πυρίμαχου υλικού (π.χ. χαλαζία) και ενός συγκολλητικού υλικού, τα οποία σχηματίζουν ένα λεπτό επίστρωμα, το οποίο, με την προσθήκη άμμου, γίνεται παχύτερο. Στη συνέχεια, η μήτρα πυρώνεται , λιώνει το πρότυπο και το μέταλλο χυτεύεται στο κενό που δημιουργείται. Η επιφάνειας της μορφής, που προκύπτει, είναι τόσο ομαλή, ώστε να μην χρειάζεται περαιτέρω εξωτερική κατεργασία. Οι εκσυγχρονισμένες μέθοδοι χύτευσης ακρίβειας προέρχονται από την τεχνολογία της αεροναυπηγικής. Αν και είναι πιο δαπανηρές, θεωρούνται ανταγωνιστικές, λόγω της επιφανειακής τελειότητας της μορφής που προσφέρουν. Βελτιωμένες, με την ενσωμάτωση της ψηφιακής τεχνολογίας, παράγουν προϊόντα υψηλής τεχνολογίας, όπως εξαρτήματα ηλεκτρονικών μέσων και υπολογιστών, επιστημονικά εργαλεία, ψηφιακά οπτικοακουστικά μέσα , ραπτομηχανές, κ.ά. Κατευθυνόμενη χύτευση : τεχνική με χαμηλό κόστος παραγωγής : η ροή του τηγμένου μετάλλου μέσα σε μια μεγάλη μεταλλική μήτρα προωθείται με τη βαρύτητα. Η μέθοδος αυτή δεν ικανοποιεί πολύπλοκες μορφές, επειδή η βαρύτητα συνδέεται με το μέγεθος της μάζας που αναλογεί στον όγκο τους. Χύτευση με πίεση : εξυπηρετεί τη γρήγορη μαζική παραγωγή (εκατοντάδες κομμάτια ανά λεπτό). Διαχωρίζεται σε χύτευση ψυχρού θαλάμου και χύτευση θερμού θαλάμου : Στη χύτευση ψυχρού θαλάμου, το μεταλλικό κομμάτι προωθείται σε έναν κύλινδρο, απ’ όπου, με ένα έμβολο (πεπιεσμένου αέρα), ωθείται μέσα στο καλούπι. Στη χύτευση θερμού θαλάμου, ο κύλινδρος βυθίζεται μέσα στο τηγμένο (λιωμένο) μέταλλο, το οποίο, με τη βοήθεια ενός συμπιεστή, ωθείται διαδοχικά στο καλούπι (εκμαγείο). Χύτευση σε κενό: εξυπηρετεί την παραγωγή αντικειμένων από κράματα μετάλλων : Μέσα στο καλούπι, δημιουργείται κενό αέρος, για την ταχύτατη και άμεση αναρρόφηση του τηγμένο υλικού, που βρίσκεται 15 μέσα στο καλούπι. Η μορφή που προκύπτει είναι τέλεια - ιδιαίτερα επιτυχημένη στις μικρές ανοχές χωρίς να απαιτείται επιπλέον κατεργασία. Φυγοκεντρική χύτευση : Μέσα σε μια ταχύτατα περιστρεφόμενη μήτρα, χύνεται μία ποσότητα τηγμένου μετάλλου, η οποία, μέσω της ισχυρής φυγόκεντρης δύναμης, προωθείται στα τοιχώματά της, κατανέμοντας έτσι το μέταλλο ομοιόμορφα στα τοιχώματα αυτά, μέχρι την τελική φάση της στερεοποίησης του μετάλλου. Εξυπηρετεί την παραγωγή διάκενων χρηστικών αντικειμένων, των οποίων η μορφή προκύπτει, αναπτύσσοντας γεωμετρικά περί άξονα συμμετρικούς ή ασύμμετρους όγκους. Το σύστημα φυγοκεντρικής χύτευσης, μπορεί να εκτελεί, όχι μόνο περιστροφική κίνηση περί άξονα σε μια κατεύθυνση, αλλά και σε πολύ περισσότερους . Επίσης, υπερέχει από τις άλλες μεθόδους χύτευσης, επειδή παρέχει στο επιφανειακό υλικό αντοχή σε εφελκυσμό. Χύτευση για κεραμικά υλικά : απαιτεί ειδικές διεργασίες, επειδή ο πηλός δεν επιτρέπει συχνά την ανάλογη ρευστοποίηση. Ο πηλός ρευστοποιείται, διαλύοντάς τον μέσα σε νερό, προσθέτοντας ανθρακικό νάτριο ή πυριτικό νάτριο, με αναλογία όγκου 10% , περίπου. Ανάλογα με το αντικείμενο που πρόκειται να μορφοποιηθεί, χρησιμοποιείται και ο κατάλληλος τύπο αργίλου, η οποία πρέπει να είναι κονιοποιημένη, ιδιαίτερα για χρηστικά προϊόντα χωρίς πόρους (π.χ. σερβίτσια). Με μηχανική διεργασία, ο ρευστός πηλός αναμεμειγμένος με στερεωτικό διάλυμα, διεισδύει στις μήτρες. Στη συνέχεια, το νερό απορροφάται από τα τοιχώματα, η πήλινη μορφή συρρικνώνεται και αποσπάται εύκολα από το εκμαγείο με όπτηση. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι επιτυγχάνει ισοπαχή επιφάνεια στα προϊόντα. Μειονεκτεί στο ότι απαιτεί πολλά εκμαγεία, τα οποία πρέπει να στεγνώνουν συνεχώς , το δε ανθρακικό νάτριο τα καταστρέφει πολύ γρήγορα. Μορφοποίηση γυάλινων διάκενων αντικειμένων : γίνεται με αυτοματοποιημένη προώθηση σε φούρνο τήξης , που δέχεται 4 – 100 τόνους γυαλιού και θερμαίνεται στους 1590ο C. Με μηχανικό τρόπο, οι πρώτες ύλες ζυγίζονται , αναμειγνύονται , μεταφέρονται και φορτώνονται στο θάλαμο τήξης, όπου τήκονται και αναμειγνύονται, μέχρι να σχηματίσουν μία ομοιογενή ρευστή μάζα. 16 Στη συνέχεια, το γυαλί προωθείται στο θάλαμο ομοιογενοποίησης : επειδή το γυαλί στο θάλαμο τήξης ρέει ελεύθερα , όπως το νερό, στο θάλαμο ομοιογενοποίησης το γυαλί ψύχεται ελαφρά, ώστε να γίνει κάπως ιξώδες (πιο συνεκτικό, με μικρότερη ροή). Ο φούρνος βρίσκεται πάνω σε μια υπερυψωμένη πλατφόρμα, πάνω από τις μηχανές μορφοποίησης, Το γυαλί εκεί ρέει μέσα από ένα μακρύ κανάλι, όπου αποκτά την κατάλληλη θερμοκρασία , για να μορφοποιηθεί σε σφαιροειδείς μάζες. Το βάρος των μαζών διατηρείται σταθερό, για να παραχθούν πανομοιότυπα δοχεία. Η σταθερότητα αυτή διασφαλίζεται από τις τιμές του ιξώδους και της θερμοκρασίας του γυαλιού. Ειδικότερα, για την παραγωγή οπτικών ειδών, η διεργασία απαιτεί την αποφυγή ραβδώσεων και αποχρωματισμού. Επιπλέον, ο ρυθμός ψύξης είναι βραδύτερος, έτσι ώστε να επηρεάζεται συγκεκριμένα ο δείκτης διάθλασης. Οι σφαιροειδείς μάζες συλλέγονται και τοποθετούνται σε πρόχειρα καλούπια, όπου, με πίεση ή εμφύσηση πεπιεσμένου αέρα, παίρνουν μια ενδιάμεση μορφή, παρόμοια με αυτήν του τελικού προϊόντος, σε μικρότερο μέγεθος και με παχύτερα τοιχώματα. Εναλλακτικά, χρησιμοποιείται η αναρρόφηση της μάζας, οι οποίες μεταφέρονται στο τελικό καλούπι, για να αποκτήσουν την τελική τους μορφή. Το καλούπι είναι από χυτοσίδηρο και η γυάλινη μορφή απελευθερώνεται, διαχωρίζοντας τα μέρη του εκμαγείου σε αριστερό ήμισυ, δεξί ήμισυ και σε αυτό του πυθμένα. Μορφοποίηση πολύπλοκων γυάλινων χρηστικών αντικειμένων : χρησιμοποιούνται εξειδικευμένοι τύποι καλουπιού : η μορφή ψύχεται σε σημείο που να μην μεταβάλλεται το σχήμα της, κατά την απελευθέρωσή της από το καλούπι και τη μεταφορά της στο κανάλι της αποπύρωσης, όπου παραμένει για ένα χρονικό διάστημα, σε θερμοκρασία 600ο C, για να απελευθερωθούν οι τάσεις της γυάλινης μάζας της. Η διαδικασία αυτή επιτρέπει ταχύτατο βαθμός παραγωγής, που μπορεί να φθάνει τα 200 κομμάτια ανά λεπτό. Μορφοποίηση γυάλινων χρηστικών αντικειμένων με αυξημένες απαιτήσεις αντοχής σε μηχανικές καταπονήσεις ή μεταβολές της θερμοκρασίας : ακολουθείται μια διαδικασία σκλήρυνσης του γυαλιού , κατά την οποία η θερμοκρασία αυξάνεται ομοιόμορφα, μέχρις ότου το γυαλί φθάσει στην πλαστική περιοχή και πάρει την τελική του μορφή, με ομοιόμορφη ψύξη. Η μορφοποίηση υποστηρίζεται από ειδικά ακροφύσια , τα οποία συμβάλλουν, ώστε το υλικό να γίνει πάρα πολύ σκληρό και ανθεκτικό στη θραύση. Στο γυάλινο υλικό, προστίθεται οξείδιο του βορίου ή αλουμίνας, που μειώνει σημαντικά το συντελεστή θερμικής διαστολής, κάνοντας τα παραγόμενα αντικείμενα πυρίμαχα. 