*1-32 tio i topp Sida 1 KONSTRUKTIONSTIPSENS 10 I TOPP

Transkript

1 *1-32 tio i topp Sida 1 KONSTRUKTIONSTIPSENS I TOPP Plastforum nordica nr 9, del 2, augusti 2002

2 *1-32 tio i topp Sida 3 KONSTRUKTIONSTIPSENS I TOPP Innehåll 7 Förord 8 Materialjämförelser Materialval 14 Väggtjocklek 16 Ribbor 20 Ingötsplacering 22 Kostnadsbesparande konstruktion 24 Sammanfogningsteknik 26 Svetsning 28 Toleranser 30 Checklista

3 *1-32 tio i topp Sida 5 KONSTRUKTIONSTIPSENS REDAKTION Chefredaktör och ansvarig utgivare: Peter Olofsson, tel , e-post peter.o@mentoronline.se Redaktörer: Katarina Elner Haglund, tel e-post katarina.eh@mentoronline.se Malin Folkesson, tel e-post malin.f@mentoronline.se Grafisk formgivning: Mia Kristoffersson, tel , e-post mia.k@mentoronline.se Grafisk bildhantering: Jessica Tjärnberg, tel , e-post jessica.t@mentoronline.se Redaktionella medarbetare: Asle Isaksen, Lars-Erik Edshammar, ANNONSAVDELNING Försäljnings- och marknadschef Jonas Natt och Dag, tel , e-post jonas.nod@mentoronline.se Annonschef: Beth Holmkvist, tel , e-post beth.h@mentoronline.se Säljare: Eva Malmros, tel , e-post eva.m@mentoronline.se Radannonser: Mathias Gustafson, tel , e-post mathias.g@mentoronline.se Annonsproduktion och material: Agneta Gullberg, tel , e-post agneta.g@mentoronline.se PRENUMERATIONER Tel , fax e-post prenumeration@mentoronline.se Helår (15 nr) SEK exkl moms, Vid prenumeration av minst två exemplar erhålles 50 procents rabatt (från och med första exemplaret). Övriga Norden SEK exkl moms Lösnummerpris 98 SEK exkl moms. FÖRLAG Mentor Communications AB, Box 601, Helsingborg, Besöksadress: Landskronavägen 1-3 tel , fax TRYCK: Exakta Tryck, Hässleholm Copyright Mentor Communications AB Återgivande av text och bild endast efter skriftlig överenskommelse med förlaget. För insänt ej beställt redaktionellt material ansvaras ej. ISSN Förord För några år sedan publicerade vi två artikelserier, Formsprutproblemens Tio i topp samt Konstruktionstipsens Tio i topp, som båda blev mycket uppskattade. Beslutet att samla dessa serier i egna häften var därför inte speciellt svårt att fatta och förra året kom också Formsprutproblemen. Nu är det alltså dags att samla Konstruktionstipsens Tio i topp i ett häfte, som du nu håller i din hand. Plast, det är minsann inte som andra material har väl var och en fått lära sig på olika sätt. I mitt fall var det redan i skolmiljö som denna kunskap bibringades mig, medan åtskilliga andra fått lära sig det när de börjat jobba på plastbearbetande företag. I många fall har nog konstruktörer och andra som är involverade i produktframtagningsprocessen på ett mera handfast och ofta dyrköpt sätt istället kunnat konstatera att den där plasten bär sig ju inte alls åt som vi trodde. Det gör den ju inte heller och därför är det viktigt att känna till så mycket som möjligt om vad det är som gör en plast så speciell och hur dessa egenskaper kan utnyttjas. Artikelserien, författad av Ulf Bruder, Jürgen Hasenaur, Dieter Küper och Jost E. Laumeyer (alla med anknytning till DuPonts konstruktionsplaster), tar upp de viktigaste konstruktionsaspekterna vid plastkonstruktion och serien inleds med konstaterandet att plast är inte metall. Materialet är lättförståeligt och visar hur man undviker de vanligaste fallgroparna vid konstruktion av plastdetaljer. Serien var som nämnts mycket populär i tidningen och vi är övertygade om att den nu samlade utgivningen i det här häftet är mycket intressant för alla som på något sätt sysslar med konstruktion av plastdetaljer. Vi önskar er en trevlig stunds läsning och jag vill avsluta med att påminna er om två saker: Glöm inte att spara det här häftet och glöm inte att plast, det är minsann inte som andra material. Peter Olofsson chefredaktör I TOPP PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti

