Секреты сложного производства простых предметов.
В то время как технический прогресс с бешеной скоростью меняет мир, расширяя его границы и наши представления о нем, мы порой перестаем замечать обычные вещи, которые окружают нас повседневно.
Несмотря на простоту своей конструкции, которая почти не меняется вот уже несколько столетий, карандаш совсем не прост в производстве. Одна из последних карандашных фабрик в Америке General Pencil с 1889 года создает из графита, дерева, воска и краски предметы, которые можно найти во всех художественных и канцелярских магазинах страны: простые и акварельные карандаши, уголь для рисования, пастельные мелки и другие.
Стержни карандашей делают из смеси графитового порошка и глины, смешанных с водой, которые перемешивают несколько часов. Готовую массу пропускают через гидравлический пресс и нарезают на заготовки одинаковой длины. Все это немного похоже на приготовление лапши. Разная толщина грифелей достигается применением различного диаметра штампов.
Заготовки пока мягкие и гибкие, потому что в них осталась вода. Их нагревают в печи для того, чтобы они затвердели. Чем больше время нагрева, тем выше твердость будущего карандаша.
Кстати, в России различают три типа твердости (мягкий, твердый и твердо-мягкий), в Европе — четыре (появляется промежуточный вариант между твердым и твердо-мягким), а в США — уже пять (добавляется еще вариант супертвердого карандаша).
Обжиг грифеля в зависимости от желаемой градации осуществляется при температуре от 800 до 1200 °С. Графитовый песок используют, чтобы равномерно распределить жар при нагревании грифелей в печи. После песок высыпают для последующей переработки.
После нагрева стержни помещают вот в такие перфорированные банки и окунают на 12 часов в емкость с горячим воском. Частицы воска заполняют все поры в стержне и способствуют более мягкому скольжению грифеля по бумаге. Кстати, средство, используемое для так называемой жирующей ванны, тоже влияет на твердость карандаша. Для самых твердых грифелей применяется воск, для полумягких — стеарин, а для мягких — кондитерский жир.
Остывшие стержни. Чуть позже их вложат в деревянные заготовки, склеят и сформируют карандаш. Как это выглядит, будет видно на примере пастелей ниже.
Подвал, где рабочие обрабатывают графит, — это вселенная серого цвета: люди в серых рубашках серыми руками скармливают серым машинам серые ингредиенты. Мужчина, изображенный на снимке внизу, работает на фабрике уже 47 лет. Машина позади него обрабатывает графит и древесный уголь.
Другие помещения фабрики радуют более яркими красками. Цветные (пастельные) стержни делают так же, как и графитовые, с применением белой глины (каолина), а вместо графита добавляют пигменты.
Станок, который превращает пастель в мягкие трубочки, напоминающие спагетти, обычно обрабатывает один цвет целую неделю. Затем его тщательно очищают, чтобы подготовить к другому цвету. Белые мелки, один из фирменных продуктов компании, делаются в особой машине отдельно от остальных цветов.
На фото хрупкие цветные стержни, изготовленные вручную, осторожно вкладывают в кедровые планки.
Графитовые стержни прочнее пастельных, поэтому их укладывает в заготовки специальный станок.
Второй слой дерева полностью закрывает грифель карандаша. Получившийся «бутерброд» скрепляют клеем, зажимают в прессе и сушат.
После нанесения краски карандаши возвращаются конвейером для покрытия следующим слоем (всего их обычно четыре).
Карандаши для редакторов обычно заточены с обеих сторон: одна оставляет красные пометки, другая — синие. Грифели внутри — двух разных цветов, и краски тоже две. Подставки с карандашами, которые вы видите, скоро перевернут и окунут в голубую краску.
Обычные карандаши, заточенные с одной стороны, могут снабжаться ластиками или просто наконечниками-заглушками.
Металлические кольца, с помощью которых на карандаши крепятся ластики, называются феррулами.
На этом конвейере феррулы и ластики соединяются с карандашами.
На некоторые карандаши устанавливаются гладкие металлические колпачки — без феррулы и ластика.
Заточка готовых карандашей происходит с помощью высокоскоростной шлифовальной ленты.
