Plast som konstruktionsmaterial

Transkript

1 Institutionen för Innovation, Design och Teknik Plast som konstruktionsmaterial Produktutveckling 3 Innovation och produktdesign Kurskod: Examinator: Rolf Lövgren Skrivet av:

2 Inledning Plast är fortfarande ett popolärt material bland många designer och konstruktörer. Med varierande egenskaper och fördelar har plast stora användningsområden. Det som bland annat gör plast så användbart är att det är lätt material, styvt men ändå rätt så böjligt, med bra isolerande egenskaper. Plast är ett formbart material vilket gör att tillverkning av plast blir enklare och kostnadseffektivt. Miljöbelastningen av plastmaterial är relativt liten på grund av dess återvinningsmöjlighet. Polymerer/plaster Plast består kemiskt av kedjor av kolväten, som bildar polymerer. Ordet polymer härstammar från grekiskan: poly betyder "många" och mer "delar", polymer således "många delar". Man skiljer mellan två huvudtyper av polymerer - elastiska (elastaner) och styva. Elastanerna kan indelas i termoelaster och gummi. Gummimaterial har stor elastisk återfjädring. De styva polymererna (plaster) kan indelas i termoplaster och härdplaster. Termoplaster består av linjära eller grenade polymerkedjor som smälter och tillverkas vid hög temperatur samt stelnar när den kyls. Härdplaster består av ett tätt tvärbundet nätverk av polymerkedjor, som stelnar vid tillverkningen. Polymererna framställs genom att många små molekyler, monomerer, polymeriseras till långa polymerkedjor. Beroende på hur kedjorna är hopfogade och vilka andra kemiska grupper de kan binda till sig får plasterna olika egenskaper. En översikt över polymera material ges i följande tabeller: Termoelaster TPE Amidbaserade Esterbaserade Olefinbaserade Uretanbaserade Styrenbaserade Elaster Gummi Akrylgummi Butylgummi Epiklorhydringummi Etengummi Fluorgummi Kloroprengummi Klorsulfonerad polyeten Naturgummi

3 Nitrilgummi Norborengummi Silikongummi Styrengummi Uretangummi Plaster Termoplaster Härdplaster ABS: poly-akrylnitril-butadien-styren DAP: diallylftalat PA: amidplast EP: epoxiplast PC: karbonatplast Esterplaster PE: etenplast MF: melaminplast PEEK: polyeterketon PF: fenolplast PES: polyetersulfon PI: imidplast PET: termoplastisk polyester PUR: uretanplast PMMA: akrylplast SI: silikoner POM: acetalplast UF: ureaformaldehydplast PP: propenplast PPO: polyfenyloxid PPS: fenylsulfidplast PS: styrenplast PSU: sulfonplast PTFE: polytetrafluoretylen PVC: vinylkloridplast SAN: poly-styren-akrinitril SB: slagtålig polystyren Plasternas egenskaper och för- och nackdelar Plastens unika egenskaper och fördelar som material är en favorit för många designers, uppfinnare och konstruktörer då plast egentligen är flera olika material med olika egenskaper som man väljer efter behov: elastiska och töjbara, mjuka, hårda, glidande, UV- resistenta m.m. Plasters egenskaper styrs till största delen av vilken struktur polymerens molekylkedja har. Kedjan kan ha en eller flera monomerer och benämns homopolymer respektive sampolymer. Dessutom kan polymerens kedja vara av linjär, grenad eller nätstruktur. Förutom kedjestruktur spelar kedjornas inordning i materialet en viktig roll. En polymer med ordnad, symmetrisk struktur kallas kristallin och en polymer med ostrukturerade molekyler kallas amorf. En kristallin struktur är tätpackad och styvare än amorf struktur. För att en polymer skall kunna kristallisera måste den ha regelbunden konfiguration, vara rörlig och kunna packas tätt. En polymer kan inte kristalliseras helt men med rätt bearbetning upp till ca 90 %. Tillsatser styr bl.a. plastens mekaniska egenskaper, styvhet, brandegenskaper och kemisk beständighet. Designers och konstruktörer finner plasternas fördelar särskilt intressanta på grund av följande egenskaper:

