VID ARBETE MED PLASTER

Transkript

1 MATERIALVAL & TILLVERKNINGSMETODER VID ARBETE MED PLASTER EXAMINATOR: ROLF LÖVGREN UTFÖRT AV: ROGER LILLEMETS ÄMNE: PRODUKTUTVECKLING

2 SAMMANFATTNING Att ta fram en ny produkt innebär inte bara att hitta ny innovativa konstruktionslösningar och funktioner. Det innebär även att det måste göras ett materialval, kanske är det till och med så att det bara är materialet som måste förbättras. I vilket som helst av fallen måste ett materialval för produkten ske, många gånger måste till och med flera materialval göras för samma produkt då produkten kanske består av flera detaljer som var för sig kräver olika material. Valet av material kan ske på flera sätt, allt från studier på mikronivå till grova uppskattningar via känsla, upplevelse och medveten karaktär av hållfasthet och liknande baserat på erfarenheter och enkla tester. Ett av de vanligaste konstruktionsmaterialen som används i dag är plast. Men vad menas med den är tillverkad i plast? Är plast bara helt enkelt plast? Nej, plast är inte bara plast, det är mycket mera än så. Det är en mycket avancerad teknik och kemi bakom dess olika egenskaper. Vissa plaster är hårda som metall, andra mjuka som smör. Några tål starka kemikalier och några tål inte UV-ljus och kan inte ens med fördel användas utomhus. När en konstruktion tas fram är det utan tvekan mycket viktigt att tänka på att alla detaljer är möjliga att tillverka med de metoder som finns tillgängliga. Många gånger är det redan förutbestämt från kund hur detaljerna ska tillverkas och då är valet av tillverknings metod inte något att orda om, men desto viktigare blir det att detaljerna har en sådan form eller profil att den går att ta fram med den bestämda metoden. Men i de fall där inga sådana begränsningar finns blir valet av tillverkningsmetod lika viktigt som valet av material, faktum är att det i vissa fall kan vara så att valet av tillverkningsmetod styr valet av material och vise versa. Tillverkningsmetoderna för plaster lämnar dock inte så många olika alternativ att välja bland som de olika plastsorterna utan är oftast mycket lättare att fastställa, de mesta styrs faktiskt uteslutande av hur konstruktionen ser ut. I vissa fall är den stora utmaningen att hitta nya sätt inom samma metoder för att kunna utöka valmöjligheterna av material inom respektive tillverkningsmetod. I dag är däremot tekniken så fin och utvecklad att de flesta plaster går att använda inom samtliga typer av tillverkningsmetoder.

3 INNEHÅLL SAMMANFATTNING... II INNEHÅLL... III 1 INLEDNING & BAKGRUND VALET AV MATERIAL VARFÖR ANVÄNDA PLAST? Den extrema Formgivningsfriheten Komplexa Former ATT ANPASSA PLASTEN TILL PRODUKTEN Olika plaster för olika ändamål TILLVERKNINGSMETODER VILKA METODER FINNS DET? Extrudering Profildragning Formsprutning Övriga metoder SLUTSATSER REFERENSER... 11

4 1 INLEDNING & BAKGRUND Detta arbete står som del av examinationsmoment i kursen KPP039, produktutveckling på MDH i Eskilstuna. Ämnet som behandlas är materialval och tillverkningsmetoder för plaster. Arbetet kommer att behandla olika former och lösningar av tillverkning av plastprodukter. Hur det fungerar och när de är lämpliga att använda. Vi kommer att börja med att titta på valet av material och de olika plasterna som finns, för att få en referens till vilka olika egenskaper som respektive material har och till vilka typer av produkter de kan tänkas passa, för att sedan gå vidare med att beskriva några av de vanligaste tillverknings- och bearbetningsmetoderna. SIDAN

