POLYZINK, PRESSGJUTNING AV ZINK OCH FORMSPRUTNING AV PLAST INTEGRERADE I SAMMA TILLVERKNINGSPROCESS

Transkript

1 Examensarbete 10 poäng C-nivå POLYZINK, PRESSGJUTNING AV ZINK OCH FORMSPRUTNING AV PLAST INTEGRERADE I SAMMA TILLVERKNINGSPROCESS Reg.kod: Oru-Te-EXM080-M107/04 Niklas Sjöqvist Maskiningenjörsprogrammet 120 p Örebro vårterminen 2004 Examinator: P-O Odell POLYZINK, DIE CASTING OF ZINC AND INJECTION MOLDING WITH PLASTIC AS INTEGRATED IN THE SAME PROCESS OF MANUFACTORING Örebro universitet Örebro University Institutionen för teknik Department of technology Örebro SE Örebro, Sweden

2 Förord Denna rapport är ett examensarbete på 10p, utfört av Niklas Sjöqvist vid Örebro Universitet som en sista del av maskiningenjörsprogrammet. Arbetet startade den 19:e april och avslutades den 11:e juni. Arbetet är utfört i samarbete med HL Display AB, Produkttekniskt Center. Jag skulle vilja rikta ett stort tack till mina handledare, Martin Valfridsson på HL Display AB och Björn Arén på Örebro Universitet som gjort detta arbete möjligt. Ett stort tack även till övriga konstruktörer och medarbetare på HL Display AB PTC, för ett gott samarbete och ett väl mottagande. Jag vill även tacka Peter Thelin på Plastinject AB och Polyzink AB för ett gott mottagande. Karlskoga den 11 juni 2004 Niklas Sjöqvist II

3 Sammanfattning Detta examensarbete är utfört på HL Display, Produkttekniskt Center i Karlskoga våren Polyzink AB är ett företag som utvecklat en ny tillverkningsmetod, att pressgjuta zink och formspruta plast i samma maskin och process. Polyzink har presenterat metoden för HL Display, som blev mycket intresserade av den. HL Displays mål med examensarbetet är att se om metoden Polyzink är intressant för framtida produkter och vad maskinerna klarar av. Litteraturstudie och övriga studier, som studiebesök och telefonmöten, om traditionell formsprutning genomfördes, för att sedan göra en jämförelse med metoden Polyzink. Formsprutning av plast är en tillverkningsmetod som används vid tillverkning vid långa serier och är mycket lämplig till avancerade produkter. Komplicerade verktyg gör att investeringen inför bearbetning av en produkt blir dyr. Därför används formsprutning främst vid längre serier. Smält plastmaterial sprutas in i ett formrum, där det kyls till fast form och den färdiga detaljen stöts ut. Dubbelformsprutning är en vidareutveckling av formsprutning och används när produkten innehåller två eller flera materialtyper av plast. Polyzinkmetoden är ännu en vidareutveckling av detta, då man istället för att kombinera två olika plasttyper kombinerar metallen zink med plastmaterial. Maskinen innehåller då en formsprutningsdel och en pressgjutningsdel. Metoden medför vissa svårigheter då plast och metall inte har samma smälttemperatur. III

4 Summary This report was written at HL-Display, Product Technical Center in Karlskoga, Die casting of zinc and injection molding with plastic is a new method, developed by Polyzink AB. The aim for HL Display was to assess the method for future products and to establish an in-depth knowledge in the field of double injection molding. A part of the study of literature was on site visit at Polyzink and phone meetings were made. Injection molding with plastic is a process used for manufacturing of long series of products and is suitable for advanced products. The investment in the tool is high. Thermoplastic material is fed into a heated barrel, mixed, and forced into a mold cavity where it cools and hardens to the configuration of the mold cavity. Double injection molding is a development of injection molding that being used when a product has more than one type of plastic material. The method of Polyzink is a further development, where instead of combining two different plastic melt, the metal zinc is combined with plastic material. The machine has one part, injection molding and one part where die casting of zinc is carried out. The method has some complexities, partly due to the facts that the materials have different melting points. IV

5 Innehållsförteckning 1 FÖRETAGET HL DISPLAY VERKSAMHET HISTORIK UPPDRAGSBESKRIVNING BAKGRUND MÅL MED EXAMENSARBETE FORMSPRUTNINGSPROCESSEN FORMSPRUTNING Process Produkt Maskin Verktyg Material DUBBELFORMSPRUTNINGSMETODEN Process Produkt Maskin Verktyg Material POLYZINK Process Produkt Maskin Verktyg Material L-CLIPS FUNKTION KRAVSPECIFIKATION NUVARANDE KONSTRUKTIONSLÖSNING ALTERNATIV KONSTRUKTIONSLÖSNING MED POLYZINK KOSTNADSJÄMFÖRELSE REFERENSER V

6 1 Företaget HL Display 1.1 Verksamhet HL Display är en leverantör till detaljhandeln som erbjuder lösningar för: - Butikskommunikation - Varuexponering - Butiksinredning Med lokal närvaro i hela Europa skräddarsyr HL Display lösningar för olika marknadsbehov. Internationaliseringen av verksamheten har gjort att de också har etablerat egen verksamhet i Asien och joint-venture samarbete i USA. HL Display grundades Försäljningen för år 2003 var MSEK och antalet anställda är knappt personer. Företaget är noterat på Stockholmsbörsens O-lista och har sin verksamhet i över 35 länder världen över. En datalist för hyllkantsmärkning som patenterades av HL Display 1975 har nu kommit att bli en branschstandard. Varuexponeringssystemet Optimal som utvecklats av företaget följer samma mönster och utvecklingen av en trend, i branschen kategorilösningar, leds också av HL Display. 1.2 Historik 1954 Tillverkning av exponeringshjälpmedel för butiker startas i Borlänge Verksamheten flyttas från Borlänge till Falun Bolaget får patent på sin nuvarande huvudprodukt, HL Datalist, en hyllkantslist i extruderad plast HL Display säljs till investmentbolaget Parcon. Omsättningen uppgår detta år till 12 miljoner kronor. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 1

