Dobór materiałów konstrukcyjnych – projekt
Jan Pańka
Mechatronika grupa I
Oprawki do okularów
1. Dane wyjściowe:
Okulary – przyrząd optyczny mający różne zastosowania. Jednak najczęściej jest to
przyrząd znoszący lub zmniejszający skutki wrodzonej lub nabytej wady wzroku, takiej jak
nadwzroczność, krótkowzroczność jak i również element mody lub ubioru ochronnego.
Nie wiadomo, kto i kiedy wynalazł okulary. Jedna z legend mówi, że wynalazcą jest
angielski filozof Roger Bacon. O tym, że przez szkło widzi się lepiej, wiedziano już w
starożytności. Liczne przekazy mówią, że rzymski cesarz Neron oglądał walki gladiatorów przez
specjalnie wyszlifowany szmaragd. Pierwsze przyrządy, które można by nazwać okularami
pojawiły się już w X wieku u Arabów. W Europie zaś okulary korekcyjne pojawiły się w XIV
wieku, były jednak bardzo niedokładne. Pierwszym patentem związanym z okularami był patent
Jamesa Escotta. W 1752 roku opatentował okulary przeciwsłoneczne.
Obecnie największymi producentami i eksporterami okularów są Włochy najczęściej są to
dobrej jakości okulary, indywidualnie dopasowane do klienta. Drugie miejsce zajmuje Hongkong
produkowane tam okulary są niskiej jakości, bez możliwości ich regulacji, przy wykorzystaniu
najtańszej siły roboczej w celu obniżenia kosztów produkcji.
Okulary możemy podzielić na kilka podgrup:
a)
Okulary korekcyjne – okulary korygujące wady wzroku.
b)
Okulary przeciwsłoneczne – odmiana okularów służąca do ochrony wzroku przed silnym
światłem słonecznym. Znajdują zastosowanie szczególnie w okresie letnim w miejscach, w
których Słońce operuje najintensywniej, a zatem na plażach, pokładach łodzi, , a także na
drogach i ulicach wszędzie tam, gdzie światło słoneczne dociera do powierzchni ziemi w
warunkach bez zachmurzenia i zamgleń.
c)
Okulary ochronne – okulary, które za zadanie mają chronić oczy pracowników przed
urazami mechanicznymi lub świetlnymi
d)
Okulary polaryzacyjne – okulary z filtrem polaryzacyjnym, przez który przedostaje się
jedynie światło o polaryzacji zgodnej z kierunkiem polaryzacji filtru, dzięki czemu m.in. nie
są widoczne niepotrzebne odbicia od powierzchni niemetalicznych.
e)
Okulary trójwymiarowe – służą do oglądania filmów 3D. Zbudowane są z papierowej
oprawki i dwukolorowej folii. Zasada działania jest prosta – każde oko widzi inny obraz.
Oglądając film trójwymiarowy można odnieść wrażenie, że stoimy w samym środku
rozgrywającej się sceny, wydaje się jakby wszystko było na wyciągnięcie ręki.
2. Charakterystyka warunków pracy:
Charakterystyka pracy okularów będzie zależeć od warunków w jakich będą one pracowały.
Okulary przeciwsłoneczne będą pracować na pełnym słońcu zaś okulary ochronne będą chronić
przed drzazgami, wiórami, iskrami.
W moim projekcie zajmę się bliżej oprawkom do okularów korekcyjnych.
Oprawki do okularów korekcyjnych są poddawane są jednostkowym nie powtarzającym się
obciążeniom. Siły występujące na nie występują jedynie gdy opuścimy lub przygnieciemy okulary.
Wartość obciążenia przypadająca na nie waha się w granicach od 50 – 150 N.
Okulary więc powinny wykazywać się wytrzymałością na poziomie wystarczającym do
codziennego użytkowania. Materiał powinien także być odporny na lekkie wyginanie lub
odkształcanie. Z tego powodu min. Rm=50 MPa (wytrzymałość na rozciąganie), a min. Re=75 MPa
(granica plastyczności) oraz twardość na poziomie co najmniej 30 HB.
Środowisko w jakim pracują oprawki jest dość lekkie. Wybrany materiał powinien być jak
najmniej aktywny chemicznie, odporny na tłuszcze oraz pot. Musi być odporny na działanie wody
(korozję). Jeżeli się jest alergikiem, konieczne jest zwrócenie uwagi na to z czego jest wykonana
oprawka. Można być uczulonym na nikiel jak i na inne metale lub na niektóre tworzywa sztuczne.
Istnieją materiały antyalergiczne i należy takich wtedy szukać.
