Materialoptimering för diskar i en centrifug

Materialoptimering för diskar i en centrifug Kandidatexamensarbete Lättkonstruktioner Farkost och Flyg Författare: Emma Johansson, Erika Klingmark och Johan Larsson Handledare: Per Wennhage, KTH Magnus Burman, KTH Jack Delin, Centriair AB Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm, 2015-06-10

Förord Först och främst vill vi nämna Jack Delin på Centriair AB som gjorde detta projekt möjligt. Han har varit delaktig i arbetsprocessen och visat stort engagemang under hela projektets gång, vilket vi är mycket tacksamma för. Vi vill även rikta ett stort tack till våra handledare Per Wennhage och Magnus Burman på KTH Lättkonstruktioner som har varit ett enormt stöd för oss under projektets gång. Vi vill även tacka Monica Norrby och Anders Beckman som har varit till stor hjälp i arbetet med provplanen samt ett stöd vid tillverkning och provning av provstavarna i laboratoriet. Slutligen vill vi tacka de mastersstudenter och doktorander som varit behjälpliga och svarat på frågor som uppstått under arbetets gång, Christof Schneider, Carl Ljung, Calle Eliasson och Therese Ek.

Sammanfattning Under detta kandidatexamensarbete i lättkonstruktioner har en studie i huruvida det är möjligt att reducera vikten hos en centrifug genomförts. Centriair AB var projektets uppdragsgivare och Jack Delin var industrihandledare under hela processen. Centrifugen som viktreducerades används inom friteringsbranschen och innehåller 200-250 tunna diskar som roterar 3000 varv per minut. Diskarnas uppgift är att separera oljepartiklar från vattendroppar genom att slunga dessa mot de inre väggarna i centrifugen med hjälp av centrifugalkraften som uppstår vid rotationen. Viktreduktionen uppnåddes genom att byta material på diskarna till ett kompositmaterial med en polymermatris samt genom att minska tjockleken på varje individuell disk. Applikationen var kostnadskänslig och krävde material med höga temperaturtoleranser. Enligt uppdragsgivarens önskemål behölls originaldesignen på disken och endast materialval samt tillverkningsmetoder undersöktes. Till en början sammanställdes en kravspecifikation till applikationen. Utifrån kravspecifikationen genomfördes en litteraturstudie där matris- och fibermaterial samt tillverkningsmetoder undersöktes. En FEM-analys genomfördes på disken för att beräkna de belastningar som uppstår utifrån de material som valdes i litteraturstudien. Parallellt med detta genomfördes ett antal prover för att verifiera de mekaniska egenskaperna hos materialet. LCP med glasfiber valdes till den slutgiltiga materialkombinationen och kompositen ska tillverkas med formpressning. Vikten reducerades till 63 gram, vilket gav en viktreduktion på ungefär 77 % per disk. Materialkostnaden uppskattades till 5 kr per disk.

Abstract A study regarding the possibility to reduce the weight of a centrifuge was made as a Bachelor thesis in lightweight constructions. Centriair AB contributed with the assignment and Jack Delin was involved as supervisor during the entire project. The centrifuge is used in the frying industry and in each centrifuge there are 200-250 thin discs rotating at 3000 rpm. Their primary function is to separate oil particles from water by hurling the oil particles to the inner walls of the centrifuge by using the centrifugal force. The weight reduction was obtained by changing the disc material to a composite with a polymer matrix and also by making each disk thinner. The application was cost sensitive and required materials with very high temperature tolerance. Since the supervisor did not want the design to change, the original design was used and therefore only material and manufacturing methods was analyzed. At first, a requirement specification to the application was made. From this, an analysis was made where matrix and fiber material as well as manufacturing methods were investigated. A FEM-analysis was performed to calculate the stress developed in the centrifuge by using data from the investigated materials. Parallel to the analysis, quality tests were performed to verify the mechanical properties in the chosen material. The ultimate material choice was LCP as matrix together with glass fiber and the composite will be manufactured using compression moulding. The weight was reduced to 63 gram, a weight reduction of nearly 77 % per disc. The material cost was estimated to 5 SEK per disc.