7 1986 Lis och Anders Remius, som hela tiden varit aktiva i bolaget köper ut HL Display från Parcon. Omsättningen uppgår vid utköpet till ca 28 miljoner kronor Försäljningsbolag etableras i Tyskland, Frankrike och Norge. HL Display förvärvar delar av Telias formsprutningsanläggning och flyttar till nya lokaler i Sundsvall och fördubblar produktionsytan Jegab Displays rörelse förvärvas vid årsskiftet 1992/93. Produktionsanläggningen i Falun flyttar till nya lokaler. I december noteras HL Display på OTC-listan Säljbolag i Polen och USA bildas. Huvudkontoret och svenska säljbolaget flyttar till nya lokaler i Skarpnäck HL Pefab tillfogas koncernen när inredningtillverkaren PEFAB i Falkenberg köps upp. Säljbolag i Holland etableras Säljbolag i Ungern och Schweiz etableras. HL Display (UK) Ltd förvärvar Envoy Display (Ltd). HL Display Sundsvall AB miljöcertifieras enligt ISO Produktionsytan ökas med 60 procent Säljbolag etableras i Lettland, Ryssland och Turkiet. Produktionsanläggning i England, RIM Fabrications Ltd. förvärvas Säljbolag etableras i Singapore och Ukraina Säljbolag etableras i Slovakien och Slovenien. Produktionsanläggning i Karlskoga förvärvas från Mikron Technology Group Säljbolag etableras i Hong Kong, Malaysia, Rumänien, Taiwan och Thailand Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 2

8 2 Uppdragsbeskrivning 2.1 Bakgrund Polyzink AB har kontaktat HL Display för att visa en teknik som gör det möjligt att pressgjuta zink och formspruta plast i samma maskin och process. HL Display vill undersöka metoden för att se om den kan tillämpas på deras produkter, och om det är lönsamt. Avsedd produkt En L-formad plastdetalj i HL:s sortiment har metallclips (se Fig 4.3.1) som skall låsa mellanväggar i frysboxar. Principen är att 2 knivar skär in i plasten på var sida om mellanväggen och på så sätt fixerar skivorna på rätt plats. Clipsen är planerade att tillverkas i rostfritt stål fristående från formsprutningen. Med hjälp av en robot ska dessa clips sedan fixeras i formsprutningsverktyget och plast sprutas runt dem då den kompletta detaljen framställs. Alternativt ska metalldelen monteras separat. Alternativ produkt Denna produkt har bedömts kunna vara intressant att tillverkas med Polyzinkmetoden för att få ned kostnader i tillverkningsprocessen samt att slippa montering. 2.2 Mål med examensarbete Den nya tekniken att pressgjuta zink och formspruta plast i samma tillverkningsprocess skall beskrivas och en jämförelse mellan denna metod vad gäller produkt, maskin, verktyg och material mot de traditionella metoderna skall göras. Designregler såsom radier, max/min tjocklek och andra begränsningar för tekniken skall också redovisas. Alternativ lösning och styckepris till en L-formad plastdetalj med inbyggda clips skall undersökas. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 3

9 3 Formsprutningsprocessen 3.1 Formsprutning Vid bearbetning av plast och då främst termoplast är formsprutning en mycket vanlig metod. Inom allt fler områden används produkter av termoplast med allt mer avancerade funktioner. Det gör formsprutning till en intressant produktionsmetod i samband med tekniskt nyskapande. Formsprutning har fördelar vid masstillverkning av komplexa detaljer: Inga mellanprodukter behövs mellan råvara (granulat) och färdig produkt. Ingen eller litet behov av efterbearbetning. Processen kan göras helautomatisk. God reproducerbarhet. Formsprutning kan tekniskt sett ses som en vidareutveckling av pressgjutning för metaller som är anpassad för plast som material. Smält plast sprutas då in i en kall form med hjälp av en matarskruv. Smältan svalnar och stelnar i formen och stöts sedan ut som stabilt formstycke då formen öppnas. Detta är i princip samma process som vid tryckgjutning av metall och den väsentliga skillnaden är materialtyputrustning och processparametrar Process Formsprutningsprocessen kan delas in i tre naturliga faser. Insprutningsfasen Avkylningsfasen Utstötning Avkylningsfasen kan i sin tur delas in i Eftertrycksfas Kylfas De här faserna är kopplade till varandra och påverkar produktkvalitén. Detta förhållande gör att man kan påverka detaljerna i hög grad. Det som behövs är kunskap, så att rätt processinställningar görs. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 4

10 Formsprutningscykeln Plasticering (dosering) insprutning eftertryck - kylning För att producera något från en plastråvara (granulat eller pulver) till färdig produkt måste materialet smältas. Materialet smälts i cylindern, dels genom skruvens rotation och dels genom de värmeband som finns i cylindern. Skruven matar även fram och doserar rätt mängd material som ska sprutas in i verktyget genom dess rotation. Sedan formen har stängts, sprutas det smälta materialet in i formen. Skruven fungerar då som en kolv och rör sig axiellt framåt utan att rotera. Eftersom det krävs mer tryck när formen är nästan full, än när den är tom kommer insprutningstrycket att ändras under förloppet. När all plast sprutats in i formen måste man ha ett eftertryck i formen. Detta för att kompensera för materialets krympning då det svalnar/stelnar samt förhindra uppkomsten av luftfickor som ger brännmärken på produkten. Hur högt tryck man behöver ha och hur länge trycket ska ligga på bestäms av materialet, detaljens utformning och kraven på detaljen. Om eftertrycket är för lågt, så kommer material pressas tillbaka in i cylindern (skruven backar) och risk för sjunkningar uppstår, dvs hela formen fylls ej när detaljen stelnar. Vid för högt eftertryck kan man få överpackning med gradbildningar och inbyggda spänningar. Materialet kyls därefter i den slutna formen, det är ej lämpligt att stöta ut detaljen om materialet fortfarande är för varmt. Materialet krymper då det svalnar och stöter man då ut detaljen för tidigt kan detaljen bli skev eller mått ändras. Materialet kyls redan när eftertrycket ligger på, men man skiljer ändå på eftertryckstid och kyltid. Kyltiden beror på hur stor detaljen är, material, massatemperatur, formtemperatur, detaljens temperatur vid utstötning och formens kylförmåga. Godstjockleken är det som har störst inverkan, en fördubbling av godstjockleken innebär en fyrdubbling av kyltiden. Under kyltiden sker dosering till nästa skott. I sista steget öppnas formen och detaljen stöts ut, oftast med hjälp av mekanisk konstruktion i form av pinnar som trycker ut detaljen. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 5