17 Η διεργασία αυτή εξυπηρετεί την παραγωγή διάφανων μαγειρικών σκευών, τα οποία επιτρέπουν τον έλεγχο του θερμαινόμενου φαγητού, χωρίς καμία επίπτωση στην ομοιόσταση του σκεύους. Στην τελική διαμόρφωση αυτών των διάφανων αντικειμένων εφαρμόζονται ειδικές χειροτεχνικές μέθοδοι. Μορφοποίηση πλαστικών χρηστικών αντικειμένων : τα πλαστικά υλικά επιδέχονται σε μεγαλύτερο μορφοποίηση , από όσο τα κεραμικά τα γυάλινα και τα μεταλλικά. Αυτό οφείλεται στις ιδιότητές τους, καθώς και στις τεχνολογικές μεθόδους μορφοποίησης : - Μορφοποίηση πλαστικού με απλή χύτευση : η απλούστερη μέθοδος για τα πλαστικά υλικά , κατά την οποία, το ρευστό πλαστικό εκχύνεται μέσα σε ένα αποτύπωμα, για να αποκτήσει, μετά τη στερεοποίησή του, μορφή όμοια με το πρότυπο (μοντέλο). - Μορφοποίηση πλαστικού με πίεση : Προϋποθέτει το διαχωρισμό του καλουπιού σε πάνω και κάτω τμήμα.: το κάτω τμήμα είναι η μήτρα, όπου τοποθετείται το πλαστικό, σε κομμάτι ή σε σκόνη και θερμαίνεται με ηλεκτρική αντίσταση ή με ατμό, για να σχηματιστεί μία εύπλαστη μάζα. Το πάνω τμήμα, το έμβολο, κατεβαίνει κατακόρυφα μέσα στη μήτρα, πιέζοντας το εύπλαστο υλικό, μέχρις ότου πάρει τη μορφή του καλουπιού. Στη συνέχεια, το καλούπι ψύχεται , αποσπώνται τα τμήματά του, και εξάγεται το προϊόν. Στην περίπτωση που το προϊόν είναι από θερμοσκληρυνόμενο πλαστικό, το καλούπι ανοίγει αμέσως, γιατί το αντικείμενο, μετά τη θέρμανση που υφίσταται, στερεοποιείται. Αντίθετα, αν το προϊόν είναι από θερμοπλαστική ύλη, τότε περιμένει, μέχρις ότου επανέλθει σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, είτε με ψύξη είτε με σταδιακή μείωση της θερμοκρασίας. - Μορφοποίηση πλαστικού με πρέσα έκχυσης : προέρχεται από την τεχνική της πρέσας έκχυσης, η οποία επιτρέπει μια γρήγορη επαναληπτική διαδικασία παραγωγής : το υλικό τοποθετείται σε ειδική χοάνη (χωνί), η οποία οδηγεί σε έναν κύλινδρο, μέσα τον οποίο κινείται ένα έμβολο. Όταν έμβολο είναι αριστερά, εισάγεται μέσα στον κύλινδρο μία ποσότητα πλαστικού σε σκόνη και μόλις ρευστοποιηθεί, το έμβολο κινείται προς τα δεξιά, αναγκάζοντάς την να περάσει από το ακροφύσιο και να χυθεί μέσα στο εκμαγείο. Το εκμαγείο είναι χωρισμένο κατακόρυφα σε δύο μέρη, τα οποία ψύχονται αυτόματα και ανοίγουν , απελευθερώνοντας το προϊόν. Κάθε φορά που κλείνει, επαναλαμβάνεται μηχανικά και ένας νέος κύκλος παραγωγής. 18 Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής είναι ότι δεν χάνεται μάζα στην τελική μορφή και ότι μπορεί να μορφοποιήσει αντικείμενα με λεπτά τοιχώματα και πολύπλοκη διάταξη των όγκων. Ωστόσο, η μορφή του προτύπου δεν διευκολύνει το ξεκαλούπιασμα , γιατί το πλαστικό συρρικνώνεται κατά την ψύξη. Γι΄αυτό δεν επιτρέπονται οι εγκοπές και οι εσοχές στην επιφάνεια του προτύπου, ώστε να αποφεύγονται οι διαρροές στο επιφανειακό πάχος , που διαστρεβλώνουν τον όγκο της μορφής. - Μορφοποίηση πλαστικού με θερμομόρφωση : τεχνική που παράγει κοίλα ή ανοικτά αντικείμενα (λεκάνες, κύπελλα, κλπ) από θερμοπλαστικά φύλλα: Το φύλλο θερμαίνεται με υπέρυθρη ακτινοβολία (120ο – 180ο C), μέχρις ότου μαλακώσει και αναρροφηθεί σε ένα καλούπι με τη βοήθεια κενού αέρος. Όταν το φύλλο στερεοποιηθεί στη νέα του μορφή , τότε αποχωρίζεται από το υπόλοιπο που παρέμεινε στην αρχική του κατάσταση. - Μορφοποίηση πλαστικών με περιστροφική χύτευση : μία ποσότητα πλαστικής σκόνης τοποθετείται μέσα σε ένα θερμαινόμενο κοίλο μεταλλικό καλούπι, το οποίο περιστρέφεται αργά, γύρω από δύο κάθετους μεταξύ τους άξονες. Με τον τρόπο αυτό η σκόνη λιώνει και κατανέμεται ομοιόμορφα στην εσωτερική επιφάνεια του καλουπιού. Αφού ψυχθεί το καλούπι, ανοίγει και το κοίλο αντικείμενο απελευθερώνεται. Η περιστροφική χύτευση είναι κατάλληλη για παραγωγή κοίλων αντικειμένων μεγάλων διαστάσεων (,μικρές πισίνες, κάδοι απορριμμάτων, κλπ). Στη βιομηχανία, εφαρμόζεται στη μορφοποίηση αντικειμένων από πολυαιθυλένιο, πολυπροπυλένιο και πολυστυρένιο, σε αμιγή ή καθαρή σύνθεση. Η τεχνολογία της περιστροφικής χύτευσης έχει ενσωματώσει την ψηφιακή οργάνωση και τον μηχανικό έλεγχο της διαδικασίας. - Μορφοποίηση πλαστικών με πίεση και έγχυση : Ευνοεί την παραγωγή πλαστικών αντικειμένων από θερμοσκληρυνόμενα πλαστικά, αλλά μειονεκτεί ως προς την απώλεια του υλικού, που παραμένει στο θάλαμο πίεσης και στον αγωγό έκχυσης, επειδή, ως θερμοσκληρυνόμενη ύλη, δεν μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί. - Μορφοποίηση πλαστικών με εμφύσηση, για συμμετρικά διάκενα χρηστικά προϊόντα ή φιάλες : παράγει κοίλα και λεπτότερα προϊόντα, όπως φιάλες αναψυκτικών, νερού, κλπ. Προέρχεται από τη στερεομετρική κατασκευή του προτύπου, δηλαδή, συνίσταται σε έναν όγκο εκ περιστροφής περί άξονα ημίκλειστου σχήματος. Η μήτρα είναι συμμετρική με δύο μισά τμήματα, τα οποία, όταν εισέρχεται σε αυτά ένα κομμάτι πλαστικού σωλήνα από τη μηχανή εξώθησης, ανοίγουν και 19 στη συνέχεια κλείνουν, για να διοχετευθεί θερμός αέρας ή ατμός, με αποτέλεσμα ο πλαστικός σωλήνας να διογκώνεται, μέχρις ότου πάρει το σχήμα της μήτρας. Τότε, το καλούπι ανοίγει και βγαίνει το τελικό προϊόν. Καταλληλότερα υλικά για τη μορφοποίηση διάκενων αντικειμένων ή φιαλών συμμετρικών είναι οι ενώσεις πολυπροπυλένιου, υψηλής πυκνότητας και μεγάλου μοριακού βάρους (π.χ. HDPE & HMWPE). Παρέχουν προϊόντα με λεπτότερα σε πάχος τοιχώματα και ανθεκτικότερα στις καταπονήσεις κατά τη χρήση τους. - Μορφοποίηση πλαστικών με εμφύσηση, για μη συμμετρικά διάκενα χρηστικά προϊόντα : η εμφύσηση στο εκμαγείο, δεν γίνεται χρησιμοποιώντας την αξονική οπή εισροής του αέρα σ’ αυτό, αλλά στην έκκεντρη θέση του στομίου. Για να αποφευχθεί η συστολή μετά τη μορφοποίηση, που οφείλεται στην πυκνότητα του υλικού, στις μεταβολές της θερμοκρασίας στο εκμαγείο και στην πίεση του αέρα κατά την εμφύσηση, καθορίζονται ειδικές οριακές τιμές. Για να είναι αποτελεσματική η μορφοποίηση, πρέπει η παραγόμενη μορφή να διαθέτει κατ’ ανάγκη κάποια γεωμετρικά χαρακτηριστικά, τα οποία αποκλείουν αστοχίες και προβλήματα. 