Nomenklatur I Tabell 1 definieras storheter och beteckningar som används i rapporten. Om enhet inte är angiven betraktas storheten som dimensionslös. Tabell 1 - Nomenklatur Beteckning Storhet Enhet A Area m 2 b Bredd m ρ Densitet kg/m 3 E Elasticitetsmodul Pa Förskjutning m P Last N L Längd m l Längd m m Massa kg Poissons tal - G Skjuvmodul Pa Skjuvspänning Pa Normalspänning Pa h Tjocklek m T Tvärkraft N Töjning - Vinkel rad Vinkel V Volym m 3 φ Volymfraktion - Värmeexpansionskoefficient 1/K

Innehållsförteckning 1. Bakgrund... 1 2. Syfte... 2 3. Kravspecifikation... 3 3.1 Huvudkrav... 3 3.2 Materialkrav... 3 3.3 Geometrikrav... 4 3.4 Övriga krav... 4 4. Koncept... 5 5. Material... 7 5.1 Matris... 7 5.1.1 Termoplast... 7 5.1.2 Härdplast... 8 5.2 Livsmedelsverket... 9 5.3 Undersökta plaster... 10 5.3.1 Polyeten (PE)... 10 5.3.2 Polypropen (PP)... 10 5.3.3 Polystyren (PS)... 10 5.3.4 Polyvinylklorid (PVC)... 10 5.3.5 Polyester... 10 5.3.6 Polykarbonat (PC)... 11 5.3.7 Polyetereterketon (PEEK)... 11 5.3.8 Polyetherimide (PEI)... 12 5.3.9 Polyamide/imide (PAI)... 12 5.3.10 Polytetrafluoreten (PTFE)... 12 5.3.11 Liquid Crystal Polymer (LCP)... 13 5.4 Val av matris... 14 5.5 Fiber... 16 5.6 Undersökning av olika fiber... 18 5.6.1 Glasfiber... 18 5.6.2 Kolfiber... 18 5.6.3 Aramid... 18

5.6.4 Polyetylen... 19 5.6.5 Bor... 19 5.6.6 Basalt... 19 5.7 Val av fiber... 20 5.8 Angivelse av fiberriktning... 21 6. Tillverkningsmetoder... 22 6.1 Undersökning av tillverkningsmetoder... 22 6.1.1 Formsprutning... 22 6.1.2 Formpressning... 23 6.1.3 Vakuuminjicering... 24 6.1.4 Filamentlindning... 24 6.1.5 Pultrudering... 25 6.1.6 Membrangjutning... 26 6.2 Val av tillverkningsmetod... 27 6.2.1 Beräkning av värmeutvidgningskoefficienten... 28 7. Diskens utformning... 30 7.1 Dimensioner... 30 7.2 Volymfraktion och fiberriktning... 31 8. Beräkningar... 32 8.1 Beräkning för ett [0] laminat... 32 8.2 Beräkning för ett [0/90] laminat... 34 8.3 Beräkningar för ett [45/-45] laminat... 39 8.4 Beräkningar för ett kvasiisotropt material... 42 9. Provning... 43 9.1 Absorptionsprov... 44 9.1.1 Genomförande... 44 9.1.2 Resultat... 44 9.1.3 Slutsats... 45 9.2 Dragprov... 46 9.2.1 Uppställning... 46 9.2.2 Genomförande... 46 9.2.3 Resultat... 47 9.2.4 Slutsats... 50

9.3 Felkällor... 52 10. FEM-modell... 53 10.1 Randvillkor och laster... 53 10.2 Materialets mekaniska egenskaper... 55 10.3 Resultat... 61 11. Slutsats... 65 11.1 FEM... 65 11.2 Geometri... 65 11.3 Material... 65 12. Diskussion... 67 12.1 FEM... 67 12.2 Geometri... 67 12.3 Material... 67 13. Litteraturförteckning... 69 Bilaga 1 - Resultat av ROM-beräkningar... i Bilaga 2 - Provplan... i Bilaga 3 - Tillverkning av provstavar... i Bilaga 4 - Mätning provstavar... i Bilaga 5 - Bilder från provning... i Bilaga 6 - Uppskattning av laster från skruvar och rotationsdrivning... i Bilaga 7 - Styvhetsmatriser samt densiteter för de olika matriskombinationerna... i Bilaga 8 - MatLab kod för behandling av provresultat... i Bilaga 9 - MatLab kod för beräkning av mekaniska egenskaper... i Bilaga 10 - Nomenklatur... i