Zakres temperatur pracy wynosi od ok. -30 °C do +50°C
3. Wymagania stawiane wyrobowi:
- sztywność, niezmienność kształtu;
- odporność korozyjna w podanych warunkach pracy;
- niezmienność właściwości w zakresie temperatur pracy;
- mała masa wyrobu;
- niska cena wyrobu;
- mała aktywność chemiczna;
4. Propozycja materiału i technologii wykonania:
Oprawki wytwarza się z wielu materiałów lecz głównie z metalu oraz z tworzywa
sztucznego.
a) Metalowe: - są bardziej eleganckie;
- mniej widoczne na twarzy, ale i delikatniejsze;
- posiadają za to tzw. noski, którymi można indywidualnie dopasować oprawkę;
-występują w wielu kolorach;
Do produkcji opraw z metalu najczęściej stosowane są następujące materiały:
Aluminium 7055
Skład aluminium 7055: 8,0% Zn, 2,3% Cu oraz 2% Mg
Cechy fizyczne: gęstość 2,7 g/cm3, temperatura topnienia 660 °C,
Cechy chemiczne: duża odporność na korozję wynikająca stąd, że na powierzchni metalu
tworzy się warstwa szczelna warstwa tlenku zapobiegająca dalszemu utlenianiu,
Cechy technologiczne: wytrzymałość 700 N/mm2, twardość 30 HB. To, co wyróżnia
aluminium spośród innych metali to jego mały ciężar właściwy (około trzy
razy
mniejszy niż stali). Charakteryzuje się dużą plastycznością na zimno. Stosunkowo
niska wytrzymałość na rozciąganie, zginanie, oraz twardość znacznie
podnosi się
w wyniku obróbki plastycznej na zimno. Istnieje duża różnorodność
stopów
aluminium. Naturalna zdolność do tworzenia ochronnej warstwy tlenku znacznie
ogranicza możliwość spawania i lutowania, co prowadzi do tego, że w
produkcji
oprawek stosowany jest głównie w charakterze dekoracji - anodowane powłoki
aluminiowe mogą być barwione w bardzo wielu kolorach.
Najlepsza metoda otrzymania oprawek z aluminium jest odlewanie kokilowe a następnie
zastosowanie obróbki plastycznej na zimno która podnosi początkowo niska
wytrzymałość na zginanie, rozciąganie oraz twardość.
Ciekawostka: z 3 puszek aluminiowych 0,33l można zrobić oprawki do okularów.
Nikiel
Cechy fizyczne: gęstość 8,9 g/cm3, temperatura topnienia 1455 °C, charakterystyczny
srebrzysty połysk
Cechy chemiczne: duża odporność na korozję
Cechy technologiczne:
- wytrzymałość na rozciąganie ok. 400 N/mm2,
- twardość 70 HB
- wysoka ciągliwość
- duża wytrzymałości na zginanie,
- dobra plastyczność na zimno i gorąco,
- dobra spawalność i lutowalność.
Do produkcji opraw stosuje się stopy: nowe srebro, monel, stop chromowo-niklowy. Nikiel
może wywoływać reakcje alergiczne, dlatego w niektórych krajach, towary, które
mają bezpośredni kontakt ze skórą i które uwalniają w ciągu tygodnia więcej niż 0,5
mikrograma niklu na cm2 muszą być odpowiednio oznaczone. Oprawy, w których
zawartość niklu nie budzi zastrzeżeń często w tych krajach opatrzone są formułą
"oprawa nie zawiera niklu".
Monel 400 - stop 68% niklu, 30% miedzi, max 2,5% żelaza, max 2% manganu oraz 0,3% węgla.
Cechy fizyczne: gęstość wynosi 8,4-8,8 g/cm³, a temperatura topnienia 1300–1950 °C.
Cechy chemiczne: charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję, około 25% spadek
twardości przy lutowaniu, niska sprężystość. Od długiego czasu stosowany do
produkcji opraw. Ze względu na niską sprężystość stosowany na zauszniki w
kombinacji ze sprężynującymi zawiasami. Stosowany na elementy maszyn
pracujących w styczności z agresywnymi substancjami np. łopatki turbin parowych.