11 Fig De olika stegen i formsprutningscykeln. Vid A hälls granulatet i, åker ner i skruven och plasticeras. Smältan trycks in i formrummet och kyls. I sista steget öppnas verktyget F och detaljen stöts ut. (1.) Detta är en mycket översiktlig bild av formsprutningscykeln. Vissa av stegen ovan kan överlappa varandra och det kan finnas ytterligare steg såsom insprutningsenhetens anliggning och tillbakadragande från formen, dragning av kärnor eller backar, men dessa ändrar inte grundcykeln. För att få bästa möjliga ekonomi är det nödvändigt att optimera de ingående processtegen för att få ner cykeltiden. Den mest avgörande faktorn för att få ner cykeltiden är godstjockleken. Godstjockleken har direkt inverkan på kyltiden Produkt Formsprutning kan användas till att producera detaljer från de minsta kugghjul och lager till de största avfallsbehållare. Detaljvikterna kan ligga mellan 1mg till 100kg. Plastprodukter ersätter alltmer produkter som förr har gjorts i metall. Eftersom plast kan Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 6

12 vara hårt som vissa metaller och mjukt som vissa gummityper sträcker sig produktskaran över många användningsområden. I en traditionell formspruta kan enbart material i en färg och en kvalitet sprutas, vilket innebär en del begränsningar vad gäller design och konstruktion Maskin De formsprutningsmaskiner som finns kan variera ganska mycket i fråga om utrustning och konstruktion. Ett stort utbud av fabrikat, storlekar och utföranden finns på marknaden. I standardutförande består formsprutan av följande delar ( fig ): Maskinstativ som bär upp övriga delar. Insprutningsenhet som plasticerar och sprutar in materialet i formen. Låsenhet som öppnar och stänger formen, samt låser formen med tillräcklig kraft, så att inte trycket som uppstår i formrummet vid insprutning öppnar formen. Styrenhet som koordinerar och reglerar formsprutans rörelser. Låsenhet och form Insprutningsenhet Styrenhet Maskinstativ Fig Formsprutningsmaskin och dess olika delar. Här en Sandretto med en låskraft på 900kN. (2.) Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 7

13 Grundutförande I regel har formsprutningsmaskinen en horisontell arbetsriktning. Det finns dock andra typer av konfigureringar, som vertikalt arbetande insprutningsenheter och låsningsenheter, flermaterialformsprutor (kap 3.2), lågtrycksformsprutor och andra specialmaskiner. Normalt drivs matarskruvens och låsningsenhetens rörelser med hydraulik, men det finns även helt elektriskt drivna formsprutor. Hydraulpumpen är monterad i maskinstativet och drivs av en elmotor. För övriga rörelser, som utstötning, förslutning av munstycken eller kärndragning kan det finnas elektromekaniska eller pneumatiska reglerdon. I regel används funktioner som är hydrauliskt drivna. För att kyla smältan i formen innan detaljen kan stötas ut används kylkanaler i verktyget som kyler formen med tempererad vätska, vanligen vatten. Temperaturen på vätskan är kontrollerad, så att detaljen inte kyls för snabbt. Maskinspecifikationer Som ett grovt mått på formsprutans storlek brukar maximala låskraften användas. Det är den maximala kraft som formhalvorna kan pressas ihop med, för att undvika att formen öppnas genom det tryck som finns inne i formrummet under insprutnings- och eftertrycksfasen. Ofta används även skruvens diameter som ett mått. Ett annat mått som är av intresse är insprutningstrycket. Eftersom skruvdiametern direkt påverkar insprutningstrycket och skottkapaciteten, används produkten P för att bestämma insprutningsenhetens storlek. P är produkten av insprutningstrycket och skottkapaciteten. Insprutningstryck P insprmax och skottkapaciteten V dmax, dvs P=P insprmax *V dmax För kommersiella maskiner ligger låskraft, insprutningstryck och skruvdiameter vanligtvis inom följande områden: Låskraft: Insprutningstryck: Skruvdiameter: ton bar mm Maskinleverantörernas beteckningar innehåller vanligen information om låskraft och produkten P enligt ovan: P=P insprmax (bar) * V dmax (cm 3 ) / 1000 Som exempel kan vi ta Demag Ergotech 25-80, som är en maskinbeteckning. Demag är fabrikatet, 25 är låskraft i ton och 80 är produkten P. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 8

14 Insprutningsenheten Insprutningsenheten har följande funktioner: 1. Plasticera (smälta) materialet. Uppvärmning av cylindern sker normalt med elektriska värmeband. Cylindern är uppdelad i zoner och i varje zon mäts och korrigeras temperaturen. Den mesta uppvärmningen kommer från friktionsuppvärmning mellan plastgranulat och cylinder/skruv när skruven roterar. 2. Mata, homogenisera. Materialet matas fram med hjälp av skruvens rotation. 3. Dosera (mäta upp materialmängd). 4. Förvara. Smältan förvaras framför skruven tills verktyget är redo att ta emot den. 5. Spruta in. Skruven trycker in den rätta mängden smälta in i formrummet utan rotation. För att inte smältan ska tryckas tillbaka längs skruven finns det en ventil, backströmsspärr, längst fram på skruven. Den tillåter smältan att gå framåt, men inte bakåt. Låsningsenheten Låsningsenhetens uppgifter är fastspänning av formen, öppna och stänga formen samt ge en tillräckligt hög låskraft så att inte formen öppnas av smältatrycket under insprutningsoch eftertrycksfasen. Enheten är att betrakta som en press med rörligt formbord eller formuppspänningsplatta. Den kan manövreras både mekaniskt och/eller hydrauliskt. Utstötar- och kärndragningsmekanismen är också fastsatta på låsningsenheten och den erfordras för att stöta ut och avlägsna formstycket ur formen. Låsningsenheten har två vertikalt riktade formbord, ett fast och ett rörligt, en fast platta och en låsanordning mellan den fasta plattan och det rörliga formbordet. Det fasta formbordet har ett runt hål där insprutningsenhetens munstycke kommer i kontakt med formen. Det rörliga formbordet har också hål som utstötarna går igenom. Låsningsenheten utför relativt snabba rörelser i tät följd och med avsevärda påfrestningar vid varje arbetsoperation. Enheten måste därför vara robust i sin uppbyggnad och noggrann i sina rörelser. För att formens passningsfunktion, täthet och livslängd ska kunna bevaras, måste låsningsenheten motsvara stränga krav på noggrannhet och på jämna, raka rörelser. Det som bedöms för låsningsenheten är energiförbrukning, underhållsbehov, driftsäkerhet, dimensionering, uppspänningsstorlek, öppningsslaglängd och inställningsmedlens noggrannhet. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 9