4 *1-32 tio i topp Sida 6 KONSTRUKTIONSTIPSENS I TOPP DEL 1 1. Materialjämförelser 2. Materialval 3. Väggtjocklek 4. Ribbor 5. Ingötsplacering 6. Kostnadsbesparande konstruktion 7. Sammanfogningsteknik 8. Svetsning 9. Toleranser.Checklista Materialjämförelser I denna artikelserie om tio avsnitt belyser DuPont olika viktiga konstruktionsaspekter som måste tas hänsyn till vid konstruktion av plastdetaljer. Många plastdetaljer konstrueras fortfarande som om de vore gjorda av metall. Första avsnittet handlar därför om värdet av materialjämförelser, och författarna pekar på punkter som kräver speciell uppmärksamhet vid konstruktion i plastmaterial. Olika materialegenskaper Egenskaperna hos plastmaterial kan variera över ett betydligt större område än hos andra konstruktionsmaterial. Genom tillsats av fyllnads-/armerings- - Plast är inte metall material och andra tillsatsmedel kan egenskapsprofilen hos i princip vilken standardpolymer som helst kraftigt förändras. omkonstruktionen bör man ta vara på möjligheten att integrera fler funktioner hos detaljen och om möjligt förenkla dess geometri. De viktigaste konstruktionsegenskaperna avviker från motsvarande egenskaper hos metaller. Vid en direkt jämförelse framgår att metallerna har Olika beteenden hos material Plaster uppvisar ett helt annorlunda beteende jämfört med metaller under högre: samma användningsbetingelser. Densitet Maximal användningstemperatur Styvhet och styrka Elektrisk ledningsförmåga Däremot är mekanisk dämpning värmeutvidgning brottöjning och seghet Därför kan en perfekt fungerande och lönsam konstruktion i metallgjutgods förorsaka problem om den kopieras i ett plastmaterial om man inte tar tillräcklig hänsyn till plastens unika egenskaper. Konstruktörer måste därför känna till de speciella egenskaperna hos denna typ av material. av en helt annan storleksordning hos konstruktionsplaster (se figur 1). När man skall producera detaljer i plast och göra en kostnadsbesparing är det i regel nödvändigt att göra en radikal Temperatur- och tidsberoende deformationsegenskaper Ett plastmaterials deformationsegenskaper blir mer temperatur- och tids- omkonstruktion om plasten beroende ju närmare användningstem- används för att ersätta metall. Vid peraturen är till dess smältpunkt. Metaller däremot uppvisar vanligtvis ingen förändring av de mekaniska egenskaperna i området ända upp i närheten av deras omkristalliseringstemperatur (> 300 C). De flesta plaster uppvisar emellertid andra mekaniska egenskaper vid rumstemperatur än vid högre temperaturer. Detsamma gäller om de utsätts för korttids- jämfört med långtidsbelastning. Om användningstemperaturen eller deformationshastigheten hos en konstruktionsplast genomgår stor förändring kan deformationsegenskaperna förändras från att vara hård och spröd till att bli mjuk och gummiliknande. Exempelvis utsätts en airbaglucka för en explosionsartad delning då luftkudden utlöses. Materialet uppvisar härvid ett helt annat deformationsförlopp än om det skulle användas i ett snäppe med en långsam deformationshastighet vid monteringen (figur 2). Samtidigt skulle man vara tvungen att montera detta snäppe annorlunda beroende på omgivningstemperaturen. Fig.1 Källa Du Pont 6 PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti 2002

5 *1-32 tio i topp Sida 7 Informativ, saklig, aktuell & lättläst! Välkommen som prenumerant! Plastforum nordica är nordens ledande informationskälla när det gäller plast och förmedlar kvalificerad kunskap om material, metoder, maskiner och marknader till alla som verkar inom branschen. Plastforum nordica visar på nya lönsamma alternativ till gammal teknik och invanda materialval. Som prenumerant får Du dessutom tillgång till dagligen uppdaterade branschnyheter via internet JAG VILL PRENUMERERA! Prenumerationspris helår 1 200:- exkl moms JAG VILL PROVA 3 NUMMER AV PLASTFORUM GRATIS! Namn/Företag: Frankeras ej Mottagaren betalar portot Organisationsnummer: Postnr/Ort: Telefon: Fax: Beställare: Prenumerationen gäller från nästa nummer. Kontakta prenumerationsavd. Tel , Fax PLASTFORUM NORDICA SVARSPOST KONTONUMMER STOCKHOLM

6 *1-32 tio i topp Sida 8 Effekten av omgivningstemperaturen har nämligen betydligt större påverkan på materialets deformationsegenskaper än vad belastningshastigheten har. Faktorer som påverkar detaljens egenskaper Egenskaper hos plaster beror inte enbart på materialegenskaperna. Egenskapsprofilen hos en plastdetalj kan förändras av olika orsaker (t.ex. UV-strålning, se figur 3) så att den inte längre fungerar. Även en välkonstruerad detalj kan gå sönder om bearbetningsparametrarna inte varit tillfredsställande under formsprutningsprocessen. Samtidigt kan inte heller formsprutaren eliminera effekten av felaktig formgivning under bearbetningsprocessen (t.ex. felaktig ingötsplacering eller ojämn godstjocklek). Man kan bara garantera en detaljs funktion om man i optimeringsprocessen tar hänsyn till alla faktorer som påverkar den. Eftersom plastdetaljer i regel har mindre tolerans mot felaktig formgivning än motsvarande komponent i metall måste större hänsyn tas till korrekt utformning och materialval när man konstruerar dessa. Varje nytt utvecklingsprojekt i plast bör därför starta med en noggrann analys av alla krav och begränsningar. Av Ulf Bruder, Jürgen Hasenauer, Dieter Küper and Jost E. Laumeyer Fig4 Källa Du Pont Fig.3 Källa Du Pont Fig.2 Källa Du Pont 8 PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti 2002