5 2.1 VARFÖR ANVÄNDA PLAST? 2 VALET AV MATERIAL Plaster finns i en uppsjö av olika typer och blandningar som ger mycket olika materiella egenskaper och användnings områden. Det gemensamma med materialet är att alla plaster ingår i gruppnamnet polymerer och kan sedan modifieras med homoeller sampolymerisering genom blandning av olika tillsatser som stabiliseringsmedel, mjukningsmedel etc. Tack vare polymerernas stora flexibilitet är användningsområdet för dem extremt stort och dagens utveckling utökar detta område kontinuerligt. Plaster i dag används till allt från leksaker, hushållsartiklar, möbler, instrumentpaneler i bilar till att ersätta material som betong och metall. Som exempel kan nämnas att det finns jaktflygplan som har sina vingar tillverkade i kolfiberepoxy. Fig. 1. Ett dumperflak armerat med plast DEN EXTREMA FORMGIVNINGSFRIHETEN Eftersom plastmaterial kan ta skepnad av att vara mjuka som smör till att vara hårda som stål samtidigt som de kan vara såväl lätta som tunga, isolera mot värme och kyla samt isolera elektricitet innebär det också att de kan utformas för att uppfylla praktiskt taget alla tänkbara behov och ger därför produktutvecklare och tillverkare en väldigt stor formgivningsfrihet vid framtagning av nya produkter KOMPLEXA FORMER Plaster är också mycket lätta att bearbeta och forma. Detta gör att möjligheterna att skapa produkter eller artiklar med komplexa former blir både enklare och framför allt i de allra flesta fall billigare än i andra material. De mest förekommande tillverkningsmetoderna för plaster är: Extrudering 1 Formsprutning Termoformning Formblåsning Skärande bearbetning Maskinbearbetning 1 Samma princip som kallas strängpressning vid hantering av metall, t.ex. aluminium. SIDAN

6 Plaster kan även samextruderas tillsammans med andra material eller polymerer. Detta är till stor fördel vid tillverkning av exempelvis hårdplastprofil där kanske en mjuk och dammtät gummilist önskas implementeras på någon eller några av profilens kanter. Sådana lösningar sparar även in på monteringskostnader då detta inte behöver göras i ett senare skede utan redan är gjort direkt i maskinen vid framställningen av profilen. Även komplexa former och produkter som tidigare varit tvungna att tillverkas i flera delar kan gjutas i ett enda stycke. Detta område har blivit ännu bredare idag tack vare nya och förbättrade gjutmetoder. 2.2 ATT ANPASSA PLASTEN TILL PRODUKTEN Plasternas många olika egenskaper gör att det finns en hel del olika typer att välja utav när valet av material ska göras. Den tidigare nämnda formgivningsfriheten kan göra att det känns självklart att använda plast, men plast är inte bara plast. Formgivningsfriheten ger oss också mycket fler parametrar och valmöjligheter att tänka på då vi väljer att tillverka något i plast. Det handlar helt enkelt om att välja rätt, att tänka på produktens slutanvändningsområde. För att kunna göra rätt val måste vi utgå från produktens specifika krav. Några vanliga krav brukar kunna vara följande. hårdhet styvhet stöttålighet isolationsförmåga miljö vikt färg OLIKA PLASTER FÖR OLIKA ÄNDAMÅL De stora polymergrupperna som finns är plaster, elastomerer samt biopolymerer. Den grupp som kommer behandlas här är framför allt just gruppen plaster. Biopolymerer är intressanta på så sätt att dessa är uppbyggda på rent biologiska processer och av naturen biologisktnedbrytbara. Ett exempel på detta är PHA som framställs genom naturlig bakteriell jäsning av socker alternativt lipider 2. Resultatet är ett material som kan jämföras med vanlig PP plast, något styvare och lite sprödare bara. Detta material återfinns bland annat i vissa rakhyvelskaft och schampoflaskor. Dock inte speciellt vanligt förekommande på grund av ett mycket högt pris jämfört med oljebaserade polymerer. 2 samlingsnamn på en stor grupp av biologiska fetter och fettliknande ämnen. SIDAN