15 Styrenhet Processparametrar matas in via ett tangentbord och maskindata fås via en bildskärm. Dessutom kan många styrsystem ge diagram över skruvväg och hydraultryck i insprutningscylindern som funktion av tiden under insprutning och eftertryck. Även möjlighet till statistisk processtyrning förekommer Verktyg Verktyget är en stor kostnad i formsprutningsprocessen. Kostnaderna för ett verktyg varierar beroende på storlek och konstruktion. Materialvalet till verktyget beror på hur många detaljer verktyget ska producera (verktygets livslängd) och det påverkar också verktygskostnaden. I HL Displays fall varierar verktygskostnaderna mellan kr. Det finns verktyg som är både dyrare och billigare, men detta är en typisk kostnad. En fördel med formsprutning är att man kan spruta avancerade detaljer i ett stycke, men det gör att verktygen kan bli mycket avancerade. Ofta måste stora serier tillverkas för att det ska vara lönsamt. Formverktygen har högt ställda krav såsom värmetålighet, korrosionsbeständighet och slitstyrka. Därför tillverkas verktygen ofta i verktygsstål. Verktyget består av två formhalvor, varav den ena är monterad på det rörliga formbordet och den andra halvan sitter på det fasta formbordet. Vid hopsättning av verktygshalvorna bildar de ett formrum som är av samma utseende som den färdiga produkten. Verktyget har en eller flera ingångskanaler där plasten sprutas in och trycks ut i hela formen. I större verktyg finns oftast värmekanaler inbyggda. De gör så att man kan ha kontroll på smältans temperatur ända fram till formrummet. Ett verktyg har ofta fler än ett formrum. Eftersom man vill ha ner cykeltiden tjänar man på att spruta flera detaljer samtidigt. Styrpinnar i verktygen fixerar verktygshalvorna när de sätts ihop. Vid formsprutning av härdplaster eller gummi är formen förvärmd för att materialet ska tvärbinda. Vid formsprutning av termoplaster ska formen ej förvärmas. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 10

16 Fig Två verktygshalvor som tillsammans bildar ett formrum. Här syns styrpinnarna, ingångskanalerna och formrummet. (3.) Vid flerfacksform (flera detaljer sprutas samtidigt) måste verktyget ha fördelningskanaler som fördelar det insprutade materialet till de olika formrummen. Fördelningskanalerna måste dimensioneras så att formrummen fylls samtidigt med samma tryck och temperatur Material När det gäller material till plastprofiler finns oändliga möjligheter. Varje månad utökas listan på nya material och materialkombinationer som ökar möjligheterna vad gäller plast och plastlösningar. Plaster smälter eller mjuknar vid relativt låga temperaturer vilket gör dem lätta att hantera och jämfört med metaller kräver de mindre energi att bearbeta. Egenskaperna hos detaljer av plast påverkas mycket av sättet de framställs på. Noggrann kontroll av processparametrarna är därför nödvändigt för att få en god produktkvalitet. All plastbearbetning utgår ifrån att plasten är i vätskeform när formning sker. Viskositeten i materialet varierar med olika plaster. Värmeledningsförmågan är relativt låg. Plasticeringsförloppet och smältans transport fram till formrummet och fyllningen av denna måste ske så att inte smältan skadas genom överhettning. Som nämnts tidigare är det termoplaster som är vanligast förekommande vad gäller formsprutning. Termoplasten är en plast som kan omformas, dvs. efter smältning, formning och avkylning kan plasten smältas och formas om och om igen. Polymeren är uppbyggd av linjära eller grenade kedjor (fig a), vilket gör detta möjligt. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 11

17 I praktiken bryts dock materialets långa molekylkedjor ned av värme vid bearbetningen, syre i luften, solbestrålning och kemiska föroreningar. Detta resulterar i att materialet får sämre och sämre egenskaper för varje behandling. Detaljer av termoplast formas ofta, men inte alltid, vid högt tryck. Härdplaster kan ej omformas. De är uppbyggda av tvärbundna polymerkedjor (fig b) och kan likna ett tredimensionellt fisknät och vid förnyad uppvärmning sönderdelas plasten. Härdplast syftar på att materialet görs hårt, dvs härdas, med hjälp av en härdare. En härdare är ett ämne som tillsätts för att skapa tvärbindningar mellan molekylkedjorna och därigenom göra ämnet hårt. a) b) Fig a) Visar termoplastens struktur med linjära eller grenade kedjor. b) Visar härdplastens struktur med tvärbundna polymerkedjor. Här kommer en sammanställning av några av de vanligaste materialen som formsprutas, dess egenskaper, fördelar och begränsningar. ABS: Generellt kan sägas att ABS har god slagseghet, hårdhet och relativt god kemisk beständighet. Den har god kombination av mekaniska och kemiska egenskaper till ett relativt lågt pris. Den är ej utomhusbeständig och gulnar vid solljus. ABS kan armeras med glasfiber och får då en ökning av styvheten (E-modulen) med 2 3 ggr. Den är lätt att limma och svetsa, men känslig för oxiderande ämnen. Användningsområden: Telefonkåpor, köksmaskiner, instrumentpaneler, leksaker, möbler, bilgrillar, kontorsmaskiner, fordonskarosser mm. PS: Polystyren är en klar färglös, hård och styv termoplast. Styrenplastens fördelar är att den är hård och styv, har låg formkrympning, låg vattenabsorption, goda isolerande egenskaper och ett relativt lågt pris. Den är emellertid spröd och känslig för UV-ljus och är dåligt beständig mot kemikalier. PS har även låg resistens mot oljor och lösningsmedel. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 12

