Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 8
1.1. Рельеф и фактура в дизайне и декорировании изделий 8
1.2. Фактура, полученная в ходе неуправляемых процессов 11
1.3. Процессы, подчиняющиеся физическим и химическим законам, происходящим в природе, без участия человека 13
1.4. Процессы, управляемые генами и условиями окружающей среды 14
1.5. Процессы, регулируемые желаниями людей или инстинктами животных 17
Глава2. Исследование воздушно-абразивной обработки древесины 31
2.1. Методика исследования 32
2.2. Влияние факторов воздушно-абразивной обработки на ее результаты 41
2.3. Исследование влияния материала масок, 56
Глава 3. Математическое планирование эксперимента 64
3.1. Параметры и факторы эксперимента, матрица планирования 64
3.2. Уравнения регрессии 67
Глава 4. Дизайн изделий с рельефной текстурой 75
4.1 Классификация изделий 75
4.2 Изделия, декорированные рельефной текстурой по всей поверхности 80
4.3 Изделия, в которых рельефной текстурой декорирован фон 84
4.3.1 Влияние вида распила 84
4.3.2 Особенности размещения текстов 86
4.3.3 Выбор породы древесины.. 87
4.3.4 Влияние возраста древесины 92
4.3.5 Влияние цвета и освещенности 94
4.4. Изделия, в которых рельефная текстура выполнена на элементах декора 91
4.5. Комбинированные изделия 99
Глава 5. Практические рекомендации 102
5.1. Результаты промышленного опробования 102
5.2. Оборудование для воздушно-абразивной обработки художественно-промышленных изделий 109
Основные результаты и выводы 112
Библиографическое описание 113
- Процессы, управляемые генами и условиями окружающей среды
- Влияние факторов воздушно-абразивной обработки на ее результаты
- Параметры и факторы эксперимента, матрица планирования
- Изделия, декорированные рельефной текстурой по всей поверхности
Введение к работе
В современном мире натуральные материалы - древесина, камень и др. становятся все более востребованы человеком. Такие материалы по-прежнему играют значимую роль в дизайне, являясь носителями уникальных форм, рисунков и оттенков цвета. Художественно-промышленные изделия из древесины не только отражают природную красоту, но и являются элементами престижа, предметами выгодного вложения капитала. Для художника и дизайнера древесина всегда была активной компонентой творчества, позволяющей быть соавтором природы.
Древесина все шире используется как экологически чистый материал. Но возобновляемость ресурсов древесины не соответствует интенсивности сегодняшнего потребления. А учитывая тот факт, что леса - это легкие планеты, в скором времени вырубку деревьев придется жестко квотировать.
Тем сильнее возникает необходимость в максимально полном использовании полезных свойств древесины. Особенно остро проблема стоит в России, которая обладая четвертью всех мировых запасов леса, дает всего 2% мирового экспорта лесопромышленной продукции [1]. Для исправления этой ситуации необходима глубокая переработка леса отечественными предприятиями. Любой современный продукт не обходится без качественного дизайна. А современный промышленный дизайн - это, прежде всего новые технологии, позволяющие облечь идею в форму. Одной из перспективных технологий является воздушно-абразивная обработка древесины, позволяющая проявить уникальную рельефную текстуру и формировать декоративные элементы. Воздушно-абразивная обработка получила широкое распространение в Англии, США, начинает развиваться в России. Растет спрос на художественно-промышленные изделия, декорированные рельефной текстурой - декоративные строительные элементы, мебель, рекламные вывески, сувениры.
Тем не менее, процесс воздушно-абразивной обработки древесины не изучен, отсутствует серийно выпускаемое отечественной промышленностью оборудование, хотя выпуск аналогичного оборудования для воздушно-абразивной обработки металла и стекла освоен.
Российскими и зарубежными учеными выполнены многочисленные исследования по воздушно-абразивной обработке металлов, но эти результаты нельзя непосредственно использовать для древесины из-за различия в свойствах материалов.
Малые затраты и уникальность рельефной текстуры каждого изделия даже при крупносерийном способе производства, недостаточная изученность процесса обуславливают актуальность исследования воздушно-абразивной обработки древесины.