7 *1-32 tio i topp Sida KONSTRUKTIONSTIPSEN I TOPP DEL 2 Materialval - Det rätta valet 1. Materialjämförelser 2. Materialval 3. Väggtjocklek 4. Ribbor 5. Ingötsplacering 6. Kostnadsbesparande konstruktion 7. Sammanfogningsteknik 8. Svetsning 9. Toleranser.Checklista I denna artikelserie om tio avsnitt belyses olika viktiga konstruktionsaspekter som måste tas hänsyn till vid konstruktion av plastdetaljer. I detta avsnitt behandlas vikten av ett korrekt materialval. Det finns nämligen inga dåliga material, bara fel material i en viss applikation. Därför är det viktigt att en konstruktör kan omsätta en detaljs kravspecifikation till de materialegenskaper som är av betydelse, så att en realistisk bedömning kan ske av tilltänkta materialkandidater. Vidare bör om möjligt detaljen testas i de olika materialkvaliteterna med hänsyn till de kritiska egenskaperna. Fig.1 Källa Du Pont Konventionella termoplaster De material som förekommer mest vid formsprutning är termoplaster, och dessa kan indelas i två grupper: Amorfa och delkristallina plaster (Fig. 1). Grupperna skiljer sig beträffande molekylstruktur samt i de egenskaper som påverkas av materialets kristallinitet (Fig. 2). En grov generalisering är att Fig.2 Källa Du Pont delkristallina plaster främst används för detaljer som utsätts för hög mekanisk belastning, medan amorfa plaster som har mindre tendens till skevning ofta används i kåpor. Fyllmedel och armeringsmaterial Termoplaster levereras i oarmerade, glasfiberarmerade, mineral- (t.ex. talk) eller glaskulefyllda PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti 2002

8 *1-32 tio i topp Sida 11 Fig.3 Källa Du Pont Fig.5 Källa Du Pont Fig.6 Källa Du Pont Fig.4 Källa Du Pont kvaliteter. Glasfibrer används huvudsakligen för att öka materialets styrka, styvhet och användningstemperatur (Fig. 3). Mineral och glaskulor ger lägre armeringseffekt, men reducerar materialets skevningstendens. Glasfibrer påverkar också bearbetningsegenskaperna, speciellt formkrympningen. Man kan därför inte ersätta armerade material med oarmerade eller med lägre armeringshalt utan att måttförändringar uppstår. Orienteringen av glasfibrerna bestäms av flödesriktningen. Fiberorienteringen förändrar också de mekaniska egenskaperna. För att visa effekten av fiberorientering lät man fräsa ut provstavar i längdoch tvärriktningen av formsprutade plattor. De mekaniska egenskaperna testades sedan i en dragprovningsutrustning (Fig. 4). Provstavar gjorda i 30% glasfiberarmerad PET uppvisade en minskning av draghållfastheten med 32%, en minskning av styvheten med 43% och en minskning av slagsegheten med 53% i flödets tvärriktning, jämfört med flödesriktningen. Vid beräkning av detaljens hållfasthet måste man kompensera för denna hållfasthetsförändring och lägga in säkerhetsfaktorer. Ett stort utbud av armeringsmaterial, fyllmedel och andra tillsatsmedel (flamskydd, slagseghetstillsatser, UVstabilisatorer m.m.) tillsätts i många PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti

9 *1-32 tio i topp Sida 12 FORTSÄTTNING DEL 2 olika termoplaster för att förändra materialens egenskapsprofil. Vid val av material är det viktigt att noga kontrollera hur de olika tillsatsmedlen påverkar materialets egenskaper. Mycket information kan fås ur materialleverantörernas broschyrer eller PCbaserade materialvalsprogram (t.ex. Campus), men det bästa är ändå att rådgöra med plastleverantörnas materialspecialister (Fig. 5). Inverkan av fukt En del termoplaster, speciellt PA 6 och PA 66 absorberar vatten. Detta kan ge en avsevärd förändring av de mekaniska egenskaperna och dimensionsstabiliteten. Fig.7 Källa Du Pont Fig.8 Källa Du Pont 12 PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti 2002

10 *1-32 tio i topp Sida 13 Det är viktigt att ta hänsyn till detta vid val av material (Fig. 6 och 7). Andra faktorer vid materialval Andra faktorer kan vara beroende av bearbetningsbetingelser och sammanfogningsmetoder. Det är också viktigt att undersöka om fler funktioner kan integreras i samma detalj för att spara in dyrbara monteringskostnader. Vissa material kan med hänsyn till bearbetningsbetingelserna ge avgörande besparing av produktionskostnader. Man får härvid inte stirra sig blind på materialpriset, då det visar sig att ett styvare material i regel tillåter tunnare godstjocklek, med kortare formsprutningscykel som följd. Det är viktigt att lista upp alla krav vid materialval och utvärdera dessa systematiskt för alla tänkbara materialkandidater. Ett förenklat flödeschema för materialval visas i Fig. 8. PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti

11 *1-32 tio i topp Sida 14 KONSTRUKTIONSTIPSENS I TOPP DEL 3 Så mycket som nödvändigt - så lite som möjligt 1. Materialjämförelser 2. Materialval 3. Väggtjocklek 4. Ribbor 5. Ingötsplacering 6. Kostnadsbesparande konstruktion 7. Sammanfogningsteknik 8. Svetsning 9. Toleranser. Checklista I denna artikelserie om tio avsnitt belyses olika viktiga konstruktionsaspekter som måste tas hänsyn till vid konstruktion av plastdetaljer. När man konstruerar detaljer i konstruktionsplaster har det visat sig att vissa saker direkt påverkar detaljens tillverkningstid, och enkla konstruktionsregler kan därför i vissa fall utformas. En av dessa regler rör väggtjockleken, vilken har en avgörande betydelse för detaljens kvalitet. Fig.1 Källa Du Pont Fig.2 Källa Du Pont Väggtjocklekens betydelse Om man förändrar väggtjockleken hos en detalj kommer man att få en markant förändring av följande egenskaper: - detaljvikt - flytlängd i verktyget - cykeltid vid tillverkningen - detaljens styvhet - måttoleranser - ytfinish, skevning och porositet Förhållande mellan flytlängd och väggtjocklek På ett tidigt stadium under konstruktionsarbetet är det viktigt att man undersöker huruvida den önskade väggtjockleken är tillräcklig för att kunna fylla detaljen i det material som man har tänkt sig. Förhållandet mellan flytlängd och väggtjocklek är kritisk vid fyllning av formrummen vid formsprutning. Om man har tänkt sig kombinera långa flytvägar med liten väggtjocklek måste man använda polymerer med låg viskositet (lättflytande). För att kunna bedöma flytbarheten hos plaster använder man sig bland annat av speciella verktyg (se fig. 1 och 2). Väggtjocklekens betydelse för styvheten Styvheten hos en plan skiva bestäms dels av den materialberoende elasticitetsmodulen, dels av tröghetsmomentet för skivans tvärsnitt. Om man, utan att tänka på övriga konsekvenser, automatiskt ökar väggtjockleken när man vill öka styvheten hos skivan kan problem uppstå speciellt när det gäller kristallina plaster. Om materialet är glasfiberarmerat påverkar en förändring av väggtjockleken också orienteringen av glasfibrerna. Nära formväggen orienterar sig fibrerna nämligen i flödesriktningen, medan de i mitten av formväggen får en slumpmässig orientering beroende på att flödet här är turbulent. Ökas väggtjockleken är det i huvudsak tvärsnittet med slumpmässig fiberorientering som ökar, medan det orienterade ytskiktet mer eller mindre är detsamma (se fig. 3). Detta ytskikt, som direkt påverkar detaljens styvhet när det gäller glasfiberarmerade plaster, kommer härvid att minska i förhållande till den totala väggtjockleken. Detta är förklaringen till minskande styvhet vid ökande väggtjocklek(se fig 4). Om man jämför styrkan hos provstavar (standardtjocklek 3,2 mm) kommer man att upptäcka att provstavarnas tjocklek påverkar styrkan endast i begränsad omfattning. Det är därför viktigt att man 14 PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti 2002

12 *1-32 tio i topp Sida 15 lägger på en säkerhetsfaktor. Att bara öka väggtjocklek, utan att ta andra hänsyn, kommer bara att öka material- och tillverkningskostnaderna utan att man vinner speciellt mycket när det gäller styvheten. Öka väggtjockleken? Att öka väggtjockleken påverkar Fig.4 Källa Du Pont inte bara de mekaniska egenskaperna utan också kvaliteten på den färdiga detaljen. En gyllene regel vid all konstruktion i plast är att eftersträva Fig.3 Källa Du Pont att hålla jämn godstjocklek. Om man har varierande väggtjocklek i samma detalj kommer detta att medföra varierande krymp och inbyggda spänningar. Är detaljen i sig själv inte tillräckligt styv kan skevning eller andra måttproblem uppstå (se fig 6). För att kunna hålla jämn godstjocklek är det ibland nödvändigt att spara ur tjocka partier (se fig. 5). Vid ursparning av tjocka partier reducerar man också risken för håligheter, mikroporer och skevning. Håligheter och mikroporer i detaljen reducerar de mekaniska egenskaperna både genom att ytans tvärsnitt minskar och genom att de verkar som brottsanvisningar. Av Ulf Bruder, Jürgen Hasenauer, Dieter Küper and Jost E. Laumeyer Väggtjocklek ned till - och i vissa segment under - 0,8 mm är vardagsmat hos dom som formsprutar mobiltelefoner. Ska man göra detaljen ännu tunnare krävs mera avancerad teknik och material med ännu bättre flytförmåga. Fig.6 Källa Du Pont Fig.5 Källa Du Pont PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti

13 *1-32 tio i topp Sida 16 KONSTRUKTIONSTIPSENS I TOPP DEL 4 I denna artikelserie om tio avsnitt belyses olika viktiga konstruktionsaspekter som måste tas hänsyn till vid konstruktion av plastdetaljer. I detta avsnitt har turen kommit till ribbor, som är ett viktigt hjälpmedel för att eliminera de problem som kan uppstå när man formsprutar detaljer med stor väggtjocklek. Ribborna ökar detaljens styvhet utan att man behöver öka väggtjockleken. ribbor - Bästa utformning av ribbor Rent allmänt kan styvheten hos en detalj ökas genom att: Öka väggtjockleken Öka E-modulen hos materialet d.v.s. öka armeringen Lägga till ribbor i konstruktionen. I de fall där man inte kan erhålla tillräcklig styvhet genom att modifiera konstruktionen rekommenderas ett material med högre styvhet (E-modul). Det vanligaste sättet är att välja en kvalitet med högre fiberinnehåll (oftast glasfiber). Vid bibehållen väggtjocklek kommer detta att medföra en linjär ökning av styvheten. Ett betydligt effektivare sätt är att öka styvheten med hjälp av ribbor. Här kommer styvhetsökningen att bli resultatet av ökningen av tröghetsmomentet. När man ska optimera utformningen av ribbor bör man inte bara ta hänsyn till de mekaniska egenskaperna utan också väga in andra faktorer som har med bearbetning och utseende att göra. Begränsningar vid utformning av ribbor För att maximera ribbans styvhet bör den konstrueras med högt tröghetsmoment. Detta åstadkoms genom att öka höjden och tjockleken på ribban. För konstruktionsplaster medför detta emellertid ofta allvarliga problem, såsom sjunkmärken, porositet och skevning. Om ribbans höjd är för stor är det dessutom risk att den bucklar sig vid belastning. Med hänsyn till dessa negativa effekter är det viktigt att hålla dimensionerna på ribban inom rekommenderade gränser, se figur 1. För att underlätta utstötningen av den ribbade detaljen ur formverktyget är det viktigt att ribban har en släppningsvinkel, se figur 2. Fig.2 Källa Du Pont Begränsningar av materialanhopning För produkter som kräver hög ytfi- 1. Materialjämförelser 2. Materialval 3. Väggtjocklek 4. Ribbor 5. Ingötsplacering 6. Kostnadsbesparande konstruktion 7. Sammanfogningsteknik 8. Svetsning 9. Toleranser.Check-lista dålig Fig.1 Källa Du Pont 16 PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti 2002

14 *1-32 tio i topp Sida 17 nish, som exempelvis navkapslar till bilar, är dimensioneringen av ribborna viktiga. Korrekt utformning av ribborna minskar risken för sjunkmärken och förhöjer därmed kvaliteten på ytan. Godsanhopningen vid ribbans rot definieras av den inskrivna cirkeln, se figur 1. Genom att följa rekommendationen i figuren bör denna cirkel göras så liten som möjligt för att sjunkmärken skall reduceras eller helst elimineras helt. En generell tumregel är att den inskrivna cirkeln skall vara mindre än halva godstjockleken. För stor godsanhopning kan också medföra porositet och därmed betydligt sämre hållfasthet. Spänningskoncentration vid ribbans rot Under mekanisk belastning av en ribbad konstruktion blir oftast belastningen högst vid ribbans rot. Om man inte har tillräckliga hörnradier här kommer höga spänningsnivåer att uppstå, vilka ofta leder till initiering av brott, se figur 3. Det är därför viktigt att man väljer tillräckligt stora hörnradier för att få en bättre spänningsfördelning. Den rekommenderade hörnradien bör vara halva godstjockleken (R =1/2T). Väljer man för stor hörnradie blir den inskrivna cirkeln för stor och man riskerar få problem med för stor godsanhopning (se ovan). Val av optimal ribbning Vid konstruktion av plastdetaljer har kryssribbor visat sig vara effektiva för att ta upp många typer av belastningar, se figur 4. En väl utformad ribbkonstruktion för den önskade belastningen resulterar i en jämn fördelning av spänningarna i hela detaljen. Knutpunkterna där ribborna möts Fig.4 Källa Du Pont ger godsanhopningar (figur 5). Dessa kan dock elimineras med hjälp av ursparning (kärnor). Man bör också vara försiktig med godsanhopning i mötet mellan ribbor och detaljens väggar, se figur 6. Fig.3 Källa Du Pont Av Ulf Bruder, Jürgen Hasenauer, Dieter Küper and Jost E. Laumeyer PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti 2002 Fig.5 Källa Du Pont Fig.6 Källa Du Pont 17

