Dobór materiałów konstrukcyjnych – projekt

Jan Pańka

Mechatronika grupa I

Oprawki do okularów

1. Dane wyjściowe:

Okulary – przyrząd optyczny 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 niepowtarzającym 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

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 na rozciąganie ok. 100 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.

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 - stop 68% niklu, 30% miedzi, 1% żelaza, 1% manganu. 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.

Stop chromowo-niklowy - charakteryzuje się wysoką odpornością na korozję, niską plastycznością, nie nadaje się do obróbki skrawaniem. Na terenie Azji stosowany do wyrobu całych opraw. W Europie jest używany do produkcji małych elementów o wysokiej wytrzymałości.

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 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 130 N/mm2, udarność 90 KJ/m2,

cechy termiczne: temperatura, przy której można zginać nie niższa niż 80 °C (optymalnie 100 - 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.

Poliamid (PA)

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.

5. Zastosowanie metody właściwości ważonych do wyboru materiału

L.p.	Cecha (kryterium)	A	Aluminium		Nikiel		Żywice epoksydowe (EP)		Poliamid (PA)
			B	Y=A *B	B	Y=A B	B	Y=A *B	B	Y=A *B
1	Aspekt mechaniczny	0,20	60	12,00	40	8,00	90	18,00	85	19,00
2	Odporność korozyjna	0,15	50	7,50	50	7,50	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	15	4,50	90	17,00	65	19,50
Suma Y		1,25	72,75		51,50		92,00		80,00

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. Metale dostały mniejsze noty, ponieważ i nikiel i aluminium utleniają się tworząc ”barierę” przed rdzewieniem w postaci tlenków niklu i tlenków aluminium jednak, gdy zarysujemy metal to nieutleniony rdzeń zacznie nam rdzewieć. Trzecim aspektem jest odporność temperaturowa materiału. 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 duża 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. Nikiel 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 nikiel 40zł/kg a kończąc na tworzywach sztucznych za 5 do 10zł/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.