Наконец, карандаши очищают, фасуют и упаковывают. Готовые изделия отправляются в магазин, чтобы стать полезными и надежными помощниками своих хозяев.
О технологии изготовления карандашей
Карандаш (от тюрк. кара - чёрный и таш,-даш - камень), стержень из угля, свинца, графита, сухой краски (часто в оправе из дерева или металла), который служит для письма, рисования, черчения.
Первое описание карандаша было сделано Конрадом Геснером из Цюриха в 1565 г. в своем "Трактате о ископаемых". В нем было приведено детальное строение карандаша, показывающее деревянную трубку, в которую вставлен кусочек графита.
Прототипы карандаша - вставлявшиеся в металлические зажимы свинцовые и серебряные (дававшие тёмно-серый тон) штифты - употреблялись в 12-16 вв. В 14 веке художники рисовали в основном палочками, изготовленными из свинца и жести, их называли "серебряными карандашами".С 16 в. распространились графитные карандаши (штрих которых обладает малой интенсивностью и лёгким блеском) и карандаши из порошка жжёной кости, скрепленного растительным клеем (даёт сильный чёрный матовый штрих).
В 17 веке графит обычно продавали на улицах. Покупатели, в основном художники, зажимали эти графитовые палочки между кусочками дерева или веточками, обворачивали их в бумагу или обвязывали бечевкой. В Англии стержень представлял из себя палочку из мягкого графита, годного для рисования, но не для письма. В Германии графитовый порошок перемешивали с клеем и серой, получая, таким образом, стержень не самого высокого качества. В 1790 г. были изобретены деревянные карандаши французским учёным Н. Конте.Одновременно чех И. Гартмут предложил изготовлять пишущие стержни из смеси измельченного графита и глины. В принципе этот метод лежит и в основе современной технологии производства карандашей.
Современное производство: На первый взгляд карандаш кажется простым предметом, состоящим из пишущего стержня и деревянной оболочки. Но для того, чтобы изготовить один карандаш, проводится более 80 производственных операций в течение 11 дней. Кроме того, на ассортимент выпускаемой фабрикой продукции используется более 70 наименований сырья и материалов. В основном это природные пищевые вещества и продукты.
Оболочка для карандашей Древесина для изготовления оболочки карандашей должна обладать рядом специфических свойств:
Быть легкой, мягкой и прочной, не ломаться и не крошиться в процессе изготовления карандашей.
Иметь одинаковое сопротивление разрезанью волокон как вдоль, так и поперек, не должна расслаиваться.
Срез при резании острым ножом должен быть гладким, блестящим, стружка должна завиваться, не скалываться и не ломаться.
Древесина должна быть малогигроскопичной, т.е. не должна поглощать влагу. Всем этим качествам соответствует виргинский можжевельник, произрастающий в США.
Ни одна из древесных пород, произрастающих в России, в полной мере не соответствует всем этим требованиям. Наиболее близкой по своим свойствам и строению является древесина кедра и липы, но для применения в карандашном производстве ее необходимо предварительно подвергнуть специальной обработке – парафинированию (т.е. облагораживанию).
Доски распиливаются на бруски, бруски торцуются по длине на длину карандаша с припусками на механическую обработку и усушку, а затем на многопильном станке бруски распиливаются на дощечки. После этого дощечки пропитываются парафином в специальных автоклавах. Эта процедура позволяет улучшить механические и чиночные свойства будущего карандаша. На пару из дощечек удаляются все смолы, а легнин древесины при взаимодействии с паром меняет свою окраску на розовато-коричневатую. Затем дощечки тщательно просушиваются. Для просушки их складывают в специальные «колодцы» с помощью станка. Специальный способ укладки дощечек для сушки позволяет увеличить площадь дощечки, соприкасающуюся с агентом сушки - горячим паром, а следовательно, максимально тщательно высушить их. Колодцы помещаются в сушильные помещения на 72 часа. После просушки они сортируются - отбраковываются треснувшие дощечки, дощечки, распиленные не по тому волокну и пр. «Облагороженные» парафином и высушенные дощечки сортируются и калибруются – на них наносятся «желобки» (канавки) для стержней. Графитный стержень изготавливается из смеси глины с графитом. Предварительно глину очищают. Для этого в специальных дробилках ее измельчают, затем перемешивают с теплой водой в особых мельницах. Разведенную в воде глину в процессе обработки заливают жидким стеклом, которое, оседая, выносит из нее все примеси – камушки, веточки, песок и т.п. А далее по рецептуре в глину добавляется графит, причем для каждой градации своя рецептура. Смесь перемешивается со связующим веществом – апаратином, сваренным из крахмала.