Najlepsza metodą wytwarzania oprawek z monelu będzie odlewanie kokilowe lub
odlewanie skorupowe oraz poddanie ich dalszej obróbce na zimno lub gorąco.
b) Tworzywo sztuczne:
- są grubsze i bardziej trwałe;
- świetnie się sprawdzają jako okulary do czytania;
- w ciemniejszych lub żywszych kolorach są bardziej widoczne na twarzy a przez to
odwracają uwagę np. od od grubości soczewek;
- nie posiadają jednak nosków i oprawki muszą mieć odpowiednią szerokość mostka
odpowiednią do nosa użytkownika;
- słaba odporność na tłuszcze oraz pot;
- mogą być wykonane metodą wtryskową (uzyskiwane z formy, a potem odpowiednio
kształtowane);
- mogą być wykonane z płyty (wycinane z płyty, a potem odpowiednio kształtowane);
Do produkcji opraw z tworzyw sztucznych najczęściej stosowane są następujące materiały:
Żywice epoksydowe (EP)
Często kryjące się pod nazwą handlową "optyl", to jeden z najnowocześniejszych
materiałów stosowanych do produkcji plastikowych opraw okularowych.
Cechy mechaniczne: gęstość 1.1 g/cm3, twardość kulkowa 130N/mm2, udarność 90KJ/m2.
Cechy termiczne: temperatura, przy której można zginać nie niższa niż 80 °C (optymalnie
100°C - 130°C, temperatura niszcząca 250 °C.
Nieco problematyczne jest dopasowywanie opraw do kształtu głowy gdyż żywice
epoksydowe mają zdolność "pamiętania" kształtu nadanego w procesie produkcji.
Każdorazowo oprawa po podgrzaniu wraca do pierwotnej (nadanej w procesie
wytwarzania) formy, jednak po schłodzeniu zachowuje ostatnio nadany kształt.
Oprawy z żywic epoksydowych wytwarzane są w drodze odlewania w odpowiednio
przygotowanych formach. A następnie ręcznie wykańczane poprzez szlifowanie.
Poliamid odlewany PA 6G
Jest nazwą, za którą kryje się grupa tworzyw sztucznych o dosyć różnych własnościach.
Nazwy handlowe poliamidu to: perlon, nylon, rilsan, ultramid. Posiada bardzo dużą
odporność na złamanie i udarność.
Cechy mechaniczne: gęstość 1.04 g/cm3, wytrzymałość na rozciąganie 75 N/mm2,
Cechy termiczne: temperatura, przy której można zginać oprawę 50 - 80 °C, temperatura
przy której można formować oprawę 100 - 110 °C, temperatura niszcząca 150°C.
Poliamid charakteryzuję się wysoką odpornością na działanie kosmetyków, olejów,
potu,alkoholu. Może być przyczyną alergii.
Oprawki możemy otrzymać poprzez odlewanie, wytłaczanie oraz formowanie wtryskowe.
5. Zastosowanie metody właściwości ważonych do wyboru materiału
L.
p.
Cecha
(kryterium)
A
Aluminium
7055
Monel 400
Żywice
epoksydowe
(EP)
Poliamid
odlewany
PA 6G
B
Y=A *B
B
Y=A *B
B
Y=A *B
B
Y=A *B
1
Aspekt
mechaniczny
0,20
60
12,00
60
16,00
90
18,00
85
19,00
2
Odporność
korozyjna
0,15
50
7,50
85
12,75
100
15,00
100
15,00
3
Odporność
temperaturowa
0,15
85
12,75
90
13,50
20
3,00
10
1,50
4
Mała masa
0,30
20
6,00
60
18,00
85
25,50
90
27,00
5
Aktywność
chemiczna
0,15
90
13,50
0
0,00
90
13,50
0
0,00
6
Koszt
0,30
90
27,00
30
9,00
25
7,50
35
10,50
Suma Y
1,25
78,75
69,25
82,50
71,00
6. Wnioski:
Najbardziej odpowiednim materiałem do wykonania oprawek do okularów jest żywica
epoksydowa (EP), ze względu na swoją dobrą odporność korozyjną, małą masę. Niski koszt
wykonania (odlewanie) i łatwość dostępu do materiału również przychylają się do wyboru tego
materiału. Gdy nie zależy nam na cenie produktu (w przypadku produktów robionych na
zamówienie, jednostkowych) można użyć takich materiałów jak złoto, srebro czy chrom. Ich
jedynym mankamentem jest bardzo wysoka cena. Możliwość recyklingu zarówno aluminium jak i
niklu powoduje zwiększenie ich ekologicznej wagi i czyni je bardziej przyjaznymi dla środowiska.
W ostatnim czasie zwłaszcza wśród panów chętnie wybierane są oprawki z tytanu. Cechują je o
50% większa lekkość, 20% większa antykorozyjność i hipoalergiczność (nie wywołują alergii).
Niestety oprawki z tytanu również mogą ulec uszkodzeniu, jednak w tym przypadku ich spawanie
w celu naprawy raczej nie będzie możliwe jak w przypadku aluminium.