18 Användningsområden: Förpackningar, engångsartiklar (muggar, skedar etc.), hushållsartiklar, cellplast mm. PA: Amidplaster har goda mekaniska egenskaper. De är sega med goda utmattnings- och krypegenskaper, de har låg friktionskoefficient och är motståndskraftiga mot nötning. De är beständiga mot många lösningsmedel bl a klorerade kolväten, alkoholer och estrar. De är dessutom beständiga mot de flesta baser. Amidplaster tar upp vatten. Vattnet verkar som mjukningsmedel och förändrar materialets dimensioner och egenskaper. PA är känsliga för UV-ljus och värme. Med glasfiber fås högre draghållfasthet och styvhet. Användningsområden: Kugghjul, skruv, lager, propellrar, maskinkåpor mm. PE: Polyeten är en vit till färglös termoplast som finns i några varianter med olika egenskaper, de vanligaste är LD (low density) och HD (high density). HD polyeten är styvare och har en hårdare yta än LD-polyeten. Etenplast är relativt beständig mot kemikalier, har låg vattenabsorption och kan användas tillsammans med livsmedel. Den är dessutom lätt, har god slagseghet och ett relativt lågt pris. PE brinner lätt, har dålig väderbeständighet i opigmenterad form och begränsad värmebeständighet. Den är dessutom mycket svårlimmad och svår att förse med tryck. PE har hög längdutvidgningskoefficient och låg resistens mot krypning. De mekaniska egenskaperna är dessutom starkt temperaturberoende. Användningsområden: Hushållsartiklar, leksaker, flaskor, rör, hinkar, ackumulatorkärl, kabelisolering, bensintankar, förpackningsfilm, behållare, infodringar, tätningsringar mm. PC: Polykarbonatplast är en hård och styv men mycket slagseg termoplast. Karbonatplast har mycket hög slagseghet, något som den behåller även vid låga temperaturer, ner till -40ºC. Den är dock känslig för brottanvisningar och mikrosprickor samt för repor. Som obehandlad är plasten klar och färglös. Fuktupptagningen är låg och väderbeständigheten god. Blandningar av PC och ABS finns som polymerlegeringar. Användningsområden: Pumphjul, skyddshjälmar, vandaliseringssäkra fönsterrutor och glas till utomhusarmaturer, skyddsglas till baklyktor på bilar, filmkassetter, hårtorkar, kontaktlinser mm. PP: Polypropen, utan tillsatser vitt till färglöst, liknande etenplast men styvare. Det har bra mekaniska egenskaper även vid höga temperaturer. Hög utmattningshållfasthet och Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 13

19 goda mekaniska egenskaper gör propenplast användbart i en mängd olika sammanhang, speciellt där höga krav på temperaturresistens och mekanisk hållfasthet ställs. PP bryts lätt ned av UV-strålning och måste stabiliseras för utomhusbruk. Användningsområden: Fläktpropellrar, bilgrillar, instrumentpaneler, flaskor, rör, rattar, höljen till köksmaskiner och hårtorkar, verktygslådor mm. PVC: Polyvinylklorid är i ren form en färglös polymer. Vanligtvis är vinylkloridplast blandad med olika tillsatsmedel som mjuknings-, fyll- och smörjmedel samt stabilisatorer, vilket gör att den förekommer i ett stort antal kvaliteter med mycket varierande egenskaper. Egenskaperna varierar beroende på tillsatserna högst betydligt, men rent generellt har vinylkloridplaster god kemikaliebeständighet. Användningsområden: Rör, byggpaneler, fönsterbågar, dörrposter, profiler, isolationsmaterial, krympslang, flaskor och behållare (olja, shampo etc), läderimitationer (kläder och resväskor), tapeter, styv cellplast (sandwichelement, isolation), mjuk cellplast (skosulor, leksaker, syntetläder) mm. TPE: Termoplastiska elaster finns i hårdheter från 35º Shore A till 80º Shore D. De kan användas som ersättning för vulkat gummi men också mjukgjord PVC. Största fördelen med TPE-materialen, jämfört med vulkat gummi, är att de kan formas på ett enkelt sätt. Det finns ett antal olika varianter av TPE med olika ämnen som "bärare", mellan dessa finns skillnader i egenskaper. Användningsområden: Skosulor, tandborstar, stötdämpare, spoliers, spännen, skridskor, leksaker mm. 3.2 Dubbelformsprutningsmetoden Allmänt kan sägas att dubbelformsprutning är en teknik som innebär att man kan tillverka detaljer som består av flera olika material eller av samma materialtyp i flera olika färger. Att skjuta två skott (spruta in samma eller olika material i två omgångar) eller flera har på senare tid blivit mycket vanligt och förekommer nu över hela världen. Tekniken har flera fördelar: Möjlighet att tillverka kombinationer av olika material, t ex av styva plaster och termoelaster. Detta kan användas som tätningslister eller ytor med komfortabelt grepp. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 14

20 Stora besparingar av dyra material som bara behövs i en viss del av produkten kan göras. T ex en yta av ett dyrare material kan kombineras med en bärare av ett billigare material. Material kan sprutas så att kemisk bindning uppstår eller inte uppstår. Tekniken har även några nackdelar: Stora investeringar i verktyg och maskiner Antalet materialkombinationer som kan uppnå full kemisk bindning är begränsat. Designen begränsas, eftersom det i vissa tillverkningsmetoder inte går att spruta det andra skottet runtom hela det första skottet Process Processen kan gå till på lite olika sätt, men grundprincipen är densamma. Liksom traditionell formsprutning plasticeras det första materialet i skruven, och på samma sätt sprutas material in i formrummet. Materialet kyls och verktyget öppnas. Här skiljer det sig mot enkel formsprutning, istället för att stöta ut detaljen flyttas den till ett nytt formrum. Det nya formrummet avbildar den färdiga detaljens utseende. Nu används den andra insprutningsenheten som plasticerar och sprutar in material nummer två i det nya formrummet. Materialet kyls och stöts ut. Exempel på tekniker som används vid dubbelformsprutning: Roterande bord På maskinens rörliga del sitter ett formbord som roterar vertikalt. På bordet sitter den rörliga verktygshalvan. Verktyget kan ha flera formrum. Begränsningen ligger i hur många insprutningsenheter maskinen har. Designfriheten är begränsad vid denna metod eftersom man inte kan spruta det andra skottet så att det helt kommer att omsluta det första skottet, men i övrigt är det en välanvänd metod med klara fördelar: Konventionella verktyg används Litet verktygsslitage Snabb rotation, dvs det går snabbt att byta från den ena formbilden till den andra. Roterande verktygsblock En teknik är att man använder sig av formsprutor från flera olika håll som alla är riktade mot ett horisontellt roterande verktygsblock i mitten. Denna metod kräver stora initialkostnader men medför vissa fördelar: Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 15