3. Τελική κατεργασία των χρηστικών προϊόντων Η τελική επεξεργασία αφορά την επιφάνεια του χρηστικού προϊόντος, ώστε το προϊόν να αποκτήσει μια μορφή πιο αποδεκτή από τις αισθήσεις μας. Οι πλαστικές ύλες δεν χρειάζονται τελική επεξεργασία, λόγω της τελειότητας που προσφέρουν. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται σαν στιλβωτικά ή επικαλυπτικά υλικά, προσφέροντας μια πιο καλαίσθητη μορφή στα ξύλινα ή μεταλλικά προϊόντα. Τα γυάλινα, τα κεραμικά και η πορσελάνη απαιτούν τελική επεξεργασία μόνο όταν η αυτή προορίζεται να αλλάξει την υφή τους. Το γυάλινο αντικείμενο μπορεί να γίνει τραχύ με αμμοβολή, ενώ το κεραμικό γίνεται πιο στιλπνό και προστατεύεται από τη διάβρωση με εφυάλωση : το αντικείμενο βυθίζεται μέσα νερό, που περιέχει λεπτούς κόκκους αστρίων (οξείδια πυριτίου) και με την επαναλαμβανόμενη όπτησή του, οι άστριοι λιώνουν, καλύπτοντας την επιφάνειά του. 20 Η υφή της τελικής επιφάνειας όλων των ειδών χρηστικών αντικειμένων συνδέεται , όχι μόνο με την απόχρωση του υλικού τους, αλλά και με την ποιότητα των τεχνολογικών διαδικασιών παραγωγής, όσον αφορά το κατά πόσο αυτές ικανοποιούν τις αισθητικές απαιτήσεις του χρήστη. Αυτό σημαίνει ότι η τεχνική επεξεργασίας της επιφάνειας των αντικειμένων, αξιοποιείται ανάλογα με το στόχο της αισθητικής αξίας. Τα χρώματα και τα βερνίκια είναι ρευστές ουσίες που καλύπτουν αποτελεσματικά τις εξωτερικές επιφάνειες των χρηστικών προϊόντων από μέταλλο, ξύλο ή άλλη ύλη που επιδέχεται επιφανειακή επεξεργασία (π.χ. τσιμέντο, χαρτόνι) : Τα βερνίκια : είναι ρητινώδεις ή πλαστικές ουσίες διαλυμένες σε διαλυτικά υγρά, τα οποία ρυθμίζουν τη ρευστότητά τους και τη δυνατότητά τους ν’ απλώνονται εύκολα πάνω στις εξωτερικές επιφάνειες. Διακρίνονται σε βερνίκια φυσικών ρητινών, βερνίκια τεχνητών ρητινών και σε βερνίκια νιτροκυτταρίνης. Η ποιότητά τους διαφέρει, ανάλογα με το είδος της ρητίνης και το διαλυτικό που περιέχουν, που καθορίζουν και τις ιδιότητές τους, όπως τη διαφάνειά τους, την καλυπτικότητα, ή το χρόνο ξήρανσης. Βερνίκια νιτροκυτταρίνης : πλεονεκτούν έναντι των άλλων κατηγοριών, γιατί ξηραίνονται πολύ γρήγορα στον αέρα, δεν οξειδώνονται, δεν πολυμερίζονται, αλλά υφίστανται μόνο μια απλή εξάτμιση του διαλύτη τους. Χρησιμοποιούνται στη σύγχρονη βαφή αυτοκινήτων . Τα χρώματα : παράγονται από την προσθήκη χρωστικών ουσιών σε ρητινώδεις ή πλαστικές ουσίες παρουσία διαλυτικών ή στεγνωτικών υλικών. Διακρίνονται σε βερνικοχρώματα, ελαιοχρώματα και υδροχρώματα. Η χημική τους σύσταση αποτελείται από οξείδια ή υδροξείδια μετάλλων ή άλλων στερεών ουσιών. Πλαστικά χρώματα : εμφανίζουν εξαιρετικά πλεονεκτήματα, γιατί συνδυάζουν τις ιδιότητες των τεχνητών ρητινών, που περιέχουν.Σ’ αυτά ανήκουν και οι έγχρωμές λάκες, που υποκαθιστούν την επισμάλτωση μεταλλικών ή ξύλινων επιφανειών. Για το λόγο αυτό, οι τεχνητές ρητίνες δεν είναι διαλυμένες στο νερό. Έτσι, σχηματίζουν μια μεμβράνη στην εξωτερική επιφάνεια, ανθεκτική στη διάβρωση, προστατεύοντας το μεταλλικό ή ξύλινο αντικείμενο. Τα πλεονεκτήματα των χρωμάτων στη βιομηχανική μορφοδοσία Τα χρώματα , αξιοποιούν όχι μόνο τη χροιά και τον τόνο της επιφάνειας των χρηστικών αντικειμένων, αλλά προσθέτουν σ’ αυτά και ιδιότητες, όπως π.χ. ο βαθμός αντανάκλασης της υπεριώδους ακτινοβολίας, 21 της θερμικής ενέργειας και της οπτικής διέγερσης με τεχνητό ή φυσικό φωτισμό. Η σημαντικότερη συμβολή τους αφορά στην αισθητική των χρηστικών προϊόντων, καθώς μπορούν να διορθώσουν ή να επικαλύψουν ελαττώματα της επιφάνειας ή τμημάτων της παραγόμενης μορφής. Μέθοδοι προστασίας των μετάλλων Αφορούν στην τελική επεξεργασία της επιφάνειας των μεταλλικών χρηστικών αντικειμένων, με στόχο την προστασία της και την ανθεκτικότητά της στη διάβρωση : Μεταλλικά αντικείμενα από σίδηρο εμβαπτίζονται για ορισμένο χρόνο μέσα σε θερμαινόμενο λουτρό , το οποίο περιέχει τηγμένο μεταλλικό υλικό επικάλυψης. Ως υλικό επικάλυψης, χρησιμοποιείται συνήθως ο ψευδάργυρος, ο κασσίτερος, το κάδμιο και ο μόλυβδος, επειδή έχουν χαμηλό σημείο τήξης. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλα μέταλλα, όπως χαλκός, νικέλιο, χρώμιο, κοβάλτιο, άργυρος, λευκόχρυσος, βολφάρμιο και χρυσός. Ο χρόνος παραμονής στο λουτρό εξαρτάται από το πάχος του κομματιού, από τη θερμοκρασία προθέρμανσης και το είδος των υλικών Π.χ. για ένα γαλβάνισμα, απαιτούνται περίπου 1-4 λεπτά. Επικάλυψη με ψεκασμό: ενδείκνυται κυρίως για μεγάλες επιφάνειες ή για λεπτές επιφάνειες και χαμηλό κόστος. Ο ψεκασμός γίνεται είτε με υδραυλική εκτόξευση του υλικού με υψηλές πιέσεις είτε με ηλεκτροστατική εκτόξευση : ο ψεκασμός, προωθείται, αναπτύσσοντας υψηλή τάση στο υλικό επικάλυψης, Ο ηλεκτροστατικός ψεκασμός συμβάλλει, σε μια καλύτερη πρόσφυση του υλικού στη μεταλλική επιφάνεια . Ωστόσο, σε τυχόν αιχμηρές απολήξεις ή πτυχώσεις της εξωτερικής επιφάνειας, , το υλικό δεν κατανέμεται ομοιόμορφα , λόγω της μαγνητικής έλξης που αυτές δημιουργούν. Ψεκασμός με ηλεκτρόλυση : κατάλληλη για επικαλύψεις μικρού πάχους, που απαιτούν ομοιογενή και επακριβή επικάλυψη . Χρησιμοποιείται κυρίως για αντικείμενα από ανοξείδωτο χάλυβα , κράματα χαλκού και αλουμινίου, καθώς και όταν ο μηχανικός καθαρισμός δεν είναι εύκολος : η ηλεκτρόλυση απομακρύνει όλα τα ίχνη της μηχανικής τριβής στη φάση διαμόρφωσης των χρηστικών προϊόντων, καθώς και κάθε είδους υπολείμματα της στίλβωσης πάνω στην επιφάνειά τους . Ο χρόνος μιας αποτελεσματικής ηλεκτρόλυσης εξαρτάται κυρίως από το είδος του φινιρίσματος. 