15 *1-32 tio i topp Sida 18 KONSTRUKTIONSTIPSENS I TOPP DEL 5 1. Materialjämförelser 2. Materialval 3. Väggtjocklek 4. Ribbor 5.Ingötsplacering 6. Kostnadsbesparande konstruktion 7. Sammanfogningsteknik 8. Svetsning 9. Toleranser.Checklista Bästa ingötsplacering I artikelserien om olika konstruktionsaspekter som måste tas hänsyn till vid konstruktion av plastdetaljer har turen nu kommit till ingötets placering. En felaktig ingötsplacering eller ett felaktigt ingötssystem kan medföra produktionsproblem, men även ha en avgörande betydelse för plastdetaljens kvalitet. Det är inte alla konstruktörer som beaktar detta utan ingöts-placering och ingötssystem överlåts ofta på verktygsmakaren utan att denne har inblick i den fulla kravspecifikationen. Detta leder ibland till att förväntade egenskaper på produkten inte nås. Fig.1 Källa Du Pont Fig.2a Källa Du Pont Fig.2b Källa Du Pont 18 PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti 2002

16 *1-32 tio i topp Sida 19 Förutom att utforma detaljen och göra hållfasthetsberäkningar bör konstruktören alltid se till att antalet ingöt är tillräckliga och att ingötsplacering och förväntade sammanflytningslinjer (vid flera ingöt) inte hamnar där belastningen är stor. Valet av ingötsplaceringen hos en plastkomponent påverkar följande egenskaper: Fyllingsförlopp Produktdimension / toleranser Krympegenskaper (skevning) Mekaniska egenskaper Ytfinish (estetiskt, utseende) Formsprutaren har i regel små möjligheter att rätta till fel som beror på felaktig ingötsplacering. Resultat blir istället dyrbara verktygsändringar. Molekyl- och fiberorientering påverkar produktens egenskaper Vid formsprutning orienterar de långa molekylkedjorna eller fiberarmeringen sig huvudsakligen i smältans flödesriktning. Detta medför att vissa egenskaper blir riktningsberoende (anisotropi). Styrkan i flytriktningen blir exempelvis betydligt högre än tvärs flytriktningen, se figur 1. Om materialet är glasfiberarmerat påverkar armeringen egenskaperna i betydligt högre utsträckning än molekylorienteringen. Fiberorienteringen medför också olika krymp i längs- och tvärgående riktning, vilket ofta kan resultera i skevning. Lägre kvalitet på grund av sammanflytningslinjer och luftinneslutningar Sammanflytningslinjer uppstår när två eller flera flytfronter möts i formen. Detta sker till exempel när polymersmältan flyter runt en insats eller möts på motsatt sida. Sammanflytningslinjer uppstår också när man har flera ingöt, se figur 2a och 2b. Varierande väggtjocklek kan också medföra att sammanflytningslinjer uppstår om flödesfronten delar sig för att sedan återförenas igen. Luftinneslutningar (luftbubblor) kan också uppstå om luft, som skulle ha evakuerats ur formrummet, blir innesluten i smältan och inte kan komma ut. Detta löses bäst med bra avluftning av formen. Sammanflytningslinjer och luftinneslutningar medför ofta sämre ytfinish. Tillsammans med detta påverkas också de mekaniska egenskaperna i hög grad. Detta gäller speciellt slagseghet, se figur 3 och 4. Negativa konsekvenser av felaktig ingötsplacering Eftersom ingöt alltid lämnar märken bör de inte placeras på ställen där man har höga krav på ytfinish. I området runt själva ingötet får man hög skjuvning som reducerar de mekaniska egenskaperna hos polymeren, se figur PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti

17 *1-32 tio i topp Sida 20 Fig.3 Källa Du Pont Fig.4 Källa Du Pont Gyllene konstruktionsregler : Placera inte ingöt i områden med hög belastning Eliminera eller reducera antalet sammanflytningslinjer Placera inte sammanflytningslinjer i områden med hög belastning För armerade plaster påverkar ingötsplaceringen risken för skevning Undvik luftinneslutningar genom ordentliga avluftnings-kanaler. 5. Placera därför aldrig ingötet i ett område med maximal belastning! Oarmerade plaster behåller styrkan bättre i sammanflytningslinjen än armerade. Försämringen av egenskaperna i sammanflytningslinjen beror i Fig.5 Källa Du Pont hög grad på halt och typ av fyllmedel och fibrer. Dessutom försämras även egenskaperna av andra tillsatsmedel såsom formsläppmedel, slagseghetstillsatser och flamskyddsmedel. På grund av alla dessa faktorer är det därför svårt att förutse hur mycket styrkan reduceras i sammanflytningslinjen. Man bör också beakta att även om dragstyrkan i sammanflytningslinjen är tillräcklig betyder det inte att slag- eller utmattningshållfastheten alltid är tillfredsställande. När man använder fiberarmerade material orienterar sig fibrerna tvärs flytriktningen i flödesfronten (sammanflyt- Fig.6 Källa Du Pont ningslinjen), vilket i hög grad reducerar armeringseffekten och de mekaniska egenskaperna, se figur 6. Korrekt ingötsplacering Komplexa detaljer kan i regel inte sprutas utan sammanflytningslinjer. Kan man inte få bort dessa bör man eftersträva att de hamnar i områden där varken styrka eller utseende är av betydelse. Detta görs antingen genom att flytta ingötet eller genom att öka eller minska väggtjockleken. Av Ulf Bruder, Jürgen Hasenauer, Dieter Küper och Jost E. Laumeyer PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti 2002