21 Kort rotationstid Möjlighet till stor temperaturskillnad i verktygen Extra operationer eller extra kylning kan integreras i tillverkningscykeln Core back I denna teknik delas formrummet av en rörlig kärna som blockerar en del under första skottet. Kärnan flyttas sedan och andra skottet sprutas in i den tidigare blockerade delen av formrummet. Denna metod är enkel och billig. Transfer Transfermetoden går till så att man först sprutar förstaskottsdetaljen och sedan flyttar den till formrummet för andra skottet. Där fixeras den och översprutas av material från det andra skottet Produkt Genom att kunna spruta två olika plastmaterial eller två olika färger i samma maskin efter varandra, öppnas väldigt många möjligheter vad gäller produkternas utformning. Som några exempel kan nämnas tangentbord, instrumentbrädor med rattar och knappar överallt, plastmuggar med olika färger mm. Man kan forma produkten bättre utifrån de krav som konstruktionen ställer. Yttermaterial kan väljas för att uppnå rätt estetik eller ythårdhet mm. Innermaterial kan väljas för att uppnå speciella syften, det kan vara återvunnet material i olika färger för att få en lägre kostnad, ledande material för att få elektrisk skärmverkan, skummat material för att få lägre vikt eller glasfiberarmerat material för att få hög styvhet och styrka, samtidigt som det oarmerade ytskiktet ger en snygg yta. Exempel på andra produkter som kan vara dubbelformsprutade är: Pennor och tandborstar, där ett annat material sprutas på grundmaterialet (det material som är stommen i tandborsten) för att skapa ökad greppvänlighet. Handtag till handverktyg med olika färger och/eller material med greppvänlighet. Mobiltelefonskal och övriga höljen tillverkas ofta i olika färgkombinationer. Det finns även produkter som ej ska ha kemisk bindning mellan de olika materialtyperna. Ta t ex en kedjelänk eller en docka (leksak) med kulleder. En docka med rörligt huvud och ledade armar och ben kan alltså tillverkas färdig i en enda operation i en dubbelformspruta. Man väljer ett material till kroppen och ett annat till huvud, armar och ben och materialen får ej binda kemiskt. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 16

22 3.2.3 Maskin Maskinens uppbyggnad och princip är den samma som för en enkelformspruta. Det som kommit till är en eller flera insprutningsenheter och ofta ett roterande rörligt formbord. Insprutningsenheten kan sitta antingen parallellt eller i 90º vinkel. Två insprutningsenheter måste man ha när man ska använda sig av två olika material eller två olika färger. Insprutningsenheterna arbetar aldrig samtidigt. Två insprutningsenheter Fig En dubbelformspruta. ( 4. ) Verktyg Verktygen till en dubbelformspruta ser lite annorlunda ut jämfört med verktyg till en enkelformspruta. Den stora skillnaden är att verktyget ska ha två formrum som inte har samma formbild och två inloppskanaler. Verktyget är mer avancerat och dess framställning medför en stor initialkostnad. Verktygen är generellt sett ca. 40% dyrare än ett verktyg till enkelformsprutning. Verktyget har två formrum, det ena formrummet bildar förstaskotts-detaljen och det andra formrummet bildar den färdiga detaljen (andraskotts-detaljen). På den rörliga verktygshalvan så är hålrummen identiska. Detaljen sitter kvar i verktygshalvan och roterar 180 så att material nummer två kan sprutas in från andra hållet. Detta gör att en yta på detaljen måste vara identisk vid det första och det andra skottet. Den fasta verktygshalvan har däremot två olika hålrumsbilder. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 17

23 För att kunna öppna verktyget, rotera det och sedan sätta ihop den igen krävs stor precision och en bra styrning verktygshalvorna emellan Material Det finns inga skillnader i vilka material som går att spruta mot enkel formsprutning. De begränsningar som finns beror på produkten, dvs vilka materialkombinationer produkten kräver. Den största tekniska svårigheten vid dubbelformsprutning är att uppnå en tillräckligt god bindning mellan de två skotten. När plast stelnar krymper detaljen en aning. Detta kan utnyttjas när material inte binder. Andra skottet sprutas runt förstaskottsdetaljen och när andraskottsdetaljen stelnar, nyper det åt och sitter fast. Detta kallas mekanisk bindning. Bindningen mellan materialen kan förutom mekanisk bindning uppnås genom interdiffusion (när molekylkedjor från det ena materialet diffunderar över gränsytan och samkristalliserar med molekylkedjor av det andra materialet) eller kemiska reaktioner mellan reaktiva molekylgrupper i de olika materialen. De båda sistnämnda bindningstyperna underlättas av: Låga molekylvikter Näraliggande molekylvikter Låg kristallinitetsgrad Kemiska reaktioner underlättas även av en högre koncentration reaktiva molekylgrupper i materialet. Interdiffusionsbindning underlätts även av följande: Plaster som är lösliga i varann Hög molekylkedjerörlighet i materialen Bindningen mellan materialen beror inte enbart på materialvalet utan även på formsprutningsprocessen. Följande faktorer förbättrar bindningen: Hög temperatur och lång verkanstid Spruta ett högsmältande andraskott-material över ett lågsmältande förstaskottsmaterial så att materialen smälts ihop Låg formtemperatur medför låg kristallinitet hos delkristallina plaster. Vid icke kemisk bindning måste det material som har högst smälttemperatur sprutas först, annars kommer det att smälta in i det andra materialet med hjälp av dess värme. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 18