22 Οι παράγοντες που διαμορφώνουν το τελικό χρονοδιάγραμμα της διαδικασίας αυτής είναι : η θέση των επιμέρους, τα μεγέθη τους και η πολύ-επιφανειακή τους ανάπτυξη. Όρφωνση : παραδοσιακή τεχνική, όπου ένα αντικείμενο από ορείχαλκο ή χάλυβα αποκτά σκοτεινό χρώμα και ικανοποιητική αντοχή στην οξείδωση: η επιφάνεια του αντικειμένου εκτίθεται σε ατμούς υδροχλωρικού οξέος, μέχρις ότου σχηματιστεί πάνω σ’ αυτήν μια λεπτή επίστρωση χλωριούχου σιδήρου , που στη συνέχεια καθαρίζεται και στιλβώνεται. Φωσφάτωση : θερμοχημική μέθοδος, κατά την οποία το αντικείμενο από σιδηρούχο μέταλλο βυθίζεται σε λουτρό φωσφατικών αλάτων ψευδαργύρου, στα οποία προστίθενται νιτρικά άλατα ψευδαργύρου για μεγαλύτερη δραστικότητα, σε θερμοκρασία 100ο C. Η τελική επεξεργασία της επιφάνειας ολοκληρώνεται με ειδικό αστάρωμα και βιομηχανικό χρωματισμό σε φούρνο. Ενδοψευδαργύρωση : θερμοχημική μέθοδος, κατά την οποία ένα αντικείμενο από χάλυβα βυθίζεται σε ένα μίγμα σκόνης ψευδαργύρου και χαλαζιακής άμμου, που βρίσκονται μέσα σε ένα περιστρεφόμενο τύμπανο, το οποίο θερμαίνεται στους 400ο C. Η εξωτερική επιφάνεια του αντικείμενου καλύπτεται από ένα κράμα σιδήρου – ψευδαργύρου, το οποίο, εκτός από καλή αντοχή στη διάβρωση, συμβάλλει και σε μια καλαίσθητη εμφάνιση. Επισμάλτωση / Ενυάλωση : η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την προστασία πολυχρησιμοποιούμενων σκευών, γιατί – πέρα από τα λειτουργικά πλεονεκτήματα – προσφέρει και μια εξαιρετική αντοχή στις επιδράσεις του περιβάλλοντος και στις υψηλές θερμοκρασίες χρήσης. Επίσης, απαλείφει την τριβή των μεταλλικών χρηστικών αντικειμένων και προστατεύει από την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Για την επισμάλτωση χρησιμοποιείται κυρίως το αλουμίνιο, ο χαλαζίας ή ο βόρακας, που τοποθετούνται σε φούρνους , με θερμοκρασία 900ο, όπου τήκονται και ενυαλώνουν (καλύπτουν σαν γυαλί) την επιφάνεια του αντικειμένου, κάνοντάς την να μοιάζει με πορσελάνη. Το πάχος της επικάλυψης εξαρτάται από το είδος του αντικειμένου , ενώ η διάρκεια της θέρμανσης καθορίζεται από το χρόνο τήξης, το βαθμό πρόσφυσης και στιλπνόηττας του υλικού. Οι επισμαλτώσεις έχουν καταξιωθεί για την υγιεινή και καλαίσθητη εμφάνιση που προσφέρουν , καθώς και για την αντοχή σε χημκές διαβρώσεις και τη σταθερότητα των χρωμάτων τους. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκαν ως επικαλύψεις για τη βελτίωση της υγιεινής και της καθαριότητας των ιατρικών εργαλείων και του εξοπλισμού των νοσοκομείων. Αργότερα, με τον χρωματικό εμπλουτισμό τους, 23 επεκτάθηκαν και στον οικιακό εξοπλισμό, συμβάλλοντας ιδιαίτερα στην αισθητική και υλική βελτίωσή του . Πλαστικοποίηση: Τα μεταλλικά προϊόντα, με την πλαστικοποίησή τους, καλύπτουν τη σκληρή και μονόχρωμη επιφάνειά τους. Η πλαστικοποίηση γίνεται με ποικίλους τρόπους, όπως με εμβάπτιση του μεταλλικού σκεύους σε ειδικό λουτρό, με ηλεκτροστατικό ψεκασμό πλαστικής σκόνης και με πρεσάρισμα. Η πλαστικοποίηση απαιτεί ειδικές μηχανές, οι οποίες εναποθέτουν εν θερμώ την πλαστική μεμβράνη στην επιφάνεια του αντικειμένου. Στον ηλεκτροστατικό ψεκασμό, οι κόκκοι, κατά την έξοδό τους από τον εκτοξευτήρα, είναι αρνητικά φορτισμένοι και έλκονται από το γειωμένο μέταλλο του αντικειμένου. Οι μέθοδοι προστασίας για αδύναμα στερεά υλικά , π.χ. υφάσματα και χάρτινα προϊόντα, ενισχύουν τη σκληρότητά και την αντοχή τους, χωρίς να επηρεάζουν τη φυσική τους ποιότητα. Η εφαρμογή των μεθόδων αυτών προέκυψε από τις ανάγκες στεγανοποίησης, μέσα από την οποία οι υφασμάτινες & χάρτινες συσκευασίες έγιναν φθηνά και χρηστικά προϊόντα (συσκευασίες αναψυκτικών, συσκευασίες φαγητών, κλπ). 4. Πρωτοτυποποίηση Παράγοντες που συνέβαλαν στην ανάπτυξη της Τεχνολογίας Ταχείας Κατασκευής Πρωτοτύπων (RPT): - Ο ανταγωνισμός και οι απαιτήσεις της παραγωγής : δημιούργησε την ανάγκη ελαχιστοποίησης του χρόνου. - Τα σύνθετα , σύγχρονα προϊόντα : προϋποθέτουν αυξημένο εξοπλισμό για την υλοποίηση ενός πρωτότυπου μοντέλου - Οι συμαβτικοί τρόποι κατεργασίας : απαιτούν εβδομάδες για την κατασκευή ενός πρωτοτύπου - Η πολυπλοκότητα της γεωμετρίας στα σημερινά προϊόντα. Η μέθοδος κατασκευής πρωτοτύπων κατατάσσεται σε τρεις κατηγορίες : - Κατασκευή με αφαίρεση υλικού: αφαιρούνται τμήματα από το υλικό, μέχρι να αποκτήσει το επιθυμητό σχήμα - Κατασκευή με πρόσθεση υλικού : συνενώνονται σωματίδια του υλικού σε στρώσεις 24 - Κατασκευή με συμπίεση υλικού : ημίρρευστο ή ρευστό υλικό συμπιέζεται στο επιθυμητό σχήμα και μετά στερεοποιείται. Η RPT με προσθήκη υλικού κατατάσσεται σε τρεις κατηγορίες, σύμφωνα με το είδος του υλικού που χρησιμοποιείται : - Τα συστήματα φωτοπολυμερών, στερεοποιούν υγρά φωτοπολυμερή, ελέγχοντας την έκθεσή τους σε ακτινοβολία συγκεκριμένου μήκους κύματος. - Τα συστήματα θερμοπλαστικών, λιώνουν στερεό υλικό, το οποίο συνενώνουν με ψύξη. - Τα συστήματα συγκόλλησης, συνενώνουν το υλικό και δημιουργούν το πρωτότυπο. CΑD & RPT Τα συστήματα RPT, για να παράγουν ένα μοντέλο (πρωτότυπο), χρησιμοποιούν ένα μοντέλο CAD, σχεδιασμένο με Η/Υ, το οποίο είναι μία γεωμετρική αναπαράσταση ενός στερεού ή μιας τρισδιάστατης επιφάνειας σε ηλεκτρονική μορφή αρχείου. Τα συστήματα RPT απαιτούν μοντέλα CAD , απόλυτα ορισμένα, γιατί κατά την επεξεργασία των γεωμετρικών στοιχείων του μοντέλου, το σύστημα RPT δημιουργεί κλειστές περιοχές και διαχωρίζει το εσωτερικό του μοντέλου από το εξωτερικό του. Δηλαδή, το μοντέλο CAD πρέπει να είναι σαφώς ορισμένο και κλειστό σε όγκο : Θεωρώντας ένα μοντέλο CAD στο οριζόντιο επίπεδο, όπου μία λεπτή λεπίδα κόβει αρχικά την εξωτερική του επιφάνεια και εισχωρεί μέσα στη μάζα του, τέμνοντας έτσι κάθε εσωτερική λεπτομέρεια, μέχρι να βγει από την αντίθετη πλευρά του μοντέλου, θα προέκυπταν από κάθε τέτοια τομή μία ή περισσότερες κλειστές επίπεδες επιφάνειες, που βοηθούν να κατανοήσουμε πλήρως τους κλειστούς όγκους του μοντέλου. Από τις συντεταγμένες των εξωτερικών επιφανειών κάθε οριζόντιας τομής δημιουργείται μία σταυρωτή διαγράμμιση, με ειδικούς αλγόριθμους, η οποία στερεοποιεί τις περιοχές μεταξύ των ορίων του πρωτοτύπου. Αν η γεωμετρία του μοντέλου δεν είναι απόλυτα κλειστή (π.χ. κακή συναρμογή των ακμών), τότε δημιουργούνται προβλήματα (π.