18 *1-32 tio i topp Sida 22 KONSTRUKTIONSTIPSENS I TOPP DEL 6 1. Materialjämförelser 2. Materialval 3. Väggtjocklek 4. Ribbor 5. Ingötsplacering 6.Kostnadsbesparande konstruktioner 7. Sammanfogningsteknik 8. Svetsning 9. Toleranser. Checklista I denna artikelserie om tio avsnitt belyses olika viktiga konstruktionsaspekter som måste tas hänsyn till vid konstruktion av plastdetaljer. Detta sjätte avsnitt behandlar kostnaden som konstruktionsfaktor. Konstruktören av en plastdetalj bär en stor del av ansvaret för detaljens slutliga kostnad. Hans eller hennes värderingar och val påverkar kostnaderna för produktion, verktygsframställning och montering. Större förändringar senare i produktens utveckling är i regel kostbara eller opraktiska att genomföra. Kostnads b konstruktioner 4 2 Original profil, material POM Balk med ribbor, Typ 1 2,8 140 Tröghetsmoment: 2520 mm 4 Minskning av eftertryckstid till 35% Materialbesparing: 23% Balk med ribbor, Typ 2 1,4 140 Tröghetsmoment: 2520 mm 4 Eftertryckstid: Ca 95 s (0%) Kostnadsbesparing genom att använda ribbor 11,2 140 Tröghetsmoment: 2520 mm 4 Minskning av eftertryckstid till15% av ursprunglig Materialbesparing: 57% ,2 Fig.2 Källa Du Pont Påverkning av kostnaderna genom materialegenskaperna Om man utnyttjar materialets egenskaper fullt ut kan kostnaderna minskas genom: Konstruktion med multifunktion. Reduktion av antalet ingående komponenter genom integration av flera funktioner i samma detalj. Användning av ekonomiska sammanfogningsmetoder. Snäppfästen, olika typer av svetsning, nitning eller tvåkomponentssprutning etc. Självsmörjande egenskaper. Eliminerar användning av yttre smörjmedel. Eliminering av ytbehandling. Infärgat material, kemikalieoch korrosionsbeständigt, elektrisk och termisk isolering. Nukleering. Material inom samma produktfamilj kan ha olika produktionscykler. Orsaken till detta kan vara nukleeringstillsatser som påskyndar kristalliseringen av smältan under stelningsfasen. Ytterligare besparingar Ytterligare besparingar kan erhållas om man beaktar följande: Väggtjocklek. Optimerad vägg-tjocklek påverkar materialkostnaden och kan reducera cykeltiden. Formverktyg. Tvåplatteverktyg, reducering av antalet delningar etc. Toleranser. Överdrivet höga toleranser ökar kassationsnivån och kostnaderna för kvalitetskontroll. Materialval. Reducering av kyloch cykeltider genom val av snabbstelnande kvaliteter. Minimering av skevning genom val av lågskevande typer (t.ex. Aluminium Magnesium Zink PA66 30% Glas Material Verktygskostnad Ytbehandling Energiförbrukning Gjutkostnad Lackering Kostnadsjämförelse nedbruten i beståndsdelar av produktionskostnaderna (baserade på vikt) Fig.1 Källa Du Pont 22 PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti 2002