24 3.3 Polyzink Att kunna pressgjuta zink och formspruta plast i samma maskin är en teknik som är helt ny på marknaden. I mars år 2004 introducerades tillverkningsmetoden och ännu har inga färdiga produkter tillverkats, utan metoden är fortfarande på teststadiet. Metoden är patenterad under namnet Polyzink Process Man kan säga att tillverkningsprocessen är uppdelad i två steg, en zinkbearbetning och en plastbearbetning. Zinkbearbetningen sker med pressgjutning och plastbearbetningen sker med formsprutning. Mellan dessa steg sker en verktygsrörelse, som förflyttar zinkdetaljen till ett nytt läge där den sedan översprutas med plast. Sista steget efter det att plasten är sprutad innebär att den färdiga detaljen stöts ut. Pressgjutning av zink Verktygsväxling Påsprutning av plast Utstötning av färdig detalj Pressgjutning liknar i många avseenden formsprutning, speciellt pressgjutning av zink, och konstruktionsförutsättningarna är ungefär desamma med en del undantag. Zinken smälts i en degel. Zinken i flytande tillstånd rinner in i en tryckkammare och pressas in i formen med hjälp av en kolv. Zinken stelnar mycket snabbt och den tid det tar för verktyget att förflyttas räcker till avkylning. Zinken behöver heller inget eftertryck. Vid verktygsväxling öppnas verktyget och den rörliga verktygshalvan roteras 180 med zinkdetaljen kvar i verktyget. Verktygshalvorna sätts sedan ihop på nytt. Det nya formrummet avbildar utseendet på den färdiga detaljen, det är det tomrum, där plast ska sprutas in. Formsprutningen sker på vanligt vis. Plasten plasticeras och sprutas in i formrummet med en matarskruv. Hela insprutningsenheten är densamma som för vanlig formsprutning. Efter det att plasten har sprutats in i formen måste eftertryck läggas på. Detaljen kan sedan inte stötas ut förrän den har svalnat. Utstötningen sker mekaniskt med utstötarpinnar som trycker ut den färdiga detaljen. Eftersom verktyget har två olika formrum och att de olika materialen transporteras in i formrummet från olika håll sker zinkbearbetningen och plastbearbetningen parallellt, alltså samtidigt i olika delar av verktyget. Det steg som styr cykeltiden är plastbearbetningen, detta pga att plasten måste ha ett påliggande eftertryck i en viss tid. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 19

25 Cykeltiden tar alltså inte längre tid än om man bara skulle spruta plasten, i ett verktyg som enbart hade ett formrum. Metoden fordrar visserligen dyra verktyg, men vid massfabrikation kan man framställa relativt komplicerade detaljer till lågt pris Produkt Produkter med en sammansättning av zinklegeringar och plast finns redan idag. Då har man främst sökt plastens isolerings-, avskärmnings- och/eller vibrationsdämpande egenskaper som komplement till zinkens kvalitéer. Tillverkningen av dessa komponenter har då skett i flera steg och därmed varit både kostnads- och tidskrävande. Produkterna integrerar zinkens fördelar i fråga om mekanisk styrka, skärmningsegenskaper mm, med plastens förmåga vad gäller design, snäppfunktioner, lagringsutrymme mm. Det som begränsar produkterna är att det måste finnas en yta med zink som är åtkomlig för den ena verktygshalvan. Det går alltså inte att helt övertäcka zinken med plast. Då måste tillverkningen ske i två separata steg och med robotar som fixerar metallen medan plast sprutas. Toleranserna blir relativt goda och ytan på zinken blir mycket bättre än vid tillverkningsmetoder som sandgjutning eller smidning, men inte lika bra som vid kallpressning. Nuvarande gällande designregler: Plast Zink Max tjocklek 3 mm - Min tjocklek 1/200* 0,5 mm Min radier 0,5 mm 0,5 mm * Tjockleken måste minst vara 1mm på en 200mm lång detalj. Detta har att göra med att plasten inte ska börja stelna innan den fyllts i hela formrummet. På sikt kan produkter med kombinationen magnesium och plast också bli aktuellt. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 20

26 3.3.3 Maskin Den nuvarande enda maskinen som klarar att pressgjuta zink och formspruta plast är i grunden en maskin för pressgjutning som har byggts om. En insprutningsenhet har byggts på, justeringar på formrummet har gjorts och ett roterbart formbord har byggts på. Fabrikstillverkade maskiner är i full gång att produceras och väntas vara klara till årsskiftet De maskinerna har en låskraft på 60 ton Verktyg Ett stort problem som uppstår i denna metod är att ett verktyg för pressgjutning helst ska vara varmt och ett verktyg för formsprutning helst ska vara kallt. Lösningen är att använda separata kylslingor i verktyget. Det innebär i sin tur att den ena delen i verktyget kommer att krympa och den andra delen att utvidgas på grund av temperaturskillnader. Materialet i verktygen är verktygsstål, liksom i vanliga formsprutningsverktyg. Zinklegeringar sliter mycket mer på verktyget än vad plasten gör. Slitdelar, som slits fortare än det övriga verktyget konstrueras så de kan bytas ut. Det medför en mindre kostnad än att byta ut hela verktyget. Vid pressgjutning av zink kan verktygets livslängd uppgå till 2 miljoner avgjutningar, vid mer avancerade konstruktioner och snäva toleranser minskas siffran mycket Material Plast och zink är en kombination som inte binder kemiskt. Pga temperatur, densitet och framförallt viskositet kan man med vissa plaster och beroende på zinkens yta få termisk bindning. Termisk bindning är en mikromekanisk bindning där plastens smälta rinner in och stelnar i zinkens porer. När detta inte är möjligt gäller det att fästa genom mekanisk bindning. Plasten krymper och på så sätt nyper sig fast på zinken, smarta konstruktioner så att detta är möjligt erfordras. Plast De plaster som går att formspruta går även att spruta i Polyzinkprocessen. Problemet ligger i hur plasten ska fästa. Plasten har en lägre smälttemperatur än zink, men plaster som närmar sig zinkens smälttemperatur skulle kunna medföra problem. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 21