χ. ανοίγματα, ατέλειες) , που πρέπει να επιλύσει το λογισμικό του συστήματος RPT. Εκτός από τα όρια της εξωτερικής επιφάνειας, για την περιγραφή ενός στερεού αντικειμένου είναι απαραίτητος και ο προσανατολισμός της μάζας του, ο οποίος επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας τα όρια του μοντέλου και προσδιορίζοντας τις πληροφορίες της επιφάνειας : λανθασμένα στοιχεία, π.χ. μηδενικό πάχος, κλπ, οδηγούν σε ανέφικτους σχηματισμούς, που λέγονται ταινίες Mobious. 25 Στα τρισδιάστατα συστήματα CAD δημιουργίας επιφανειών, αρχικά κατασκευάζονται δισδιάστατες κατατομές, οι οποίες εξωθούνται, καμπυλώνονται, περιστρέφονται ή ενώνονται μεταξύ τους, ώστε να δημιουργήσουν την επιθυμητή επιφάνεια. Οι απλές επιφάνειες περιγράφονται με τη βοήθεια επιπέδων και άδειων κυλίνδρων, ενώ οι πιο πολύπλοκες, με τη βοήθεια σχημάτων μαθηματικής παρεμβολής, όπως οι καμπύλες Bezier: δημιουργούνται από την ένωση δύο σημείων σε γραμμή. Το σχήμα της γραμμής ελέγχεται από τη θέση δύο επιπλέον σημείων, που μετακινούνται κατά βούληση, ώστε να δημιουργήσουν την επιθυμητή καμπυλότητα. Στο σύστημα CAD, τα σημεία ελέγχου των καμπυλών Bezier λέγονται handles, οι δε καμπύλες splines. Σε πιο εξελιγμένα συστήματα CAD, ο έλεγχος αυτός γίνεται με τις οντότητες NURBS. Αν και τα CAD προσδιορίζουν με ακρίβεια τα μαθηματικά όρια των επιφανειών, μπορεί να υπάρξουν ανοιχτές επιφάνειες, γιατί τα μοντέλα που δημιουργούνται από επιφάνειες δεν πρέπει να είναι αναγκαστικά τελείως κλειστά. Δηλαδή, μία επιφάνεια μπορεί να προεκταθεί πέρα από τα όρια του μοντέλου, χωρίς να δημιουργεί πρόβλημα, ενώ στα CAD στερεών αυτό δεν μπορεί να γίνει και ο χειριστής του συστήματος λαμβάνει μηνύματα λάθους. Τα τρισδιάστατα συστήματα επιφανειών CAD δημιουργούν επιφάνειες μηδενικού πάχους, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή του εκάστοτε μοντέλου. Για να χρησιμοποιηθεί το μοντέλο αυτό από τα συστήματα RPT, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η συρραφή των εφαπτόμενων επιφανειών που το απαρτίζουν, ώστε να σχηματίσουν ένα κλειστό συνεχές κέλυφος, που περικλείει τον επιθυμητό όγκο. Ο χρήστης, επίσης, μπορεί να προσδιορίσει ποια πλευρά του κελύφους περικλείει τη μάζα του κομματιού. Σε μερικές περιπτώσεις, όπου κάποιες επιφάνειες, ενώ τέμνονται, προεκτείνονται πέρα από την τομή τους , τα πλεονάζοντα τμήματα αφαιρούνται. Στα CAD, η διαδικασία αυτή λέγεται trimming . Πλεονεκτήματα / Μειονεκτήματα συστημάτων CAD επιφανειών / στερεών Τα CAD μοντελισμού επιφανειών απαιτούν περισσότερη εργασία από τα CAD επεξεργασίας στερεών, ωστόσο μπορούν να περιγράψουν καλύτερα πολύπλοκες επιφάνειες. Από την άλλη μεριά τα CAD μοντελισμού στερεών περιγράφουν ευκολότερα τις εσωτερικές λεπτομέρειες του μοντέλου (π.χ κοιλότητες, τρύπες, κλπ). Στα σημερινά εξελιγμένα συστήματα CAD, όπως CATIA, I-DEAS, κλπ), υπάρχει η δυνατότητα δημιουργίας μοντέλων, συνδυάζοντας τις δύο μεθόδους (επιφανειών & στερεών). 26 Τα CAD μοντελισμού στερεών ικανοποιούν καλύτερα τις απαιτήσεις των συστημάτων RPT από τα CAD επιφανειών, γιατί το μοντέλο περιγράφεται με απόλυτη σαφήνεια των λεπτομερειών του. Ένα στερεό μοντέλο, μπορεί να περιγραφεί σαν ένας γεωμετρικός κλειστός όγκος, ο οποίος αποδίδεται γραφικά με καμπύλες και επιφάνειες, αλλά και μη γραφικά, μέσα από τη δομή ενός τοπολογικού δέντρου, που προσδιορίζει ορθολογικά τη δομή του μοντέλου - δυνατότητα που υπάρχει μόνο στα στερεά μοντέλα. Δηλαδή, ο μοντελισμός με στερεούς όγκους αναπαριστά το κομμάτι σαν στερεό αντικείμενο. Τα τοπολογικά δεδομένα δίνουν την ακριβή θέση και τη σύνδεση όλων των επιμέρους επιφανειών που συνθέτουν ένα αντικείμενο. Σε κάθε επιμέρους επιφάνεια προσδιορίζεται ο προσανατολισμός της μάζας του μοντέλου, με διεύθυνση πάντα από το μοντέλο προς τα έξω. Σε περίπτωση ρήξης της κλειστής επιφάνειας, ο σχεδιαστής, δέχεται μηνύματα λάθους. Τα περισσότερα CAD μοντελισμού στερεών διαθέτουν υβρίδια μαθηματικών αλγόριθμων (λογισμικά) , που διευκολύνουν το μοντελισμό στερεών. Συγκεκριμένα : - (CSG) Constructive Solid Geometry : το μοντέλο οικοδομείται με απλά γεωμετρικά στερεά , όπως κύβος, κώνος, σφαίρα, σαν βασικά, τα οποία συνδυάζονται , με απλές αλγεβρικές πράξεις του Bool, όπως ένωση, διαφορά τομή. Η σχεδιαστική διαδικασία αναπαρίσταται στο ιεραρχικό δέντρο. - (BREP) Boundary Representation Systems : συστήματα αναπαράστασης εξωτερικών επιφανειών, που βασίζονται σε πολυώνυμα ή NURBS. Τα NURBS είναι ακριβής μαθηματική περιγραφή γεωμετρίας, διευκολύνοντας το χειρισμό δύο ή τριών διαστάσεων, απλών ή πολύπλοκων επιφανειών. - Προσέγγιση της γεωμετρίας με επίπεδα τμήματα : με την τεχνική αυτή, η επιφάνεια του στερεού χωρίζεται σε επίπεδα τμήματα, συνήθως τρίγωνα ή τετράπλευρα. Αυξάνοντας την πυκνότητα των επιπέδων, προσεγγίζεται καλύτερα η γεωμετρία των καμπύλων επιφανειών. Π.χ. ο κύκλος προσεγγίζεται από διαδοχικά ευθύγραμμα τμήματα , δηλαδή, από ένα πολύγωνο. Τα συστήματα CAD διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τον τρόπο σύνθεσης των επιμέρους γεωμετρικών τμημάτων που απαρτίζουν το μοντέλο : κάποια συστήματα βασίζονται στη σύνθεση χαρακτηριστικών γνωρισμάτων του μοντέλου, όπως οπές, σχισμές, πλευρές, κελύφη, όπου ο χρήστης πρέπει να σκεφθεί, τη σύνθεση του μοντέλου. Κάποια άλλα συστήματα, βασίζονται στη σύνθεση απλών γεωμετρικών στερεών , αλλά προϋποτίθεται ο χρήστης να είναι εξοικειωμένος με την άλγεβρα Bool, για να συνθέσει το μοντέλο. 