Для изготовления стержней необходима стержневая масса определенной температуры и влажности. Ни в коем случае нельзя допустить пересыхания смеси, иначе она будет как камень и приведет к износу оборудования - не хватит давления пресса. Вымешанное тесто из глины и графита винтовым прессом прожимается для формовки через специальное оборудование – вальцы с тремя разными зазорами. Делается это для измельчения и перетирания массы, усреднения влажности по объему и удаления пузырьков воздуха. Толщина слоя теста сначала составляет 1мм, при повторной обработке 0.5мм, затем 0.25мм. Потом тесто пропускается через фильеру с дырочками, образуя так называемую «лапшу». «Лапша» формируется в цилиндры, а из них на прессе через алмазную волоку продавливается стержень нужного диаметра и длины. Стержни окончательно высушиваются в специальных сушильных шкафах в очень симпатичных бочонках – непрерывно вращаясь в течение 16 часов. По истечении этого процесса влажность стержня составляет примерно 0,5%. Затем стержни прокаливаются в печи в специальных тиглях. Вместо крышки тигли со стержнями засыпаются этим же «сырьем». Плотность наполнения тиглей влияет на качество стержней. Обжиг необходим для того, чтобы выжечь в стержне связующее вещество и спечь глину для образования каркаса.
Степень твердости (градация) карандаша от 6м до 7т зависит от соотношения глины, температуры и продолжительности обжига и состава жирующей ванны. В зависимости от градации стержня обжиг производится при температуре от 800 до 1200 градусов. После обжига проводится операция жировки: поры, образовавшиеся после выжига связующего, под давлением при определенной температуре заполняются жиром, воском или стеарином. На некоторых фабриках в качестве сырья используются пищевые и кондитерские жиры, связующие вещества. (например, апаратин изготавливается из крахмала). Выбор вещества для жировки зависит от градации (твердости) стержня. Для мягких карандашей используется кондитерский жир, для твердых – воск. Промежуточные значения твердости, например, ТМ достигаются жировкой стеарином. Стержни больших диаметров изготавливаются на вертикальных прессах кладки.
Стержни для цветных карандашей изготовляются из смеси пигментов, наполнителей, жирующих веществ и связующего. «Сборка» Стержни укладываются в желобки подготовленной дощечки и накрываются второй дощечкой. Дощечки склеиваются между собой клеем ПВА, но сам стержень к доске не клеится, а держится за счет натяга дощечки. Диаметр стержня немного больше диаметра желобка, поэтому очень важно правильно сжать дощечки в специальном механизме (струбцине), где и происходит склейка будущих карандашей. Для каждого типоразмера карандаша определен свой показатель давления для запрессовки, чтобы не сломать стержень. Далее обрабатываются торцы склеенных дощечек – подравниваются, удаляются остатки клея.
На фрезерно-пропускной линии блоки разделяются на карандаши. От формы ножей зависит форма будущего карандаша – круглый он получится, граненый или овальный. А «новорожденные» карандаши отправляются по конвейерному транспортеру на сортировку. Сортировщица проверяет («катает») все карандаши, выискивая и ликвидируя брак. Затем карандашам следует «одеться» - отправиться на покраску. Покраска Отделка поверхности карандашей осуществляется методом экструзии (протяжки), а отделка торца – окунанием. Экструзия – это процесс прохождения карандаша через грунтовочный аппарат. В конце конвейера карандаш переворачивается, чтобы нанесение следующего слоя краски или лака происходило с другого конца. Так достигается равномерное покрытие. Нанесение темных цветов производится 5 раз краской и 4 раза лаком, светлых – 7 раз краской и 4 раза лаком. А для отделки торца используется окунальная машина. Плавными вращательными движениями окунальщица опускает раму с карандашами в бак с краской. Маркировка карандашей осуществляется методом ударного горячего тиснения. Заточка карандашей производится автоматически. Все карандаши маркируются. Упаковка заточенных карандашей производится вручную, незаточенных – вручную и автоматически: на автоматах и полуавтоматах. На полуавтомате за одну полную смену можно упаковать 15 тысяч карандашей, на автомате – 180 тысяч. Автоматы способны укладывать в коробки как по 6, так и по 12 карандашей.