4 Låg godsvikt vid transporter Återanvändnings- och återvinningsbart Lång livslängd Isolerande egenskaper Ingen korrosion Minimalt underhåll Kan fås alternativt genomfärgad eller med färgat ytskikt i valfri färg Väderbeständigt Ljuddämpande Bra bearbetnings och formningsegenskaper Resistent mot många kemikalier och lösningsmedel God ledningsförmåga för såväl värme som elektricitet Slagtålighet Låg friktion o.s.v. Men som en konstruktör och designer måste man ha tillräckliga kunskaper om plasternas begränsningar. Plast kan deformeras vid höga belastningar. De har stor värmeutvidgning samt dålig värmebeständighet vilket gör dem mindre lämpliga i vissa situationer där de utsätts för stora påfrestningar och slitage. Användningsområden Att plast är ett mångfacetterat begrepp speglas i de många olika användningsområdena. Plast kan, på grund av sin lätta vikt och möjligheten att gjuta den i så många olika former, användas till det mesta t.ex. plastpåsar, burkar, flaskor, höljen till kameror och hushållsmaskiner, bildetaljer, kablar, rör, sportartiklar, möbler och köksredskap mm. Plast är ett användbart material med många goda egenskaper; starkt och tåligt, lätt och kostnadseffektivt, flexibelt och anpassningsbart. Plast har många fördelar i förhållande till andra material. Plast varken rostar eller ruttnar och kräver därför litet underhåll. Plast är motståndskraftigt mot vatten och många kemikalier, vilket innebär minskat slitage och ökad livslängd. Med plast kan man tillverka komplicerade former i ett moment, vilket sparar både energi och pengar. Plast är inte ett material - det är många olika material med varierande egenskaper. Med hjälp av olika tillsatser kan plastens egenskaper modifieras och förstärkas i det oändliga, t ex med friktionsnedsättare, färgkoncentrat, ljusstabilisator, armerings- och flamskyddsmedel. Det gäller att välja rätt plast på rätt plats för att produkten ska bli funktionell, hållbar och snygg.

5 Tillverkningsmetoder Formgivning av plaster sker allmänt på flera olika sätt. De lämpligaste är enligt nedan: Formblåsning Varmformning Filmblåsning Formsprutning Extrudering Kalandrering Vid formblåsning en slang av het och flytande plast matas ut ur munstycket på en strängsprutningsmaskin matas in mellan två öppnade formhalvor. När formen stängs innesluts slangen. Den blåses upp med hjälp av tryckluft så att slangen töjs och formas efter formen. Flaskor, förvaringskärl, bensintankar till bilar. Plastpulver eller pasta upphettas inuti en sluten och upphettad form, som roterar tills väggarna på denna är täckta med ett jämnt lager med plast. När formen har kylts kan den öppnas och detaljen kan tas ut. Stora, ihåliga produkter såsom papperskorgar, oljetankar, trummor skapas på detta sätt. Varmformning, även kallad vakuumformning är en vanlig metod. En skiva av termoplast uppvärms med strålelement. När skivan har blivit mjuk av värmen kan den sugas med hjälp av vakuum emot den önskade formen. Metoden tillåter formning av allt från små detaljer till mycket stora. Inlägg i chokladaskar, tråg, elskåp, höljen till snöskoters. Vid filmblåsning en slang av het, nästan flytande plast matas fram ur ett rörformigt munstycke på en strängsprutningsmaskin. Slangen blåses upp av tryckluft samtidigt som den kyls och stelnar. Den här slangen lindas upp på en rulle. I nästa steg kapas och svetsas slangen till olika produkter bland annat påsar, kassar, byggfilm, hushållsfilm. Formsprutning är en effektiv, billig och snabb produktionsmetod. Den är väl lämpad för mindre tjocklekar och mer komplicerade former vid tillverkning av plastprodukter. Maskinen består av en sprutenhet och en formlåsningsenhet samt en för varje produkt unik form eller verktyg. Sprutenheten matas med granulerad (krossad plast) i en tratt som leder ner till en uppvärmd cylinder. Plasten drivs fram av en skruv, smälts och doseras i en diskontinuerlig process. Formlåsningsenheten är stängd tills att tillräckligt mycket plast smält och rätt tryck byggts upp ( MPa). Formen, som oftast är tvådelad, öppnas och fylls med smältan som kyls. Vid extrudering fylls granulat (i gryn- eller kornform) i en tratt som leder ner till en cylinder med en skruv i. Skruven matar långsamt fram granulatet som successivt smälter i den värmda cylindern. Varvtalet och temperaturen styr hur snabbt maskinen kan arbeta. I änden av cylindern sitter ett munstycke monterat som smältan tvingas igenom för att därefter stelna. Med kalandrering matas den upphettade plasten in mellan två valsar, som pressar samman den till en tunn skiva exempelvis i form av golvbeläggningar, plattor, paneler, beklädnader.