7 Elastomerer är det som i dagligt tal brukar kallas gummi. Detta är polymerer som är mjuka och oftast mycket flexibla och mycket mer elastiska jämfört med vanliga plaster. Några exempel på användningsoråden för elastomerer är tätningslister, fönsterskrapor, stötdämpning med mera. Elastomerer finns i de flesta pris nivåer, allt från billiga till mycket dyra. Plaster är en grupp polymerer med plastiska egenskaper. Något att komma ihåg är att alla plaster är polymerer men alla polymerer är inte plaster t.ex. stärkelse och cellulosa. Plaster är mycket varierande i sin karaktär men har några generella drag som gäller för alla i sitt grundutförande, de är lätta, inte speciellt starka isolerar bra mot elektricitet och temperatur och har en bra kemikalieresistens och kan återvinnas till råmaterial för ny produktion. Eftersom plaster är lätta att modifiera och arbeta med kan man ändå få fram plaster som är extremt tåliga och faktiskt också har mycket hög densitet. De plaster som används inom tillverkning är alla olika former av blandningar som ger speciella egenskaper. De många olika blandningarna gör också att priset kan variera väldigt mycket beroende på vilken plast som önskas. De vanligaste förekommande plasterna och några av dess användningsområden, för att ge en lätt begriplig bild över hur materialet ter sig, är följande: ABS ABS-plasten är en slagseg plast som tål låga temperaturer har låg formkrypning och också håller ett lågt pris. Plasten går även att armera med glas fiber för ökad styvhet samt UV-stabiliseras med hjälp av t.ex. kimrök. Ostabiliserat har plasten dock en dålig UV-beständighet och är också känslig mot lösningsmedel. Tåligheten mot temperaturer gör att den ofta används i produkter för utomhusbruk. Ett exempel på en produkt i ABS är Lego. EP (epoxi) EP är en mycket stark och motståndskraftig plast. Den används som bindemedel, fyllnadsmaterial, skyddande skikt för stål och betong. Den används även som till gjutformar. Många kompositmaterial är armerad med just EP. EP klarar av att stå emot nästan alla syror och lösningsmedel, men klarar där emot inte av starka baser eller lösningsmedel av klor. PA PA är den plast som i folkmun kallas nylon. Det är en stark och slitstark plast som ofta armeras med olika former av fibrer. Tack vare att PA kan absorbera vatten så är det också en mycket mjukplast. Den har där emot inte någon bra UV-resistens och måste behandlas för att kunna användas utomhus. PA används bland annat i fiske linor, verktygshandtag m.m. PC PC eller polykarbonat är en amorf plast med mycket hög slagseghet. Tack vare sina egenskaper som extremt stark och transparant (85-90 %) används den faktiskt som skottsäkert glas. Men den används också till t.ex. CD-skivor. SIDAN

8 PE PE är faktiskt den mest använda plasten med egenskaper som seg, flexibel men generellt relativt låg styrka. PE finns i två grupper en HD (hög densitet) och LD (låg densitet). PE-HD är lite starkare men också tyngre men inte heller lika seg medans PE-LD är lite svagare men också lite lättare och fortfarande relativt seg. PET (polyester) En av de kanske mest kända plasterna tack vare dess förmåga att förvara livsmedel som läskedrycker och mineralvatten. Den finns i två sorter, den amorfa som är den transparanta typen som finns i form av vanliga PET-flaskor och sedan en semikristallin variant som är otransparant (vit). Den amorfa varianten är segare men inte lika starkt och styv som den semikristallina. PMMA (acrylic, plexi) PMMA är mera känt som plexiglas och dess extrema tålighet mot utomhusmiljö gör den exceptionellt användbar som exempelvis baklyktor till bilar och motorcyklar. PMMA är en hård och tåligplast som dock repas väldigt lätt men är å andra sidan mycket lätt att polera för att få en fin yta. Den är också mycket användbar som glas just av att den släpper igenom 92 % av solljuset. POM (acetal) POM används, mycket tack vare sina goda bearbetningsegenskaper och sina slitstarka egenskaper, framför allt i många tekniska lösningar, som kugghjul, snäppfästen och liknande. Materialet återfinns ofta i produkter som av och på tag bara cykellysen, kugghjul i leksaker och i hemelektronik, cd-spelare, skrivare etc. PP PP är en av de billigaste plasterna att använda. Det är godtyckligt stark, med en relativt mjuk yta och har också ganska hyfsade egenskaper för utomhusbruk. Eftersom materialet inte är så starkt armeras det ofta med hjälp av kalk, glas eller liknande. En stor fördel är även att den är lämplig och lätt att använda i alla typer av tillverkningsmetoder för termoplaster. PS (polystyren) En skör och svag men också mycket billig plast som används bland annat produkter som CD-fodral, engångs- glas/- muggar och rakhyvlar. Men används även i en så kallad skummad variant som förpackningsmaterial och isolering (mer känt som frigolit). PTFE (polytetrafluorethylen) Är plasten som de flesta idag kommer i kontakt med dagligen men väldigt sällan tänker på att det är plast det handlar om, nämligen teflon. Det är en mycket dyr plast att använda men i gengälld används den endast som ytbehandling av andra material vilket gör att den bara består av tunna lager. Plasten är mycket hal på grund av sin låga friktionskoefficient och används därför med stor fördel i produkter som stekpannor och liknande. SIDAN