Контроль качества Входной контроль всего сырья и материалов и технологический контроль процесса производства и готовой продукции осуществляется лабораторией. Химики проверяют все досконально! Они же составляют рецептуры грунтов. Кстати, продукция одной известной фабрики проверяется даже на контакт со ртом, как детские пустышки! Во 2-й половине 19 в. появились, а в 20 в. получили большое распространение механические, или автоматические карандаши. По пишущим свойствам и технологии производства карандаши делят на графитные (чёрные), цветные, копировальные и пр., по назначению - на школьные, канцелярские, чертёжные, рисовальные, столярные, гримерные, карандаши для ретуши, маркировки и отметок на различных материалах. Особые виды карандашей - сангина и пастель. В России выпускаются графитные чертёжные карандаши нескольких степеней твёрдости; степень твёрдости обозначается буквами М (мягкий), Т (твёрдый) и МТ (средней твёрдости), а также цифрами перед буквами. Большая цифра означает большую степень твёрдости или мягкости. За рубежом вместо буквы М употребляют букву В, а вместо Т - Н. Автоматические карандаши по конструкции делят на: винтовые - с подачей пишущего стержня вращением одной из деталей; цанговые - с зажимом пишущего стержня разрезной втулкой-цангой и подачей стержня нажимом кнопки; многоцветные - с двумя, четырьмя и более стержнями, выдвигаемыми поочерёдно из магазина.
Карандаш — настолько распространенная вещь, что кажется ничем не примечательным и простым инструментом для рисования. Однако, чтобы его изготовить используется достаточно сложная технология производства. Об этом малоизвестном процессе мне и хочется рассказать.
Этапы производства карандашей можно поделить на две части: изготовление грифеля и изготовление деревянной оболочки, в которую он вставляется.
Грифель карандаша производится из смеси порошков графита и специальной глины. Сам же графитовый порошок изготавливается из грифельного сланца. Смесь графита и глины тщательно перемешивается с водой, потом высушивается, затем снова перетирается в порошок, а в конце вновь добавляется небольшое количество воды до образования густой пасты. От соотношения графита и глины в этой пасте будет зависеть твердость карандаша. Чем больше глины — тем тверже будет карандаш. Но степень твердости еще будет зависеть от другого процесса, который я опишу ниже.
Затем, эта паста поступает на специальное оборудование, похожее на экструдер. Графитовая паста продавливается через формообразующие отверстия штампа и на выходе можно увидеть всем знакомый стержень карандаша. Однако, до готового стержня ему еще далеко.
Получившуюся заготовку грифеля просушивают. Затем обжигают при высоких температурах в специальной печи. Во время обжига графит и глина соединяются, а стержень твердеет. Как я писал выше, от этого процесса в значительной степени будет зависеть твердость карандаша. Чем выше температура обжига — тем тверже будет карандаш. Чем меньше глины в составе грифеля и чем меньше температура обжига — тем карандаш будет мягче. Как известно, на карандашах указывется твердость либо английскими буквами, либо русскими. Английская «H» означает «твердый», а английская «B» означает «мягкий». Соответственно русская буква «Т» означает твердый, а русская буква «М» — «мягкий». Существует еще разная степень твердости карандаша. Например, 2B или 2М — это двойная мягкость, а 2H или 2Т — двойная твердость. Всего различают около 17 степеней твердости карандаша: от 8М до 8Т.