Цель работы:
Совершенствование дизайна художественно-промышленных изделий из древесины путем формирования рельефной текстуры. Поставленная цель определила задачи.
Задачи исследования:
Исследование возможностей совершенствования дизайна изделий из древесины за счет формирования рельефной текстуры.
Разработка классификации изделий, декорированных рельефной текстурой.
Исследование влияния факторов воздушно-абразивной обработки на декоративные свойства фактуры древесины и съем материала.
Разработка рекомендаций по управлению технологическими процессами воздушно-абразивной обработки древесины для достижения заданных параметров декоративных элементов и рельефной текстуры древесины.
6 Научная новизна.
Разработана классификация текстурированных изделий из древесины.
Экспериментально установлены взаимосвязи рельефной текстуры древесины дуба, бука, ореха и сосны и видов распилов с функциональным назначением и эстетическим восприятием изделий из древесины.
Установлен оптимальный размер и форма абразивных частиц (микростеклошарики 20-80 мкм).
Наиболее четкий контур изображения достигается при значении угла атаки воздушно-абразивной струи а равном 90. Диапазон рабочих давлений воздуха, обеспечивающих качественную проработку рельефной текстуры древесины при воздушно-абразивной обработке, составляет 0,4-1,5 МПа.
Наибольший съем древесины достигается при длине воздушно-абразивной струи равной 15 мм для дуба и ореха и 45 мм для сосны. С увеличением угла а съем увеличивается, причем в диапазоне 0-45 увеличивается интенсивно, а в диапазоне 45-90 - незначительно.
Экспериментально установлены зависимости между факторами воздушно-абразивной обработки и декоративными свойствами рельефной текстуры.
Представлена математическая модель, связывающая величину съема древесины и факторы воздушно-абразивной обработки.
Апробация материалов.
Результаты исследования докладывались на IV Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2003), V и VI Всероссийских научных конференциях по направлению 656700 «Технология художественной обработки материалов» (Ижевск, 2003, Киров, 2004), Всероссийской научно-технической конференции «Наука - производство - технологии - экология» (Киров, 2005), VI Всероссийской специализированной выставке «Рекламь!!!» (Ижевск, 2005), научных семинарах кафедр «Технология промышленной и художественной обработки материалов» ИжГТУ (2003-2006) и «Компьютерный дизайн», МГУПИ (2007). Результаты исследования внедрены в учебный процесс подготовки специалистов по технологии художественной обработки древесины.
Процессы, управляемые генами и условиями окружающей среды
Человек издревле стремился отразить в СВОИХ произведениях окружающий мнр. Рельефные изображения наибольшем образом соответствуют этому стремлению, гак как помимо зрительного восприятия дают и тактильное» что способствует более полным художественным ощущениям, отражающими декоративные свойства материала.
Наиболее доступным и технологичным материалом в России была и остается древесина. Недаром говорилось Русь деревянная, ведь сама российская государственность начиналась в деревяшгых: породах, В 1339 году нз дубовых бревен был срублен Московский Кремль. К сожалению, до нас. дошли лишь редкие .памятник древнерусского деревянного зодчества, такие как деревянная церковь Святого Лазаря s Кижах, возведенная в конце XIV века. Это опровергает распространенное мнение о недолговечности фундамента прослужит недолго, а при наличии фундамета деревянные достройки стоят столетиями (рис. ІЛЗ).
И в мировой неторш немало примеров тому, как ударные архитектурные решения сохраняли здашя В течение сотен лет, Сочетш-ше деревянных к кймешшх элементов конструкций встречается в Западной Европе повсеместно, от возведения замков до достройки сараев (рве. 1.14), что еще раз доказывает долговечность древесины, при должных условиях эксплуатации даже fe применяемых сегодня сигнальных химической иди термической обработки.
Экстерьер и интерьер зданая всегда украшались декоративными элементами. Даже крестьянская изба традиционно украшалась резными элементами, имевшими не столько декоративное значение, сколько редагаошсе. Деревянные элементы, как наябояее легко обрабатываемые, особенно обильно украшались. Поэтому традиции художественной обработки древесшш одни ИЗ самых древних на земле. Прекрасно отделанные деревянные рельефы находят в гробницах древних египтян (рис, 1.15).