27 Η διαφορά στις δύο αυτές κατηγορίες είναι ότι τα συστήματα που βασίζονται στα χαρακτηριστικά γνωρίσματα, τροποποιούνται εύκολα , γιατί τα χαρακτηριστικά αυτά συσχετίζονται μεταξύ τους. Αντίθετα, τα συστήματα που διαχειρίζονται τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά με πράξεις Bool, δεν τροποποιούνται εύκολα : τυχόν τροποποιήσεις γεωμετρικών χαρακτηριστικών οδηγούν σε λάθη και αποτυχίες. Συστήματα CAD που χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη βιομηχανία σήμερα είναι : Parametric Technologies Pro/ENGINEER - Microstation (Intergraph) - ME – 30 (Hewlett – Packard) - Dassault Systems CATIA SDRC I-DEAS - Unigraphics (EDS) - Alias Research, Inc. Alias Degigner Ενδιάμεσο αρχείο (STL) Τα αρχεία που δημιουργούν τα συστήματα CAD, πρέπει να μετατραπούν σε ένα ενδιάμεσο αρχείο STL, ώστε να είναι κατανοητά από τα συστήματα RPT. Τα αρχεία STL μετατρέπουν τα γεωμετρικά στοιχεία των μοντέλων CAD. Αυτός ο τρόπος διαμόρφωσης των γεωμετρικών στοιχείων επινοήθηκε και αναπτύχθηκε για πρώτη φορά για την 3D Systems Inc, Stereolithography System (SLA), από την Albert Consulting Group. Η μετατροπή σε αρχείο STL βασίζεται στην ψηφιοποίηση της επιφάνειας του μοντέλου και την περιγραφή της, σαν ένα πολύεδρο. Οι επιφάνειες ψηφιοποιούνται και προσεγγίζονται μέσα από επίπεδα και ευθύγραμμα τμήματα. Οι επίπεδες επιφάνειες περιγράφονται με ακρίβεια από τριγωνικές έδρες, ενώ οι καμπύλες παρουσιάζουν δυσκολία στη μετατροπή του αρχείου σε STL . Ο αριθμός των εδρών , που χρησιμοποιούνται για να αναπαραστήσουν μία καμπύλη επιφάνεια, επηρεάζει την ακρίβεια της προσέγγισής της. Η ακρίβεια εξαρτάται από την απόκλιση, μεταξύ της επιφάνειας που δημιούργησε το CAD και της πολυεδρικής που δημιούργησε η μετατροπή σε STL. Η ακρίβεια αυτή, ελέγχεται από δύο παραμέτρους: το ύψος της χορδής και τον έλεγχο της γωνίας : Ύψος της χορδής είναι η μέγιστη απόσταση μεταξύ της χορδής που δημιουργείται από τη μετατροπή και της πραγματικής επιφάνειας του μοντέλου. Μικρότερη απόκλιση από την πραγματική επιφάνεια προκύπτει, όταν το ύψος της χορδής μειώνεται. Έλεγχος της γωνίας : ρυθμίζει και βελτιώνει καμπύλες με μικρή ακτίνα. Π.χ. αν σε ένα σφαιρικό αντικείμενο υπάρχει μία εσοχή πολύ μικρής ακτίνας, το ψηφιοποιημένο αποτέλεσμα μπορεί να έχει πολύ μικρό γεωμετρικό προσδιορισμό. 28 Τα αρχεία STL αποτελούνται από τριάδες συντεταγμένων του χώρου Χ.Υ,Ζ , που αποτελούν κορυφές τριγώνων. Τα τρίγωνα αυτά περιγράφουν την κλειστή επιφάνεια των τρισδιάστατων μοντέλων CAD. Για να δημιουργήσουμε αρχεία STL, δεν χρειάζεται απαραίτητα η αγορά ενός ολοκληρωμένου συστήματος RPT. Λογισμικό μετατροπής από CAD σε αρχείο STL διατίθεται στην αγορά. Δομή υποστήριξης πρωτοτύπων Τα συστήματα RPT πρέπει να διαθέτουν δομή υποστήριξης, για την ορθή κατασκευή των πρωτοτύπων. Η δομή υποστήριξης έχει την ίδια λογική με τα υποστηρίγματα των κομματιών (εργαλειοδέτες) στη μηχανουργία, τα οποία είναι λεπτά τοιχώματα , διατεταγμένα σε ένα τετραγωνισμένο πλέγμα ή ιστό. Η δομή υποστήριξης είναι απαραίτητη για τους εξής λόγους :  Συγκρατεί το κομμάτι στη θέση του κατά τη διάρκεια της κατασκευής του.  Ελαχιστοποιεί ή εξαλείφει τις παραμορφώσεις της βάσης (πλατφόρμας), πάνω στην οποία κατασκευάζεται το πρωτότυπο  Το κομμάτι μπορεί εύκολα να απομακρυνθεί από την πλατφόρμα , όταν ολοκληρωθεί κατασκευή.  Συγκρατεί τμήματα της γεωμετρίας του κομματιού, τα οποία κρέμονται ή δεν συνδέονται με την κύρια μάζα του μοντέλου. Μερικά συστήματα RPT διαθέτουν λογισμικό που δημιουργεί αυτόματα τα απαραίτητα υποστηρίγματα, ενώ κάποια άλλα χρησιμοποιούν λογισμικό άλλων εταιρειών. Επίσης, κάποια συστήματα RPT δεν χρειάζονται λογισμικό δομής υποστήριξης, γιατί χρησιμοποιούν σαν υποστήριγμα το υλικό, από το οποίο δομείται το πρωτότυπο. Μερικά συστήματα RPT διαφημίζουν ότι δεν χρειάζονται υποστηρίγματα. Ωστόσο, όταν απαιτούνται κλειστές ανοχές και δύσκολες γεωμετρίες, επιβάλλονται. Συστήματα RPT που είναι διαθέσιμα στην αγορά Σύμφωνα με τον P.F. Jacobs, όλα σχεδόν τα συστήματα RPT λειτουργούν με ειδικό λογισμικό, το οποίο τεμαχίζει τρισδιάστατα μοντέλα CAD ως προς τον κατακόρυφο άξονα, δημιουργώντας μια διαδοχική σειρά από λεπτά στρώματα. Από τα στρώματα αυτά προκύπτουν οι εντολές συντεταγμένων που οδηγούν τη μονάδα ελέγχου (υπολογιστή) των συστημάτων RPT. 29 Επίσης , υποστηρίζει ότι η 3D Systems Inc, Valencia, California , ήταν η πρώτη που συνέλαβε, σχεδίασε, ανάπτυξε , παρήγαγε και πούλησε αυτήν την τεχνολογία (RPT). Το 90% τέτοιων συστημάτων στην αγορά, έχει κατασκευαστεί από αυτήν. Από τα υπόλοιπα, τα μισά χρησιμοποιούν στερεολιθογραφία. Carp: οι έρευνές του απέδειξαν ότι δεν μπορούμε να βαθμολογήσουμε την καλύτερη κατασκευή, γιατί οι διάφορες τεχνικές αδυνατούν σε κάποιους τομείς, ενώ υπερέχουν σε άλλους. Ο σχεδιασμός ενός μοντέλου CAD, από το πανεπιστήμιο του Leeds, έδειξε ότι το RPT πρέπει να έχει :  Ακρίβεια διαστάσεων  Γεωμετρικές ανοχές ευθυγραμμίας, επιπεδότητας, κυκλικότητας, κλπ  Δυνατότητα κατασκευής τοιχωμάτων διαφορετικού πάχους  Δυνατότητα κατασκευής επιφανειών ελεύθερης μορφής  Δυνατότητα κατασκευής μικρών λεπτομερειών  Ακρίβεια κατά μήκος του κομματιού, όταν περιέχει επαναλαμβανόμενα χαρακτηριστικά. Στερεολιθογραφία 1984, Charles Hull : επινόησε την κατασκευή εξαρτημάτων με στερεολιθογραφία και το 1986, δημιούργησε την 3D Systems Inc. Ο όρος στερεολιθογραφία σημαίνει τρισδιάστατη εκτυπωτική ή σχεδιαστική διαδικασία. Προέρχεται από την ελληνική λέξη «στερεό» που αφορά το χώρο σε τρεις διαστάσεις και τη λέξη «λιθογραφία» που αφορά τη διαδικασία εκτύπωσης σε επιφάνεια. Η μέθοδος της στερεολιθογραφίας περιλαμβάνει τέσσερα βασικά στάδια :  Σχεδιασμός CAD  Προετοιμασία του κομματιού  Προετοιμασία της μηχανής και κατασκευή του πρωτοτύπου  Τελική επεξεργασία (φινίρσμα) του πρωτοτύπου, μετά την κατασκευή Ο σχεδιασμός του μοντέλου στο CAD μπορεί να γίνει είτε σαν στερεό είτε σαν τρισδιάστατη κλειστή επιφάνεια . Στη συνέχεια, το αρχείο με το μοντέλο CAD μετατρέπεται σε μορφή (αρχείο) STL και τροφοδοτεί τον σταθμό εργασίας, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με το σύστημα στερεολιθογραφίας . Στο στάδιο αυτό (προετοιμασία του κομματιού) : 30  Ελέγχεται το αρχείο STL  Το μοντέλο τοποθετείται στη σωστή θέση για την κατασκευή του.  Δημιουργείται η δομή υποστήριξης . Η δομή υποστήριξης αποσύρεται προσεκτικά από το πρωτότυπο, κατά την τελική επεξεργασία του.  Δημιουργούνται οι παράμετροι που είναι απαραίτητες στη διαδικασία της στερεολιθογραφίας.  