9 PVC PVC är en välkänd plast som förekommer i exempelvis badbollar, vattenslangar med mera. Det är en slitstark plast med hög densitet och kan ta form som både mjuk och följsam till hård och gummi liknande beroende på vilka tillsatser som används. PVC räknas också som en av de bästa plasterna när det gäller gastäthet. UP (polyester) Används framför allt som fiber i tyger, segel, glasfiber och så vidare. Polyester är också mycket vanligt att använda vid produktion av prototyper och lågvolymserier eftersom utrustningen som krävs för att använda plasten oftast är lite billigare. Som synes är urvalet av olika plaster mycket stort och det är inte alltid lätt att avgöra vilken av alla dessa plaster som bör användas i just den produkt som ska tas fram. Därför är det med stor fördel att titta på vad de olika plasterna brukar användas till och sedan utifrån det göra sina första beslutsgrundanden. Det är som i de mesta fall oftast att föredra att uppleva något fysiskt exempel just för att se hur materialet är i verkligheten. Ett sätt att välja rätt skulle kunna vara att börja med att ta upp de viktigaste kriterierna för vad materialet i produkten ska tåla, t.ex. kemikalier, hårda slag etc. för att utifrån den lista av plaster som täcker det behovet sedan titta över mindre prioriterade faktorer eller kanske pris. När sedan bara några få återstår kanske alla i stort är likvärdiga i fysiska tester, då är det en bra idé att titta och känna på varje material för att skapa sig en uppfattning om hur det känns och upplevs av kunden. Kanske är det värt att lägga lite till pengar för att skapa rätt känsla. Som alla vet kan ett material bistå med en stor del av kvalitetskänslan i en produkt och göra att den säljer lite mer än andra, även om de flesta konsumenter kanske inte tänker på det rent medvetet. En ytligare parameter att tänka på när ett material ska väljas är att ta hänsyn till vilka typer av tillverkningsmetoder som passar till respektive material och väga det mot de tillverkningsmetoder som finns tillgängliga för den tänkta produkten och kostnaden för den metod som beslutet landar på. En fördel med plaster i detta fall är att de oftast klarar de flesta typer av tillverknings- och bearbetningsmetoder. Något att tillägga är miljötänkandet kring plaster. Att bränna de plaster som i de flesta fall används i dag är i regel inte giftigare vid ren förbränning än trä då dessa i princip enbart bildar kol och väte. Men det finns plaster som är mycket giftiga vid förbränning också, dessa är framför allt de plaster som innehåller klor och fluor. Det är plaster som t.ex. PVC och teflon. Dessa plaster bör tänkas igenom lite extra innan de används, då de bildar mycket giftiga klor och fluor gaser vid förbränning. Det stora miljöproblemet med alla plaster är dock att de är mycket svåra för bakterier och organismer att bryta ned naturligt. En PET flaska kastad i skogen bryts helt enkelt inte ned av naturen under någon som helst överskådlig framtid. Därför är det mycket viktigt att tänka på hur produkten som tillverkas ska kunna återvinnas på bästa möjliga vis. SIDAN