Сешднв декор уже не служит оберегом, ио само желание совместить прекрасное с полезным сохраняется и ь современном формообразовании. Из средних веков дошли до вас не только деревянные шедевры, но я первые подробные описания технолоши обработка древесины (рис. ! .16). В XVU-XIX »& огодяргше ремесло возвели в ранг искусства. Гак шкаф чернодеревщ Андре Шарля Булл; жемчужина эрмитажной коллекций, и но сей день остается эталоном вкуса (рис. ЇЛ7), Шедевры прошлого были сделаны вручную» современные способы обработки более,. но главное, что объединяет мастеров прошлого к современности это желание максимально раскрыть природные декоративные свойства древесины.
Художественная обработка древесины рассмотрена в ряде работ, в большинстве из них освещаются ручные способы. Это работы Бурикова В.Г. и Власова В.Н., Воронова B.C., Званцева М.П., Крохина В.А., Лисенко Л.М., Ополовникова А.В., Шепелева А.М., Афанасьева А.Ф., Ильяева М.Д., Матвеевой Т.А., Соболева Н.Н., Черепахиной А.Н., Яковлева И.И. и Орловой Ю.Д.идр.[23-35].
Художественная обработка с применением станков изложена в работах Абрамова И.В., Барадулина В.А., Антонова В.П., Барташевича А.А., Башинского В.И., Бобикова П.Д., Борисова И.Б., Буглая Б.М., Буйвидовича Ф.В., Гончарова Н.А., Крашенниникова А.И., Пиликиной Н.Н., Романовского A.M., Черных М.М., П.Н. Рыбицкого и др. [36 - 45].
Современные механические способы получения художественно-промышленных изделий из древесины основаны на использовании операций точения, фрезерования, давления и ударно-механической обработки.
Влияние факторов воздушно-абразивной обработки на ее результаты
Для получения декоративных элементов, выступающих над рельефно-текстурным фоном, необходимы ударастойкие маски, надежно защищающие часть поверхности древесины. Промышленностью выпускаются ударостойкие пленки покрытия типа Sandblast и Oramask, предназначенные для воздушно-абразивного декорирования древесины. Они представляют собой ПВХ пленки толщиной до 350 мкм, имеющие одностороннее клеевое покрытие, защищенное вощеной бумагой. Такую пленку раскраивают на режущем плоттере по контуру заложенного в компьютер изображения. Затем пленку наклеивают на будущее изделие, после чего изделие обрабатывают воздушно-абразивной струей. Во время обработки защищенные пленкой участки формируют контур будущего рельефного элемента. В результате испытаний пленок типа Oramask (рис. 2.28), выяснилось что адгезия таких пленок к древесине недостаточна, особенно когда ширина элементов маски не превышает 5 мм. В узких местах пленка часто отклеивалась в процессе обработки, что вело к размыванию контуров рельефного изображения струей. Отклеивание происходит когда после шлифования на поверхности заготовки остается большое количество пыли налипающей на клеевое покрытие защитной пленки, что мешает хорошей адгезии. На практике пыль достаточно сложно полностью выдуть или промыть. Поэтому перед нанесение масок поверхность нужно подготовить, нанеся прозрачный лак со слабой износостойкостью. После высыхания поверхность обезжиривается и покрывается маской. Главным преимуществом защитных пленок является жертвовать декоративностью в пользу технологичности. Металлические шаблоны толщиной до нескольких миллиметров вырезаются из стальных листов износостойких марок на лазерных установках. Шаблоны плотно крепят к изделию струбцинами или магнитами. При использовании металлических масок резко возрастает количество изношенного абразива, а на светлых породах древесины остается серый, трудно удаляемый налет. Ударостойкие пленки и металлические маски применимы лишь для изделий с плоской поверхностью, поэтому актуально создание ударостойких мастик, которые могли бы применяться на изделиях со сложной поверхностью. Мастики можно наносить на поверхность изделия кистью, распылением или окунанием. Контур будущего изделия можно формировать нанесением мастики через трафарет или прорезая вручную уже нанесенное покрытие. Мастика должна удалятся растворителями, применяемыми в лакокрасочной отделке деревянных изделий. Главным технологическим требованием является способность мастики не разрушаться в течение некоторого