Το μοντέλο τεμαχίζεται σε στρώσεις και δημιουργούνται τα αρχεία κατασκευής της μηχανής ) το πάχος των στρώσεων κυμαίνεται από 0,06mm μέχρι 0,50mm). Μετά την προετοιμασία του κομματιού : Τα αρχεία κατασκευής του κομματιού μεταφέρονται μέσω δικτύου στον υπολογιστή ελέγχου του συστήματος και αρχίζει η προετοιμασία της μηχανής και η διαδικασία της κατασκευής : Η κατασκευή ξεκινάει από τον πάτο του κομματιού και οι στρώσεις διαδέχονται η μία την άλλη στην κατασκευή, παράγοντας ολόκληρο το πρωτότυπο. Με τον τρόπο αυτό, μπορούν να κατασκευαστούν εξαιρετικά πολύπλοκα εξαρτήματα μέσα σε κλάσμα του χρόνου, που θα χρειαζόταν για μία συμβατική μέθοδο, όπως π.χ. εργαλειομηχανές CNC. Τα βασικά μέρη της συσκευής στερεολιθογραφίας :  Laser υπεριώδους ακτινοβολίας και τα οπτικά συστήματα εστίασης της δέσμης  Καθρέφτες κατεύθυνσης της ακτίνας Laser  Δοχείο (VAT) που περιέχει φωτοπολυμεριζόμενο υγρό  Σύστημα ευθυγράμμισης της επιφάνειας του υγρού  Σύστημα κατακόρυφη μετακίνησης του δοχείου, με βήματα ίσα με το πάχος των στρωμάτων 31 32 Συσκευή Laser : ηλίου – καδμίου ή ιονισμένου αργού υπέρυθρης ακτινοβολίας – Η ακτίνα εκπέμπεται από το σύστημα καθρεπτών προς τις διευθύνσεις X, Y της επιφάνειας της ρητίνης (στο δοχείο vat). Ξεκινώντας η κατασκευή μέσα στη ρητίνη, ακριβώς κάτω από την επιφάνειά της, βρίσκεται βυθισμένη η πλατφόρμα, πάνω στην οποία στηρίζονται τα κομμάτια που κατασκευάζονται. Η πλατφόρμα είναι στερεωμένη σε ένα σύστημα «ανελκυστήρα», ώστε να μπορεί να κινείται κατακόρυφα (διεύθυνση Ζ). Αρχικά, η ακτίνα Laser ακολουθεί την πρώτη οριζόντια τομή του CAD και σαρώνει το πρώτο στρώμα του κομματιού. Καθώς η ακτίνα αγγίζει την επιφάνεια της υγρής ρητίνης, αρχίζει ο πολυμερισμός της μόνο στις περιοχές που εκτίθενται στην ακτινοβολία . Το ποσοστό της ακτινοβολίας , που προσπίπτει και απορροφάται από το φωτοπολυμεριζόμενο υγρό, καθορίζει το βαθμό και το βάθος της στερεοποίησης του στρώματος. Το βάθος διείσδυσης της ακτίνας Laser ελέγχεται, με βάση τις παραμέτρους της (ταχύτητα, ισχύς, εστίαση). Με τη διείσδυσή της, τα διαδοχικά στρώματα συνδέονται μεταξύ τους. Μόλις το πρώτο στρώμα στερεοποιηθεί, το σύστημα του ανελκυστήρα βυθίζει την πλατφόρμα τόσο, όσο το πάχος ενός στρώματος. Καθώς βυθίζεται το στερεοποιημένο στρώμα, καλύπτεται με νέα υγρή ρητίνη, ενώ η στάθμη της επιφάνειας ευθυγραμμίζεται από το ειδικό σύστημα. Η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται, μέχρις ότου ολοκληρωθεί το κομμάτι. Ο ανελκυστήρας συνεχίζει να βυθίζεται , στρώμα με στρώμα, μέχρι να ολοκληρωθεί και το τελευταίο στρώμα του κομματιού, οπότε η πλατφόρμα με το έτοιμο κομμάτι βγαίνει από το δοχείο . Το κομμάτι αφαιρείται από την πλατφόρμα , αποστραγγίζεται από τα περισσεύματα της ρητίνης στα κοιλώματά του και καθαρίζεται από την υγρή ρητίνη στην επιφάνειά του, με τη βοήθεια διαλυτών (π.χ. ασετόν), πεπιεσμένου αέρα ή υπερήχων. Μετά τον καθαρισμό του, το κομμάτι είναι μερικώς στερεοποιημένο. Γι’ αυτό τοποθετείται με προσοχή μέσα στη συσκευή έκθεσης σε υπέρυθρη ακτινοβολία, πάνω σε ένα περιστρεφόμενο τραπέζι, για σύντομο χρονικό διάστημα. Έτσι ολοκληρώνεται η στερεοποίησή του. Ακολουθεί το φινίρισμα (τελική επεξεργασία) της εξωτερικής επιφάνειάς του, επειδή τα στρώματα της κατασκευής φαίνονται. Γίνεται με τρίψιμο στο χέρι, με λίμα ή γυαλόχαρτο, ή με μηχανουργική κατεργασία (ρεκτιφιέ). Στη συνέχει βάφεται και διακοσμείται, για να γίνει πιο εντυπωσιακό. 33 Τα πολυμερισμένα κομμάτια, μετά τη στερεοποίησή τους , χαρακτηρίζονται από ευθραυστότητα , ολκιμότητα ή ελαστικότητα. Οι ιδιότητες αυτές εξαρτώνται από τον τύπο του φωτοπολυμεριζόμενου υγρού : η αρχική, ακρυλική ρητίνη δημιουργεί εύθραυστα κομμάτια, με μεγάλο συντελεστή συρρίκνωσης. Οι νεότερες, εποξικές ρητίνες έχουν μικρό συντελεστή συρρίκνωσης και μεγαλύτερη ολκιμότητα και ελαστικότητα. Ο χρόνος κατασκευής ενός κομματιού εξαρτάται από την πολυπλοκότητα και την ακρίβεια της κατασκευής, η οποία καθορίζεται από τον αριθμό των στρωμάτων του κομματιού. Μια κυψελοειδής δομή μειώνει το χρόνο κατασκευής από όσο η συμπαγής δομή. Συστήματα πρωτοτυποίησης Σύστημα Solider (SGC) Βασίζεται στη μέθοδο ταχείας κατασκευής πρωτοτύπων Solid Ground Curing (SGC), που αναπτύχθηκε από την Gupital, Ισραήλ. Τα μοντέλα της Gupital, ονομάζονται Solider 4600 και Solider 5600. Αποτελούνται από ένα σταθμό εργασίας και τη μηχανή κατασκευής πρωτοτύπων. Ο σταθμός εργασίας χρησιμοποιεί λειτουργικό σύστημα UNIX που τρέχει το λογισμικό Solider. Η διαδικασία SGC ξεκινάει, μόλις εισαχθεί το τρισδιάστατο μοντέλο CAD και καθοριστεί το πάχος των στρώσεων της κατασκευής του μοντέλου.  Τα δεδομένα της οριζόντιας τομής δημιουργούνται από τον υπολογιστή και στέλνονται ως είδωλο στον εκτυπωτή μάσκας. Ένα γυάλινος πίνακας φορτίζεται από ιόντα και το ηλεκτροστατικό μελάνι, που απλώνεται στη γυάλινη επιφάνεια, εμφανίζει το αρνητικό είδωλο της τομής. Την ίδια στιγμή, ένα στρώμα 0,15-0,20mm υγρής φωτοπολυμεριζόμενης ρητίνης τοποθετείται στην επιφάνεια του κομματιού.  Στη συνέχεια, η μάσκα έκθεσης μετατοπίζεται ανάμεσα στη λάμπα υπεριώδους ακτινοβολίας και στο κομμάτι. Το κλείστρο ανοίγει για 3 δευτερόλεπτα και το κομμάτι εκτίθεται μόνο από τις διαφανείς περιοχές της μάσκας. Όλες οι περιοχές που εκτέθηκαν στην υπεριώδη ακτινοβολία στερεοποιούνται πλήρως . 34  Το σχέδιο της στρώσης που στερεοποιήθηκε σβήνεται, με μηχανικό και ηλεκτροστατικό τρόπο και η μάσκα επανέρχεται στη θέση σχεδιασμού της νέας στρώσης.  Στο σημείο αυτό, αρχίζει η κατασκευή του μοντέλου: το φορείο του κομματιού κινείται στο ειδικό αναρροφητικό σύστημα, το οποίο απομακρύνει την υγρή, μη στερεοποιημένη ρητίνη και το κομμάτι , χωρίς τη μάσκα τώρα, εκτίθεται ξανά στην υπεριώδη ακτινοβολία. Έτσι, στερεοποιούνται τα υπολείμματα της ρητίνης που δεν απομακρύνθηκαν από τον απορροφητήρα.  Μετά, το φορείο του κομματιού μετακινείται σε μία άλλη ειδική θέση, όπου πάνω στο κομμάτι απλώνεται κερί (πάχος στρώσης 0,20mm) , γεμίζοντας τα κενά και τις κοιλότητες που δημιούργησε η αναρρόφηση.  Μία ειδική πλάκα κρυώνει και στερεοποιεί το κερί και μια φρεζοκεφαλή καθαρίζει το επιπλέον κερί, ενώ τα γρέζια συλλέγονται με ένα σύστημα κενού .  Τέλος, το κομμάτι χαμηλώνει, νέα ρητίνη απλώνεται για το επόμενο στρώμα και η όλη διαδικασία συνεχίζεται, μέχρι να ολοκληρωθεί πλήρως το κομμάτι. Ο χρόνος κατασκευής κάθε στρώματος είναι περίπου 90 δευτερόλεπτα.  