6 Plaster och miljöaspekter Plasttillverkningen står endast för en mycket liten del av världens oljeförbrukning, ca fyra procent. Användningen av plast leder till att vi sparar totalt sett mer olja än vad som går åt vid tillverkningen. Anledningen till detta är framförallt på grund av plasternas låga vikt samt deras goda isolerande förmåga. Plasten utgör den övervägande delen (95 %) av hela den svenska plastkonsumtionen. Idag tillverkas nästan alla termoplaster av råolja som är en ändlig resurs med begränsad tillgång i framtiden. Miljöbelastningen av plastmaterial är relativt liten på grund av dess återvinningsmöjlighet. När plastprodukterna har använts klart kan upp till hälften av den energi som gick åt vid tillverkningen utvinnas. Förbränning av plast ger nästan lika mycket energi som förbränning av eldningsolja. Det plastavfall som inte kan återvinnas och bli till nya produkter är därför en värdefull energiresurs. Denna resurs bör naturligtvis användas som ett bränsle istället för att kastas på soptippen. Detta utgör en stor fördel för plastmaterialen då de först används till något nyttigt innan de blir till värdefull energi. Återvinning Plaster kan återvinnas (30 % av all plast i Sverige) och vid förbränning bildas koldioxid och vatten. Det kan återanvändas på olika sätt såsom materialåtervinning, energiåtervinning, nedbrytning eller återvinning till monomer. Vid materialåtervinning sorteras plasten först av användaren för att sedan insamlas och grovsorteras. Efter det sker fraktionering, finsortering, tvättning och torkning av plasten. Plasten kan därefter bearbetas på nytt. Huvudsakligen plastförpackningar materialåtervinns. Vid energiåtervinning förbränns plasten varvid man utvinner elkraft och värme för uppvärmning. Förpackningsmaterial är konstruerade för en kort livslängd medan byggplaster är konstruerade för att fungera upp till 100 år, beroende på produkten. Energiåtervinning av byggplaster är då ett alternativ. Energiinnehållet i plast är ungefär lika stort som i olja. En plast som är nedbrytbart är polyhydroxybutyrat (PHB). Den tillverkas genom jäsning av kolhydrater med hjälp av en mikroorganism kallad Alcaligenes eutrophus. Denna process är ganska dyr så därför är inte nedbrytningsbara plaster så vanliga. Återvinning till monomerer sker genom en process som kallas pyrolys och innebär att polymeren delas upp i monomerer genom syrefri upphettning. Sverige har ingen pyrolysanläggning så plasten måste transporteras till en anläggning i Holland. De flesta plaster kan pyrolyseras.