После обжига графитовые стержни укладываются в специальные деревянные заготовки будущих карандашей. Эти заготовки представляют собой деревянные пластины, толщиной в половину карандаша. Они изготавливаются, как правило, из кедра или липы. Эта древесина мягкая и обладает волокнами, хорошо подходящими для изготовления карандашей. Из каждой такой дощечки-заготовки получается либо 6, либо 8 карандашей, в зависимости от стандарта производства. Соответственно, в этих дощечках пропиливаются 6 — 8 канавок, для графитовых стержней карандаша.
Далее в пропиленные канавки укладываются стержни. Затем, деревянная пластина со стержнями накрывается точно такой же пластиной сверху. Графитовые стержни оказывается между двумя деревянными пластинами. Стержни надежно закрепляются в деревянной оболочке двумя способами: либо посредством клея, либо за счет сдавливания деревянных половин будущего карандаша. Сами половины в обоих случаях соединяются посредством клея и пресса.
На следующем этапе производства эти заготовки поступают на специальный станок, фрезы которого имеют зубья в виде половин шестигранника, либо половин круга. Такими фрезами распиливается деревянная заготовка со стержнями, и одновременно придается шестигранная или круглая форма получившимся карандашам.
Ну вот, теперь карандаш почти готов! Но его еще не покрасили. Покраску делают специальными эмалями. А когда карандаш уже окрашен, на нем делается маркировка с указанием производителя, степени мягкости карандаша и т. п. Такое тиснение производится посредством краски или фольги.
Вот такой он — непростой процесс изготовления, казалось бы, простого карандаша.
О том, как создаются карандаши в каждой конкретной фабрике можно узнать лишь от самих производителей. Однако у всех есть общие моменты, которые как правило не меняются десятилетиями.
Для классического деревянного карандаша важным компонентом является древесина из которой он сделан. Не всякое дерево можно спилить и сделать из него пачку карандашей. Узнать, из какой породы дерева сделан тот или иной карандаш нелегко: продавец в магазине об этом не знает, а на самом карандаше опознавательного знака не имеется, поэтому нужно обращать внимание на стоимость карандаша и авторитет фирмы-производителя.
Древесина используемая для изготовления карандашей:
1. Ольха
Рис.
Ольха распространена в зоне умеренного климата Северного полушария. Древесина не отличается прочностью, но имеет довольно равномерное строение. Это облегчает обработку и придает ей красивый красноватый цвет. Более ровные и толстые стволы поэтому идут на поделки, для столярных и токарных изделий.
В производстве карандашей используется неактивно в связи с тем, что плохо держит грифель. Больше используется для изготовления сувениров, в том числе сувенирных карандашей.
2. Липа
Рис.
Липа - пожалуй самое распространенное дерево, которое вполне удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к сырью недорогих карандашей.
Липа растет практически везде, это хорошо знакомый всем материал, достаточно вязкий, чтобы плотно удерживать грифель.
Древесина липы в зависимости от вида обработки делится на несколько видов: linden (с англ. - «липа»; половинки карандаша, выполненного из такой древесины, могут немного отличаться по цвету), white linden (более тщательно отобранный материал, дерево белое, цвет карандаша ровный), rose wood (липа, подкрашенная в розовый цвет для придания большего благородства) и chemical wood (также подкрашенная в розовый цвет липа, но более качественно, древесина выглядит однородно). В зависимости от качества обработки дерева варьируется и цена.
Довольно быстрорастущее лиственное дерево, наиболее широко распространенное в Европейской России. Срок жизни деревьев липы значительно меньше, чем дуба, и лишь редкие особи доживают до 150 лет.
3. Кедр
Рис.
Древесина кедра лёгкая, прочная и легко режется во всех направлениях, поэтому она служит ценным сырьём для производства карандашей.
4. Джелутонг
Рис.
Джелутонг (Jelutong) относится к семейству кутровых (лат. Apocynaceae). Это древесная порода в Малазии. Также встречается в Борнео, Суматре и Тайланде.
Взрослый джелутонг обычно вырастает до 60 метров высоту, а диаметр ствола дерева достигает 2 метров. В редких случаях до 80 метров, при этом диаметр до 3 метров.