времени Г, определяемого заданной величиной съема. Если величина съема составляет 5 мм, то в соответствии с рис. 2.14 для сосны время Т соответствует 30 сек, для ореха - 50 сек, а для дуба - 65 сек. Мастика после удаления не должна оставлять на заготовке пигментных пятен, ухудшающих эстетическое восприятие текстуры. Исследовали деревянные заготовки размерами 40x40x150 мм соответствующие ГОСТ 16483-89. Мастику наносили на образцы в виде полос шириной 3 мм, перекрываемых струей абразива. При оптимальной длине струи L ширина ее следа составляет примерно 20 мм для сосны, около 10 мм для дуба и ореха. Наличие на образцах открытых участков древесины, подвергшихся обработке вместе с мастикой, позволяло сравнивать интенсивность разрушения древесины и мастики. Толщина слоя мастики, после высыхания составляла 1 мм. Воздушно-абразивная струя направлялась таким образом, чтобы полоска мастики находилась на середине следа струи. Рабочее давление воздуха составляло 0,8 МПа, зернистостость микростеклошариков - 150-250 мкм.
Угол атаки равнялся 90. Длину струи назначали оптимальной для каждой породы древесины. За основу опытных мастик были взяты составы применяемые при воздушно-абразивной обработке стекла [59]. Прямое использование предложенных в работе [59] составов не дало положительных результатов из-за недостаточной адгезионной способности известных мастик к древесине и их малой прочности. Время требуемое, для достижения декоративного эффекта на древесине больше, чем на стекле, поэтому прочность мастик для древесины должна быть выше. Компоненты мастик были выбраны следующими: мездровый клей КМЭ ГОСТ 3252-80 -связующее; мел обогащенный ГОСТ 12085-88 - наполнитель; глицерин технический ГОСТ 6823-77- пластификатор; пудра алюминиевая ГОСТ 5494-95 — пигмент, наполнитель; вода - разбавитель. Каждый из компонентов придает составам те или иные свойства, так мездровый клей влияет на адгезию, глицерин увеличивает упругость, мел и алюминиевая пудра влияют на прочность. Варьируя соотношением компонентов, было испытано пять опытных составов. Все составы мастик растворяются растворителями кетоновой группы - ацетоном, растворителем 646 и т. д. Результаты испытаний были сведены в таблицу 2.3.
Установлено, что в процессе обработки толщина защитного слоя увеличивается примерно в 3 раза за счет налипания на мастику абразива (рис. 2.29-2.31), что позволяет увеличить время, в течение которого мастика может удерживаться на заготовке.
Отмечено, что в процессе обработки упругие свойства мастики снижаются. Мастика, уплотняясь, становится твердей, после чего начинает интенсивно разрушаться. Глубины обработки в 5 мм удалось добиться лишь на сосне, на дубе и орехе она составила лишь 2 мм, после чего защитный слой разрушался. Таким образом, можно сделать вывод, что главным недостатком испытуемого состава является малая упругость. Помимо этого выявилась необходимость использовать угол атаки 90, иначе защитный слой мастики смывается воздушно-абразивной струей (рис. 2.32).
Параметры и факторы эксперимента, матрица планирования
Величина съема материала в единицу времени определяет трудоемкость воздушно-абразивной обработки художественных изделий из древесины. Предварительное экспериментальное исследование показало (п. 2.2), что на величину съема Q влияет время обработки Т, угол атаки а, длина воздушно-абразивной струи L, рабочее давление воздуха Р, расход абразива в единицу времени q, вид и зернистость абразива, порода и влажность древесины, вид распила.
Для отыскания функциональной связи между параметром Q и факторами процесса использовали метод математического планирования эксперимента. Математическое планирование эксперимента в технологических исследованиях изучали R. A. Fisher, G. Е. P. Box, К. В. Wilson, Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский, М. С. Винарский, М. В. Лурье. Ученые А. П. Сергиев, А. А. Андилахай, В. А. Барсуков использовали математическое планирование при оптимизации технологических параметров струйно-абразивной обработки металлов [60-62]. Однако планирование эксперимента при воздушно-абразивной обработке древесины не проводилось.