10 3 TILLVERKNINGSMETODER Vid val av tillverkningsmetod finns det även här en hel del olika val att göra. Plaster bjuder som tidigare nämnts på ett brett utbud av olika tillämpliga tillverkningsmetoder som alla passar olika bra för olika ändamål, därför kommer vi nu att titta på några av de vanligaste förekommande metoderna. Det är inte alltid självklart heller att den metod som tänkts från början är den absolut bästa eller billigaste metoden som finns men i regel gäller att det ändå oftast är lättare att välja tillverkningsmetod än material. Ofta är det till och med så att tillverkningsmetoden redan finns förutbestämd i kravspecifikationen för produkten, till exempel att produkten som tas fram ska kunna extruderas eller formsprutas just därför att företaget som tar fram produkten redan har befintligt utrustning att till gå i sin fabrik eller hos redan etablerade affärskontakter. 3.1 VILKA METODER FINNS DET? Det finns många varianter av metoder för tillverkning av plastprodukter inom industrin. Alla med olika fördelar och begränsningar, dyra och billiga. Här går vi igenom lite om de tre absolut vanligaste metoderna EXTRUDERING Extrudering är en metod som kan liknas vid den process som vid arbete med metaller, typ aluminium, kallas för strängpressning. Metoden används framför allt vid tillverkning av lister, profiler, skenor och liknande ändlösa produkter som sedan kapas till önskad längd. Processen går till så att ett uppvärmt plastämne, oftast besående av ett material i form av pellets, hettas upp och pressas med hjälp av skruvmatning genom en matris för att snabbt efter detta kylas med luft eller vatten för att behålla formen. Figuren till höger (figur 1) visar ett exempel på ett verktyg för extrudering. Det är en enkel princip men en relativt avancerad process. En nackdel är att verktyget, eller matrisen, kan vara kostsam att ta fram. Fördelen med denna metod är än då att den blir väldigt billig i längden för när väl en maskin med färdig matris finns att tillgå behöver blir själva tillverkningen mycket billig att genomföra. Figur 1 En vidare fördel med metoden är att nästan alla typer av plaster faktiskt går att extrudera på det här vistet, det är till och med enkelt att extrudera flera olika typer av plaster i samma process. Det kallas samextrudering, nämndes även under rubriken plastens fördelar, och är en metod för att skapa produkter som exempelvis fönsterskrapor som är uppbyggda av en hårdplastlist i kombination med en mjuk kant av gummi i ett och samma stycke. Samextrudering kan också med fördel användas för att lägga in materiel av starkare karaktär som stöd för att medge tunnare konstruktion. SIDAN

11 3.1.2 PROFILDRAGNING Profildragning används främst för att tillverka fiberarmerade plastprofiler. Processen är väldigt lik den tidigare nämnda extruderingen men i stället för att pressa plasten genom en matris så fungerar det så att materialet dras genom matrisen. I och med denna form av tillverkning kan en specifik draghållfasthet säkerställas direkt i tillverkningsprocessen. Vilket är en stor fördel vid tillverkning av just fiberarmerade plaster. En intressant detalj att tänka på är att en fiberarmerad plastprofil bara väger 70 % av en motsvarande profil i aluminium samtidigt som den har högre draghållfasthet än både aluminium och stål och gör att sådana profiler faktiskt kan användas som vikt reducerande element i konstruktioner som hus och broar. Till höger (figur 2) syns ett exempel på H20-balkar tillverkade i plast. Figur 2 Något som måste tas med i beräkningarna vid användning av metoden är att det kräver lite större minsta tjocklek än vad extruderingen klarar, den bör ligga på minst 3mm samt att armeringen kräver rundade hörn för att det ska bli en jämn fiberfördelning i profilen FORMSPRUTNING Formsprutning är en teknik som används för att ta fram styckvis serietillverkade detaljer. Allt i från små lätta detaljer på bara några mikrogram till stora tunga stycken som väger upp emot 30kg. Användningsområdet för formsprutning är på så vis väldigt stort och kan användas till det mesta typer av produkter. Om vi ser på alla produkter som finns i vår vardag, allt från köksredskap, maskinchassin, instrumentbrädor, handtag o.s.v. är det lätt att förstå vilken användbar metod detta är. I figur 3 visas ett exempel på en motorkåpa till Volvos T6:a i formsprutad plast. Enkelt sett fungerar det så att en smälta av plast sprutas in i en tryckbesatt gjutform (trycket finns där för att eliminera återströmning av plast i munstycket) som håller en sådan temperatur att smältan stelnar då den träffar formens väggar. En sådan process kan ta allt från bara någon del av en sekund per detalj till ett par minuter. Allt beror naturligt vis på detaljens kvalitetskrav och tjocklek. En formsprutat detalj ska i regel aldrig behöva någon vidare bearbetning, vilket i sig sparar in pengar vid tillverkningskostnaden, som tröst för en relativt hög kostnad för att ta fram själva verktyget (formen). Formen kan nämligen bli väldigt dyr att ta fram, speciellt om det rör sig om större eller mer Figur 3 Figur 4 SIDAN