19 *1-32 tio i topp Sida 23 besparande mineralarmerade istället för glasfiberarmerade). Kostnadsjämförelse nedbruten i beståndsdelar av produktionskostnaderna Formsprutade detaljer bör vara klara för montering så snart som de har stötts ut ur formverktyget, utan krav på någon efterbearbetning. Om efterbearbetning krävs blir kostnaderna många gånger lika höga som för metallkomponenter (Fig. 1). Utformningen är avgörande för produktionskostnaderna En generell ökning av väggtjockleken leder inte nödvändigtvis till önskad styrkeökning hos en komponent, men kommer alltid att medföra ökade material- och produktionskostnader (Fig. 2). Detta gäller speciellt för delkristallina plaster som genomgår en volymetrisk volymförändring (krymp) när de stelnar. Denna volymförändring mellan flytande och fast form kräver kontinuerlig efterfyllning av smältan under hela eftertrycksfasen (packningstiden). Den ungefärliga eftertryckstiden per mm väggtjocklek är till exempel: POM = 8 sek PA66 oarmerad = 4-5 sek PA66 glasfiberarmerad = 2-3 sek (Gäller för väggtjocklek upp till Exempel på förenklad montering (kabelclips med integrerat gångjärn) 3 mm) Några typiska plastkonstruktioner Till skillnad från metallkomponenter, som vanligtvis måste maskinbearbetas och ofta genomgå flera monteringssteg innan de blir till en färdig produkt, erbjuder produkt-framställning i plast en betydande potential för kostnadsbesparing. Ett exempel på detta (Fig. 3) är en kombinerad styr- och drivaxel, där axel, lagring och snäppen är sprutade i ett stycke. Motsvarande komponent i metall skulle kräva sammanfogning av fem olika komponenter, samtidigt som den Exempel på integrering av flera funktioner (Styr- och drivaxel gjord i POM) Fig.4 Källa Du Pont Kostnadsbesparande verktygskonstruktion skulle kräva att man smorde den. Om man väljer acetal homopolymer i konstruktionen behöver den ingen smörjning. Vid kombination av snäppen och integrerade gångjärn reduceras antalet komponenter. Monteringen blir lättare och kostnaderna minskas. Om man använder ett sprött material kan ett annat snäppe ta över låsningsfunktionen om gångjärnet skulle brista. (Fig. 4) Vid formgivningen av en detalj bestämmer konstruktören också hur komplicerat verktyget och formrummet kommer att bli, det vill säga utstötarsystem och antalet nödvändiga delningsplan. Vid en genomtänkt formgivning kan underskärningar och extra delningar ersättas med fasta kärnor (Fig. 5). Av Ulf Bruder, Jürgen Hasenauer, Dieter Küper och Jost E. Laumeyer Fig.3 Källa Du Pont Fig.5 Källa Du Pont PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti

20 *1-32 tio i topp Sida 24 KONSTRUKTIONSTIPSENS I TOPP DEL 7 de främsta sammanfogningsmetoderna I denna artikelserie om tio avsnitt belyser DuPont olika viktiga konstruktionsaspekter som måste tas hänsyn till vid konstruktion av plastdetaljer. De vanliga sammanfogningsmetoderna som snäpp-, press- och gängförband är enkla metoder som möjliggör stora kostnadsbesparingar vid konstruktion av plastprodukter genom snabb och enkel sammanfogning av komponenterna. Metoderna kan delas in i permanenta och demonterbara. Till de permanenta hör: Svetsning Nitning Limning Översprutning 1. Materialjämförelser 2. Materialval 3. Väggtjocklek 4. Ribbor 5. Ingötsplacering 6. Kostnadsbesparande konstruktion 7. Sammanfogningsteknik 8. Svetsning 9. Toleranser. Checklista Snäppförband med 90 vinkel De demonterbara sammanfogningsmetoderna är: Snäppförband med < 90 vinkel Skruvförband Navförband (t.ex. splines) Pressförband Snäppförband Den stora fördelen med snäppförband är att tekniken inte kräver ytterligare komponenter vid sammanfogningen. De vanligaste typerna av snäppförband är: Balkformat snäppe Cylindriskt snäppe Kulledssnäppe Vid alla dessa tillämpningar av snäppen måste konstruktören se till att det inte finns några kvarvarande belastningar efter monteringen, eftersom dessa i så fall kommer att relaxera med tiden och därmed minska snäppkraften. Generella konstruktionsregler Utformningen av ett snäppe bestäms av materialets tillåtna töjning. Om man konstruerar snäppförband i nylon måste man ta extra hänsyn till fuktabsorption, Material POM homopolymer PA oarmerad (kond) PA oarmerad (okond) PA66 glasfiberarm. (kond) eftersom nylonet i okonditionerat (torrt) tillstånd har betydligt lägre tillåten töjning än när det har konditionerats. Glasfiberarmering har också ett stort inflytande på den tillåtna töjningen och därmed på hur mycket ett balkformat snäppe klarar att deformeras (figur 1). Om man utformar ett balkformat snäppe koniskt så kommer spänningsnivån att reduceras (figur 2) med en bättre spänningsfördelning över hela den deformerade längden. Spänningskoncentrationen som är högst vid snäppets rot kommer att bli mindre och därmed minska monteringskraften av snäppförbandet. Det är viktigt att man förser kritiska områden såsom snäppets rot med tillräckliga radier för att minska spänningskoncentrationen och därmed öka snäppets styrka. För cylindriska och kulformade snäppförband är det vanligt att man lägger in spår i skålen för att underlätta monteringen. Här gäller det att spåren har väl rundade kanter för att minska risken för att de ska bli brottsanvisningar. Pressförband Pressförband tillåter en stark sammanfogning mellan plastkompo- tillåten töjning % c:a 5-8 c:a 4-6 c:a 3 c:a 0,9-1,5 PA66 glasfiberarm. (okond) c:a 0,8 Om Du vill veta mer om konstruktion i plaster så finns information att hämta på Internet: PET glasfiberarm. PBT glasfiberarm. c:a 0,5-0,8 c:a 0,7-1,5 Tillåten töjning (Värdena gäller enbart för en enstaka montering) Fig.1 Källa Du Pont 24 PLASTFORUM nordica Nr 9, del 2, augusti 2002