Исследование выполняли на трех основных группах пород древесины -хвойной, лиственной кольцесосудистой и лиственной рассеянно-сосудистой. В каждой группе выбрана порода, обеспечивающая наибольший декоративный эффект в результате воздушно-абразивной обработки. Такой породой в первой группе является сосна, во второй - дуб, в третьей - орех. Размеры образцов составляли 40x40x120 мм, их отклонения не превышали ± 0,5 мм, шероховатость Rmmax 100 мкм.
По различным причинам варьировали только часть упомянутых факторов, что позволило сократить число опытов. Так, на практике, угол атаки а при воздушно-абразивной обработке древесины выбирают исходя из эстетических требований к изделию, а не по величине съема материала. Как отмечали в п.2.2, наилучший декоративный эффект обеспечивает а равный 90, т. к. позволяет получать наиболее ровные и вертикальные стенки надписей и орнаментов, выступающих над обработанными участками изделия. Длину струи L поддерживали на постоянном уровне, своем для каждой породы древесины. Для сосны L составляла 45 мм, дуба и ореха - 15 мм. Ранее было установлено, что эти значения L соответствуют оптимальным, обеспечивающим наибольший съем материала. Рабочее давление воздуха Р обеспечивали на уровне 0,8 МГТа. Такая величина соответствует максимальному давлению воздуха в сети большинства промышленных предприятий и обеспечивает достаточную производительность обработки при высоком качестве поверхности изделия. Расход абразива определялся возможностями экспериментальной установки (производительность компрессора 1 м / мин, объем ресивера 0,5 м) и составлял ЗОкг/час. Тем не менее полученные в результате исследования уравнения регрессии можно применять и при иных значениях расхода абразива, поскольку установлено, что съем материала прямо пропорционально зависит от расхода абразива. Воздушно-абразивная обработка относится к окончательной обработке поверхности изделия, предшествующей отделке, и производится на сухой древесине. Поэтому влажность образцов не варьировали, она составляла 12±1 %. Предварительное исследование также показало зависимость величины съема материала от вида распила. Наибольший съем наблюдается на радиальном распиле, наименьший на торцевом и промежуточный на тангенциальном. Однако разница величины съема различных распилов сравнительно невелика, она изменяется относительно тангенциального распила в пределах ± 15%. Поэтому исследование выполнено на образцах с тангенциальным распилом. Полученные уравнения регрессии можно использовать также для расчета съема при радиальном и торцевом распилах, внося соответствующие корректоры. В качестве абразива использовали микростеклошарики, обеспечивающие в сравнении с другими видами абразива наилучший декоративный эффект. Размеры микростеклошариков соответствовали микрошлифпорошку (20-80 мкм) и шлифзерну (150-250 мкм). Время обработки Т весьма существенно влияет на съем материала. В зависимости от породы древесины Т изменяли от 100 до 300 сек для сосны и от 150 до 600 сек для дуба и ореха. Нижний предел Г соответствует образованию на поверхности образца лунки с вертикальными стенками, т. е. моменту образования четкой границы между орнаментом и фоном. А верхние пределы Т - образованию лунки, глубиной Н равной 25 мм для сосны, и 15 мм для дуба и ореха. Такие значения величины Я обеспечивают достаточно высокий рельеф надписи или орнамента. С учетом изложенного варьируемыми факторами приняты время обработки Т и зернистость абразива (табл. 3.1, 3.2) и выбрана матрица планирования 22 (табл. 3.3).
Изделия, декорированные рельефной текстурой по всей поверхности
Величина съема материала в единицу времени определяет трудоемкость воздушно-абразивной обработки художественных изделий из древесины. Предварительное экспериментальное исследование показало (п. 2.2), что на величину съема Q влияет время обработки Т, угол атаки а, длина воздушно-абразивной струи L, рабочее давление воздуха Р, расход абразива в единицу времени q, вид и зернистость абразива, порода и влажность древесины, вид распила.