27 Zink Zink är ett konstruktionsvänligt material som är starkt och smidigt.det har hög komplexitet och god precision, hållfasthet, slagseghet och duktilitet. Det finns möjligheter till snäva toleranser och förmåga till värmeavledning och elektromagnetisk avskärmning. En annan fördel med att gjuta zinklegeringar framför andra metaller som mässing och aluminiumlegeringar är att smälttemperaturen är låg. Detta gör att verktygen håller längre. Ju högre smältpunkten är, desto lättare uppstår små sprickor i verktygets yta genom värmechockerna. Det brukar vara dessa sprickor som begränsar verktygets livslängd. Av zinklegeringar kan man gjuta tunnväggiga detaljer samt detaljer som kräver snäva toleranser och jämn yta. En nackdel med pressgjuten zinklegering är att den åldras. Brottgränsen och speciellt förlängningen försämras med tiden, mindre måttändringar uppstår. Genom värmebehandling t ex vid 100 C i 6h, kan man påskynda måttändringarna. Man kan uppnå ganska hög sträckgräns men krypgränsen är fortfarande låg. Det innebär att zinklegeringar inte bör användas för konstruktionsdetaljer som under längre tid utsätts för starka påkänningar. Till exempel lämpar sig inte zinklegeringar till användning i muttrar och liknande detaljer som ska fästas genom tilldragning. Spänningarna utjämnas i så fall så småningom och detaljerna lossnar. Beroende på vilken typ av legering som används, kan separata egenskaper lyftas fram. Tester i kromning, blästring, färgbad och ytbehandlingar har gjorts av den färdiga detaljen, med positiva resultat. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 22

28 4. L-clips 4.1 Funktion L-clipset skall låsa mellanväggar i frysboxar och tillhör ett matrissystem till frysar. Två L-clips som sitter på var sida om plastväggen ska fixera och låsa fast den. Funktionen är att knivar skär ner i plasten på båda sidorna om väggen, och på så sätt låser fast den. Clipset får inte vara för stort, då det kan lossa när man tar varor från frysen. Fig Prototyp av L-clips som är fastsatt på plastväggarna. Clipsen fixerar mellanväggen så att den inte kan åka i sidled. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 23

29 4.2 Kravspecifikation Uppsatta krav för produkten L-clips: Funktioner och hållfasthet ska ej försämras vid temperaturer ned till -20 C. Den ska klara av en last på 200N som verkar mot väggens plan. Den ska sitta fast så att ingen av misstag kan lossa den. Ett enkelt handverktyg ska behövas för att lossa den. Plasten ska vara transparent, möjligen frostig transparent. Två likadana L-clips ska kunna sättas ihop med varandra och bilda ett kors. L-clipset ska med ett enkelt handgrepp vara enkelt att demontera, så att man smidigt ska kunna flytta väggen dit man vill. Rationell montering. Låg tillverkningskostnad. 4.3 Nuvarande konstruktionslösning Det fanns från början två varianter på konstruktionslösningar förutom den med Polyzink. Det som skiljer de båda åt är tillverkningsmetoden. Den ena varianten är konstruerad så att plastdelen formsprutas och metalldelen monteras separat. Den andra varianten är konstruerad för falsk dubbelformsprutning, alltså en robot som fixerar metalldetaljen medan plast sprutas runt. Metalldetaljen tillverkas i båda fall separat. Fig CAD-modell av L-clipset där tanken är att metalldelen ska monteras dit separat. Metalldelen monteras dit genom spåret på ovansidan. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 24

30 De två knivar som skär ned i plasten. Fig Metalldetaljen som ska monteras i L- clipset. Endast de två knivar som är inringade sticker ut ur spåret och skär ned i plastväggen. 4.4 Alternativ konstruktionslösning med Polyzink Konstruktionslösningen med Polyzink som tillverkningsmetod skiljer sig inte mycket från den tidigare. Funktionen är att knivar ska skära in i plastväggarna och på så sätt låsa fast dom. Den stora fördelen får man genom att slippa monteringsarbete av metalldelen. Produkten kommer att ha samma utseende som den tidigare varianten fast nu får man inte de hål där man tidigare monterade i knivarna. Zink är ett mjukare material än stål, som knivarna var av innan. Hållfastheten kompenseras genom att man i varje spår har två knivar, sammanlagt fyra knivar. Den nya varianten av L-clipset är ej uppritad i cad och konstruktionen är utlagd på Polyzink. Det nya L-clipset har samma krav som den första varianten. Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 25

31 4.5 Kostnadsjämförelse En offert har erhållits från Polyzink. Priserna är ungerfärliga eftersom konstruktionsarbetet ej är slutgiltigt samt att uppmätning och verifiering av verktyg och detalj ej ingår i offert. Offerten från Polyzink är beräknad utifrån ett 4-facksverktyg och formsprutningsverktyget är kostnaderna beräknade utifrån ett tvåfacksverktyg. Vid verktyg med flera fack blir investeringskostnaderna högre men maskintiderna per detalj och arbetskostnaderna blir mindre. Benämning Årsantal Art.pris Fack Pris Verktyg L-clips Polyzink , L-clips Formsprutning + montering , Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 26

32 5. Referenser Litteratur Formsprutningsteknik År 2000, Stockholm, Yrkesnämnden för fabriksindustrin (YFIND) Johan Becker, Kenneth Berggren, Lars-Åke Nilsson, Hans-Erik Strömvall Modern Produktionsteknik Del 1 År 2002 Stockholm, Liber, ISBN Lennart Hågeryd, Stefan Björklund, Matz Lenner Manufacturing Processes Reference guide År 1994 New York, Industrial Press, ISBN Robert H. Todd, Dell K. Allen, Leo Alting Introduction to Manufacturing Processes År 2000, Boston, McGraw-Hill, ISBN John A. Schey Internet tillgänglig 7 juni tillgänglig 7 juni tillgänglig 7 juni 2004 Bilder 1. (Fig ), tillgänglig 7 juni (fig ), tillgänglig 7 juni (fig ), tillgänglig 7 juni (fig ) tillgänglig 7 juni 2004 Örebro Universitet Niklas Sjöqvist 27