7 Plast och Tooltracker Under projektarbetet har projektgruppen arbetat för att utveckla komponent till spårningsverktyg Tooltracker. Huvuduppgiften var att ta fram klickfunktionen för att koppla samman antennmoduler. Genom projektets gång gjordes omfattande undersökningar om olika plastmaterial för att få stöd i beslut om materialval. Det togs även fram förslag på tillverkningsmetod. För att lyckas med val av material borde gruppen naturligtvis utgå ifrån kravspecifikationen och de kraven som ställts på materialet dvs: Materialet skulle vara billigt. Det skulle Passa att ta fram profiler med hjälp av metoder som formsprutning och formpressning i, detta på grund av att hålla kostnaderna nere. Leva upp till de hållfasthetskrav som finns på antenninkapslingen. Inkapslingen skall klara av att ett verktyg faller ner på den utan att inkapslingen går sönder. En research gjordes bland många olika sorters plaster med olika egenskaper för att hitta bästa lösningen. Efter ett strategiskt urval bestämdes att härdplaster inte var ett lämpligt material på grund av högre priser än termoplaster. Dessutom det fanns inga höga krav på hållfastheten. Fördelen med termoplastmaterialet kunde vara dess kostnadseffektiva och mångsidiga tillverkning. Lägre vikter sparar energiförbrukningen vid transporter och samtidigt skulle de användas som isoleringsmaterial. Toppkandidaterna bland termoplaster var propenplast (PP), PVC, ABS och PS med varierande egenskaper och användningsområden. PP (Propenplast) Fördelar Begränsningar Användningsområde UV-strålning bryter ned tål låga temperaturer dåligt Plasten är svår att limma Styv Bra mekanisk hållfasthet låg densitet god kemisk beständighet textilier, köksmaskiner, rep, chassier, fläktar, bärare till instrumentpaneler, stans- och filterplattor samt till detaljer inom den kemisk-tekniska industrin. PVC (Polyvinylklorid) Fördelar Begränsningar Användningsområde Mindre bra för människa och miljö bra konstruktionsplast, kemikalieresistens, hög Slagtålighet, lösningsmedelstålig, goda dielektriska egenskaper, goda mekaniska egenskaper Industridetaljer, laboratorieutrustning, förpackningar, kemisk apparatur, väderskydd, takmaterial och behållare

8 ABS-plast (akrylnitril-butadien-styrenplast) Fördelar Begränsningar Användningsområde den gulnar, åldras och blir spröd, låg resistens mot lösningsmedel goda mekaniska och kemiska egenskaper, lämpligt för vakuum- och varmformning, kan extruderas, goda utomhusegenskaper småbåtar, innerbehållare i kylskåp, kåpor, hjälmar, leksaker, köks- och kontorsmaskiner, fordonskarosser, möbler, väskor och takboxar till bilar PS (Polystyren) Fördelar Begränsningar Användningsområde känslig både mot kyla och solljus, låg resistens mot oljor och lösningsmedel. Materialet är hårt och styvt, samt lätt att varmforma, goda elektriska isolationsegenskaper engångsartiklar, förpackningar, leksaker, möbler, mulltoaletter, kylskåp, duschväggar, ljusraster och inomhusskyltar. Efter gjorda efterforskningar om lämpliga material till Tooltrackers antenninkapsling så är slutledningen att ABS-plast borde vara det mest lämpade alternativet. Orsakerna som har lett fram till detta resonemang är framförallt att tillverkningsmetoder som formsprutning och formpressning kan tillämpas på detta material tillsammans med att prisbilden är fördelaktig. Dessa faktorer tillsammans skulle bidra till att hålla kostnaderna nere. Självklart så uppfyller detta material även kravet som ställdes på hållfasthet och slitstarkhet hos inkapslingen. Fig.1 Prototyp av antenninkapsling

9 Referenser Litteratur Komposithandboken, Håkan Damberg, Sveriges Verkstadsindustrier, ISBN: Plasternas Uppbyggnad, kursmaterial (kursbunt 2) Ingenjörsvetenskap 1 - Materiallära (KPP040). Internetkällor ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ra_plasten00.jpg&imgrefurl= HjTvH1uO 2fOSYp0hN8lXc3G2_D0=&h=332&w=500&sz=25&hl=sv&start=9&um=1&tbnid=Btcv67fuK36 0rM:&tbnh=86&tbnw=130&prev=/images%3Fq%3Dfenolplast%26hl%3Dsv%26rls%3Dcom. microsoft:sv:ie-searchbox%26rlz%3d1i7suna%26sa%3dn%26um%3d1 ( ) ( )