Древесина джелутонга обычно белого или соломенного цвета, прямоволокнистая. Легко сохнет с без раскалывания, легка в обработке и отделке.
Особенно джелутонг пригоден для создания художественных изделий. Замечательно подходит для моделирования и производства карандашей.
История изобретения графитовых карандашей уходит своими корнями в далекий шестнадцатый век, когда английские пастухи нашли в земле неподалеку от своей деревни странную черную массу, которая очень напоминала уголь, но почему-то совсем не хотела гореть. Вскоре новому материалу все же нашли применение - из него стали делать тонкие палочки, которые можно было использовать для рисования, так как они оставляли хорошие четкие следы на холсте или бумаге. Однако эти палочки не получили широкого распространения, потому что были весьма непрактичны: они часто ломались и пачкали пальцы. Все изменилось лишь тогда, когда в 1863 году в Германии был сделан первый в мире деревянный карандаш, форма которого почти не изменилась за прошедшие столетия и сохранилась до наших дней.
Как делают карандаши
Производственный процесс на современной карандашной фабрике состоит из нескольких десятков отдельных технологических операций. Для изготовления одного карандаша используются около ста видов различных расходных материалов, а времени на это уходит не менее десяти дней.
Из чего сделан карандаш
Основными материалами для производства карандашей являются графит, глина, цветные пигменты и полимеры. Все они используются для изготовления «сердца» карандаша - его пишущего стержня.
Вторая, не менее важная составляющая каждого карандаша - это деревянная оболочка, надежно защищающая стержень от механических повреждений, а наши руки - от графитовой пыли. Далеко не каждая древесина подходит для такого ответственного дела. Карандаши изготавливают только лишь из ольхи, липы, сосны и кедра.
Как сделан карандаш: производство карандаша
Производство любого карандаша начинается на лесопилке, где бревна очищают от коры и делают из них брус. Далее брус нарезают короткими кусками, каждый из которых затем распиливают на дощечки заданной толщины.
Дощечки сортируют, отбраковывают нестандартные, собирают в пачки подходящие и загружают их в автоклав. Там дощечки окончательно высушивают, а затем пропитывают парафином.
Подготовленные таким образом дощечки поступают в следующий цех, где их пропускают через сложный станок, который одновременно шлифует их поверхность и делает на ней с одной стороны параллельные тонкие и длинные канавки. В эти углубления впоследствии будут укладываться стержни будущих карандашей.
Тем временем в другом цеху уже изготавливаются пишущие стержни. Делают их из смеси графита и глины, которые измельчают в тончайший порошок. Затем порошок смешивают с водой и формуют стержни, выдавливая полученное «тесто» через тонкие отверстия, проделанные в специальном штампе, примерно так же, как делают спагетти. Потом полуфабрикаты стержней сушат, после чего их запекают при температуре около одной тысячи градусов в специальной электрической печи.
После отжига стержни пропитывают жиром. Делается это для того, чтобы потом стержнями можно было писать.
Готовые стержни отправляют в сборочный цех, где автомат будет укладывать их в уже вырезанные в дощечке канавки, а потом сверху будут помещать вторую смазанную клеем дощечку таким образом, чтобы края канавок в верхней и нижней частях точно совпадали. Получившиеся карандашные «бутерброды» складывают в стопки и стягивают их струбцинами для того, чтобы клей хорошо "схватился" и обе половинки намертво приклеились друг к другу.
Стопки несколько часов сушат при температуре 40 градусов, затем струбцины снимают и дощечки отвозят к станку, который их уже разделит на отдельные карандаши. Там же карандашам придадут привычную для нас круглую или шестигранную форму и аккуратно обрежут торцы.
Готовые «голые» карандаши после этого отправляются на покраску. Чтобы новые карандаши были гладенькими и блестящими, их красят не один раз, а три и даже иногда четыре, а потом еще несколько раз покрывают лаком. Там же в покрасочном цехе на карандаши наносят маркировку и логотип фирмы.
Яркие, блестящие, пахнущие свежей краской карандаши перевозят в фасовочный цех, где их раскладывают по картонным коробочкам, которые затем упаковывают в большие ящики и отправляют в магазины.