12 komplexa detaljer. Figur 4 (sid. 8) syns det tydligt hur komplexa detaljer som går att ta fram med hjälp av formsprutning ÖVRIGA METODER Utöver dessa tre vanliga metoder som skulle kunna kallas som huvud metoder vid plasttillverkning förekommer naturligtvis olika varianter av dessa. Det finns till exempel en variant av gjutning, som mera skulle kunna ses som en press metod, som kallas för termoformning. Det är en metod som används för att tillverka till exempel välvda plexiglasrutor, vind- och sidokåpor till motorcyklar och liknande detaljer. Det går ut på att ett ark av plast läggs ovanpå en negativ form ut av den färdiga detaljen, hetas upp och blir mjuk var på en positiv form av detaljen pressar ned plasten i formen. Denna typ av metod kräver dock som oftast även mekanisk efterbearbetning av exempelvis gjutskägg, håltagning och liknade. Plaster är även mycket mottagliga för all typ av mekanisk bearbetning så som borrning, kapning, svarvning och fräsning. Detta gör att det i de allra flesta fall är mycket lätt och smidigt material att ta fram produkter och prototyper i. Alla dessa metoder är också i regel väldigt billiga i drift när väl verktyg, formar och liknande är framtaget och kostnaderna för dessa är för det mesta snabbt intjänade vid stora serietillverkningar. För framtagning av prototyper finns det även metoder som fungerar som en vanlig bläckstråleskrivare fast resultatet blir en plastmodell i 3D. Detta är en mycket fördelaktig metod för prototypframtagning, den är relativt billig, ger en närmast exakt bild av hur produkten kommer att se ut och kan göras väldigt lättillgänglig. Det du inte kan göra är att använda just det material du vill ha utan är begränsad till det material som maskinen använder, oftast vanlig ABS-plast. Metoden kan och används i vissa fall även för att ta fram riktiga produkter där materialet tillåter och serierna är mycket små. SIDAN

13 4 SLUTSATSER Avslutningsvis kan sägas att valet av plast i en produkt kan vara svår om inte alla omständigheter ses över. En plast som ser och känns bra kanske inte klarar av den miljö som produkten kommer att utsättas för under bruk av konsumenten. Detta är ett ganska vanligt problem som uppstår i många olika produkter där tillverkaren tänkt mer på kostnaden än på vad produkten i verkligheten faktiskt måste klara. Ett korrekt val av material ger hållbarhet, finish och tillförlitlighet tillsammans med en hög känsla av kvalitet. Hur många gånger har inte var och en stött på en produkt där frågan om hur tillverkaren tänkte när dom gjorde den där detaljen i en sådan dålig plast som bara går sönder fast den var dyr att köpa? Som vi har sett här finns det faktiskt väldigt många alternativ av plaster och det går faktiskt att få dem mycket tillförlitliga till sin produkts användningsområde om inte snålheten får bedra visheten. Var noggrann, känn på och testa olika material. Räkna inte heller bort ett dyrare material direkt från början utan att utvärdera vad du skulle vinna på att använda det i längden. Om materialet är bra och hållbart kanske fler konsumenter väljer att köpa just den produkten och du kan vara stolt över att ha en sådan bra och robust produkt bakom dig. Valet av tillverkningsmetod är däremot inte lika stort. Här finns det ofta många parametrar som tvingar dig att använda en viss metod och det vanligaste är metoden är formsprutning. Den går att använda till i princip all typ av detaljtillverkning och är mycket kostnadseffektiv vid höga serier. De andra metoderna, extrudering och profildragning är även dom mycket vanliga men har mycket större begränsningar då de endast kan tillverkas ändlösa profiler med hjälp av dessa metoder. Men ska du tillverka en ändlösprofil är valet självklart. Det blir mycket kostnadseffektivt. Ska du däremot tillverka större produkter som vindkåpor, välvda rutor och så vidare välj att tillverka dessa med någon form av termoformning. Att arbeta med plaster är flexibelt, intressant och roligt, var bara noggrann i dina val så får du en bra och tillförlitlig produkt som klara kraven. SIDAN

14 6 REFERENSER Polybase AB: Andrén och söner: DAFA: Primo: Plastic technology online: Plastics.com SIDAN