Όταν τα κομμάτι ολοκληρωθεί είναι εγκλωβισμένο μέσα στο κερί, το οποίο απομακρύνεται είτε με τήξη σε φούρνο μικροκυμάτων είτε ξεπλένοντάς το , οπότε αποκαλύπτεται το πρωτότυπο. Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου SGC  Πιο παραγωγική, κατά 10-15 φορές, από άλλα συστήματα RPT που βασίζονται σε φωτοπολυμερισμό.  Μπορεί να κατασκευάσει οποιοδήποτε σχήμα σε κάθε πιθανή τοποθέτηση.  Τα κομμάτια δεν χρειάζονται πρόσθετη έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία μόλις κατασκευαστούν , γιατί χτίζονται σε ομάδες κατά τη διάρκεια της νύχτας  Η χρήση του κεριού, που υποβαστάζει το κομμάτι, διευκολύνει γεωμετρίες που επικρέμονται.  Δεν χρειάζεται πρόσθετη στερεοποίηση.  Δεν χρειάζονται υποστηρίγματα του κομματιού ( γιατί συνδυάζεται το στέρεο πολυμερές με το κερί).  Δεν υπάρχουν περιορισμοί γεωμετρίας  Υψηλή παραγωγικότητα 35 Τα μειονεκτήματα της μεθόδου SGC  Παράγεται μεγάλος όγκος αποβλήτου  Η ρητίνη που συλλέγεται από τον απορροφητήρα και από το σύστημα κενού δεν μπορεί να ξαναχρησιμοποιηθεί.  Η υγρή ρητίνη είναι ανθυγιεινή : πρόβλημα αυτό μειώνεται, κατασκευάζοντας περισσότερα κομμάτια σε κάθε κατασκευαστικό κύκλο.  Το σύστημα κενού που καθαρίζει την επιφάνεια, δεν απομακρύνει εντελώς το φωτοπολυμερές υγρό, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται επιφανειακές ανωμαλίες και η κατασκευή να μην είναι ακριβής.  Το Solider 5600 είναι πολύ μεγάλο μηχάνημα και απαιτεί ειδική πρόβλεψη τοποθέτησης (4070mm x 1686mm) Σύστημα (SLS) Laser αερίου Co2 Μέθοδος ταχείας κατασκευής πρωτοτύπων RPT, με χρήση υλικού σε πούδρα (σκόνη). H SLS δημιουργεί τρισδιάστατα αντικείμενα από διαδοχικά στρώματα, τα οποία κατασκευάζονται από πούδρα διαφόρων υλικών, που λιώνει με Laser διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Η κατασκευή με υλικά σε σκόνη δίνει πορώδη και άγρια αντικείμενα. H διαδικασία ξεκινάει από το μοντέλο CAD του αντικειμένου. Το μοντέλο τοποθετείται στην επιθυμητή θέση στο χώρο και αφού τεμαχιστεί, δημιουργείται αρχείο, στο οποίο περιγράφονται οι φέτες του, πάχους 0,13 – 0,51mm. Η κατασκευή εξελίσσεται με στρώματα από σκόνη θερμοπλαστικού ή κεριού: Ένα λεπτό στρώμα πούδρας, που λιώνει με θερμότητα, απλώνεται πάνω στον κύλινδρο κτισίματος των κομματιών, μέσα στο θάλαμο κατασκευής. Στη συνέχεια το Laser CO2 σαρώνει το στρώμα της πούδρας, ιχνογραφώντας το πρώτο στρώμα του κομματιού. Καθώς το Laser προσπίπτει στην πούδρα, αυξάνει τη θερμοκρασία της , μέχρι το σημείο τήξης της. Τα σωματίδια της πούδρας λιώνουν και ενοποιούνται σε μία μάζα. Η ένταση του Laser ελέγχεται, ώστε να λιώνει την πούδρα μόνον τοπικά, δηλαδή στις γεωμετρικές περιοχές του κομματιού. Μέσω ενός μηχανισμού με κύλινδρο απλώνεται ένα νέο στρώμα πούδρας, πάνω στην ίδια επιφάνεια που έχει ήδη σαρωθεί. Η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται, μέχρι να ολοκληρωθεί το κομμάτι. 36 Το υλικό, που βρίσκεται μέσα στον κύλινδρο κατασκευής και περιβάλλει το κομμάτι, λειτουργεί σαν υποστήριγμα. Γι’ αυτό δεν χρειάζεται η κατασκευή υποστηριγμάτων , όπως σε κάποια συστήματα RPT φωτοπολυμερών. Επίσης, τα υπολείμματα της πούδρας, μετά το πέρασμα του κυλίνδρου ευθυγράμμισης της επιφάνειας, συλλέγονται σ’ ένα δοχείο και μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν. Όταν ολοκληρωθεί η κατασκευή του , το κομμάτι αφαιρείται από το θάλαμο κατασκευής και ακολουθεί το φινίρισμά του, όπως τρίψιμο με γυαλόχαρτο Στη μέθοδο SLS, η επιπλέον κατεργασία που χρειάζονται τα κομμάτια είναι ελάχιστη. Ο εξοπλισμός SLS περιλαμβάνει: τον υπολογιστή ελέγχου, τον έλεγχο ατμόσφαιράς και το θάλαμο κατασκευής. - Ο υπολογιστής ελέγχου βασίζεται σε λειτουργικό σύστημα UNIX, στο οποίο δημιουργούνται τα αρχεία STL και τα αρχεία τεμαχισμού του μοντέλου σε φέτες. Ο υπολογιστής ελέγχου παρακολουθεί όλη τη διαδικασία κατασκευής. - Η μονάδα ελέγχου ατμόσφαιρας περιλαμβάνει τα όργανα φιλτραρίσματος και ανακύκλωσης των αερίων του θαλάμου κατασκευής. Διατηρούν σταθερή τη θερμοκρασία του αέρα μέσα στο θάλαμο και ρυθμίζουν την ποσότητα του αζώτου μέσα στη μονάδα. - Ο θάλαμος κατασκευής περιλαμβάνει το Laser και το σύστημα διαχείρισης της πούδρας. Το Laser εστιάζεται με τα κατάλληλα οπτικά . Η σάρωση της επιφάνειας της πούδρας από την ακτίνα Laser γίνεται με καθρέφτες. Στις δύο απέναντι πλευρές του κυλίνδρου υπάρχουν δύο αποθήκες υλικού : η μία τροφοδοτεί με νέο υλικό και η άλλη συλλέγει τα υπολείμματα από το στρώσιμο και την ευθυγράμμιση της επιφάνειας του υλικού. Το κτίσιμο των κομματιών ξεκινάει με την θέρμανση της ατμόσφαιρας του θαλάμου κατασκευής και γεμίζεται με άζωτο. Πλεονέκτημα : Μπορεί να χρησιμοποιηθεί μία γκάμα υλικών, όπως κερί, θερμοπλαστικά, κεραμικά, μέταλλα και συνθετικά υλικά , σε αντίθεση με άλλα συστήματα ταχείας κατασκευής πρωτοτύπων. 37 Χαρακτηριστικά των υλικών που χρησιμοποιούνται : - Κερί: για μοντέλα, τα οποία στη συνέχεια επενδύονται με κεραμικό, σχηματίζοντας καλούπια για την έγχυση μετάλλων: το μέταλλο, μπαίνοντας στο καλούπι, λιώνει το κερί και καταλαμβάνει τη θέση του. Ο τύπος της έγχυσης λέγεται έγχυση επένδυσης και δημιουργεί πρωτότυπα και τμήματα καλουπιών. - Πολυκαρμπονάτο : ανθεκτικό υλικό, αντοχή στη θερμότητα , κατάλληλο για την κατασκευή λειτουργικών πρωτοτύπων , ανθεκτικών μοντέλων εγχύσεων επένδυσης για μεταλλικά καλούπια, καθώς και για τύπωμα σε άμμο. - Νάυλον : υλικό με χημική & θερμική αντοχή - Χρησιμοποιείται για την ταχεία κατασκευή πρωτοτύπων που διατίθενται σήμερα στην αγορά. - Fine Naylon : μηχανική ,θερμική και χημική αντοχή, καθώς και εξαιρετική παρουσίαση λεπτομερειών, όταν αυτή απαιτείται. Χρησιμοποιείται στην κατασκευή λειτουργικών πρωτοτύπων με μεγάλη λεπτομέρεια. - Μέταλλα – μήτρα : χαλκός/ατσάλι (χάλυβας) με συνδετικό θερμοπλαστικό υλικό - Για την ταχεία κατασκευή εργαλείων καλουπιών με τη μέθοδο της DTM Rapid Tool από τα μοντέλα Sinterstation 2000 & 2500. Mε τη μέθοδο αυτή κατασκευάζονται κοιλότητες και πυρήνες καλουπιών. 38