II
Metoda właściwości ważonych:
1. Zastosowanie metody właściwości ważonych do wyboru materiału
Głównym aspektem branym pod uwagę przy doborze materiału był aspekt ekonomiczny.
Cena okularów jest głównym kryterium, jakim kierujemy się podczas ich zakupu. Następnym
aspektem jest komfort noszenia oraz wygląd oprawek. Jeżeli jest się alergikiem to ważnym
aspektem jest hipoalergiczność oprawek jednak niewiele jest osób uczulonych na dane materiały.
Ważnym aspektem jest również aspekt mechaniczny, czyli odporność oprawek na wyginanie,
odporność na upadki czy również waga samych okularów. W mniejszym stopniu jest brane pod
uwagę także odporność na korozje oraz odporność temperaturową oprawek, ponieważ realnym
zakresem pracy okularów nie będzie temperatura wyższa niż 50°C.
2. Komentarz pisemny:
W pierwszym aspekcie nazwanym aspektem mechanicznym są zawarte takie cechy
materiału jak odporność na zginanie, odporność na upadki, odporność na zgniecenie. Dlatego
tworzywa sztuczne dostały wysokie noty w tym zestawieniu, ponieważ są to nowoczesne materiały,
które są lekkie a mają wysoką wytrzymałość. Metale również są odporne na siły działające na nie,
lecz nie znoszą ich tak dobrze jak tworzywa sztuczne. Następnym aspektem zawartym w tabeli jest
odporność na korozje. Głównym czynnikiem branym tutaj pod uwagę jest, aby wszystkie
mechanizmy zawarte w oprawkach nie korodowały pod wpływem potu lub wody, dlatego tworzywa
sztuczne dostały wysoki noty wynikające z tego, że te tworzywa nie korodują. Aluminium dostało
najniższe noty, ponieważ aluminium utlenia się tworząc ”barierę” przed rdzewieniem w postaci
tlenków aluminium jednak, gdy zarysujemy metal to nieutleniony rdzeń zacznie nam rdzewieć.
Trzecim aspektem jest odporność temperaturowa materiału. Natomiast monel jest odporny na
korozje więc dostał wysoką notę. Tutaj metale otrzymały dużo wyższe noty od tworzyw sztucznych
z racji tego, iż do uplastycznienia metalu potrzebujemy dużo wyższych temperatur (pow. 500°C) a
dla tworzyw sztucznych są to już temperatury w zakresie 80°C-100°C. Następnie jednym z
ważniejszych kryteriów wyboru materiału jest mała masa oprawek. Tutaj dużą role odgrywa gęstość
materiału, z jakiego jest wykonana oprawka do okularów. Dla tworzyw wynosi ona troszkę powyżej
1.10 g/cm3 a dla metali powyżej 5.0 g/cm3 dlatego oprawki wykonane z metalu będą cięższe,
zatem wygoda korzystania z okularów będzie niższa. Następnym mniej ważnym aspektem
zawartym w tabeli jest aktywność chemiczna materiału. Monel jak i poliamid dostały tutaj oceny 0
ponieważ mogą one wywołać reakcje alergiczne. Aluminium i żywice epoksydowe nie wywołują
reakcji a również są odporne na pot jak oraz tłuszcze. Ostatnim jednym z dwóch najważniejszych
czynników branych pod uwagę wybierając materiał na oprawki okularowe jest koszt wytworzenia
produktu oraz koszt materiału z jakiego jest on wytwarzany. Zaczynając od aluminium który
kosztuje 5zł/kg poprzez drogi monel 40zł/kg a kończąc na tworzywach sztucznych za 30
(poliamid) do 50zł/kg.
Z tabeli właściwości ważonych wynika ze najlepszym materiałem na oprawki okularowe
jest żywica epoksydowa. Jest to materiał posiadający niezmienność swoich parametrów w czasie.
Oprawy wykonane z tego materiału charakteryzują się lekkością, odpornością na zarysowania,
odpornością na deformacje nawet w stosunkowo wysokiej temperaturze. Oprawy z żywic
epoksydowych wytwarzane są w drodze odlewania w odpowiednio przygotowanych formach.
Niestety następnie trzeba je poddać procesowi obróbki plastycznej, czyli ucięcia wlewów
doprowadzających materiał do formy oraz wygładzeniu wszystkich ostrych krawędzi. W
nowoczesnych zakładach linia produkcyjna oprawek jest całkowicie zautomatyzowana, co sprzyja
wydajności zakładu. W mniejszych zakładach również można produkować oprawki, lecz w tych
zakładach jest linia pół-automatyczna, czyli niektóre prace wykonuje człowiek.