Для отыскания функциональной связи между параметром Q и факторами процесса использовали метод математического планирования эксперимента. Математическое планирование эксперимента в технологических исследованиях изучали R. A. Fisher, G. Е. P. Box, К. В. Wilson, Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский, М. С. Винарский, М. В. Лурье. Ученые А. П. Сергиев, А. А. Андилахай, В. А. Барсуков использовали математическое планирование при оптимизации технологических параметров струйно-абразивной обработки металлов [60-62]. Однако планирование эксперимента при воздушно-абразивной обработке древесины не проводилось.
Исследование выполняли на трех основных группах пород древесины -хвойной, лиственной кольцесосудистой и лиственной рассеянно-сосудистой. В каждой группе выбрана порода, обеспечивающая наибольший декоративный эффект в результате воздушно-абразивной обработки. Такой породой в первой группе является сосна, во второй - дуб, в третьей - орех. Размеры образцов составляли 40x40x120 мм, их отклонения не превышали ± 0,5 мм, шероховатость Rmmax 100 мкм.
По различным причинам варьировали только часть упомянутых факторов, что позволило сократить число опытов. Так, на практике, угол атаки а при воздушно-абразивной обработке древесины выбирают исходя из эстетических требований к изделию, а не по величине съема материала. Как отмечали в п.2.2, наилучший декоративный эффект обеспечивает а равный 90, т. к. позволяет получать наиболее ровные и вертикальные стенки надписей и орнаментов, выступающих над обработанными участками изделия.
Длину струи L поддерживали на постоянном уровне, своем для каждой породы древесины. Для сосны L составляла 45 мм, дуба и ореха - 15 мм. Ранее было установлено, что эти значения L соответствуют оптимальным, обеспечивающим наибольший съем материала.
Рабочее давление воздуха Р обеспечивали на уровне 0,8 МГТа. Такая величина соответствует максимальному давлению воздуха в сети большинства промышленных предприятий и обеспечивает достаточную производительность обработки при высоком качестве поверхности изделия.
Расход абразива определялся возможностями экспериментальной установки (производительность компрессора 1 м / мин, объем ресивера 0,5 м) и составлял ЗОкг/час. Тем не менее полученные в результате исследования уравнения регрессии можно применять и при иных значениях расхода абразива, поскольку установлено, что съем материала прямо пропорционально зависит от расхода абразива.
Воздушно-абразивная обработка относится к окончательной обработке поверхности изделия, предшествующей отделке, и производится на сухой древесине. Поэтому влажность образцов не варьировали, она составляла 12±1 %.
Предварительное исследование также показало зависимость величины съема материала от вида распила. Наибольший съем наблюдается на радиальном распиле, наименьший на торцевом и промежуточный на тангенциальном. Однако разница величины съема различных распилов сравнительно невелика, она изменяется относительно тангенциального распила в пределах ± 15%. Поэтому исследование выполнено на образцах с тангенциальным распилом. Полученные уравнения регрессии можно использовать также для расчета съема при радиальном и торцевом распилах, внося соответствующие корректоры.
В качестве абразива использовали микростеклошарики, обеспечивающие в сравнении с другими видами абразива наилучший декоративный эффект. Размеры микростеклошариков соответствовали микрошлифпорошку (20-80 мкм) и шлифзерну (150-250 мкм).
Время обработки Т весьма существенно влияет на съем материала. В зависимости от породы древесины Т изменяли от 100 до 300 сек для сосны и от 150 до 600 сек для дуба и ореха. Нижний предел Г соответствует образованию на поверхности образца лунки с вертикальными стенками, т. е. моменту образования четкой границы между орнаментом и фоном. А верхние пределы Т - образованию лунки, глубиной Н равной 25 мм для сосны, и 15 мм для дуба и ореха. Такие значения величины Я обеспечивают достаточно высокий рельеф надписи или орнамента.
С учетом изложенного варьируемыми факторами приняты время обработки Т и зернистость абразива (табл. 3.1, 3.2) и выбрана матрица планирования 22 (табл. 3.3).