1. Bakgrund I och med att samhället blir alltmer medvetet om sin miljöpåverkan ställs det hårdare krav på bland annat utsläpp och återvinning. För att möta dessa krav krävs en effektivisering av olika ventilationssystem. Centriair AB konstruerar centrifuger som används till olika områden och i projektet behandlas en centrifug som används vid fritering av livsmedel i stora industrikök. Under friteringsprocessen blandas frityroljepartiklar med luft och vattendroppar. Denna fluidblandning sugs in i ventilationssystemet där de först passerar ett filter, för att sedan sugas in i centrifugen. I centrifugen finns en rotor bestående av 200-250 stycken koniska diskar som har rillor fästa på undersidan. Diskarna hålls samman med fyra stycken stålpinnar och trycks ihop utav två stycken stålkoner som är belägna ovan och under rotorn. Den roterar med 3000 varv per minut och rotationen ger upphov till en centrifugalkraft som tillsammans med rillorna separerar de olika fluiderna från varandra, se Figur 1. Oljepartiklarna slungas mot innerväggarna och rinner ned till utloppet. I utloppet tappas olja och vatten ut för att möjliggöra återvinning. På så sätt förhindras utsläpp till omgivningen. De diskar som används idag är tillverkade i stål och under projektets gång kommer ståldisken att användas som referens. Diskar i plasten POM har även tillverkats tidigare, men dessa har för dålig temperaturtolerans för att kunna användas inom friteringsbranschen. Figur 1 - Separation i centrifugen 1

2. Syfte Syftet med projektet är att förbättra centrifugen ur en miljö- och driftsynpunkt genom att hitta ett kompositmaterial som kan ersätta dagens konstruktion i stål. Ståldisken är tung och ger upphov till en otymplig centrifug som är svår att frakta och montera. Den är också dyr att tillverka. För att förbättra centifugen undersöks möjligheten att förbättra medbringningen genom att öka antalet diskar. Detta kräver att tjockleken på varje enskild disk minskas samtidigt som de mekaniska egenskaperna hos materialet som väljs är likvärdigt stål. Ett kompositmaterial möjliggör detta samtidigt som vikten reduceras. Projektets mål är att hitta ett kompositmaterial som är livsmedelsgodkänt och klarar att kontinuerligt användas upp till 200 C. Vikten per disk ska reduceras med 75 % och tjockleken minskas med 35 %. Genom att minska tjockleken per disk kan antalet diskar i centrifugen ökas med 50 %. Priset per disk ska reduceras med 35 %. 2

3. Kravspecifikation Vid undersökning av material till diskarna måste ett antal krav beaktas. Materialen som väljs till fiber och matris ska tåla de belastningar som uppstår i centrifugen och även krav på geometri och pris ställs. 3.1 Huvudkrav Den totala kostnaden för produktionen av diskarna ska minskas. För att tillgodose detta behöver hänsyn tas till både material- och tillverkningskostnader. Kostnaden för en ståldisk är 200 kr och en prisreducering på 35 % är önskvärt. Diskarna bör då max kosta 130 kr styck. Diskens totala vikt ska reduceras. Vikten ska inte överstiga 278 gram, vilket är vikten för ståldisken. Målet är att reducera vikten med 75 % till 70 gram per disk. 3.2 Materialkrav Diskarna ska inte deformeras geometriskt eller få försämrade mekaniska egenskaper vid kontinuerlig användning upp till 140 C. Önskvärt är att diskarna även håller för kontinuerlig användning upp till 200 C. Diskarna ska behålla sina geometriska och mekaniska egenskaper när de utsätts för vegetabiliska oljor, animaliska fetter samt ph-värden i intervallet 3-12. Centrifugen rengörs en gång i veckan med ett basiskt rengöringsmedel, därav det övre ph-kravet. I friteringsprocessen kan organiska syror bildas, därav det undre ph-kravet. Det är viktigt att olja och fett inte fastnar i rillorna eller på disken under användning och därför krävs en glatt yta med låg ytenergi (mindre än 700 mj/m 2 [1]) på disken. Disken får inte utsöndra ämnen som klassas som giftiga under processen. För att försäkra att inga giftiga gaser förekommer i centrifugen har ett krav på att disken inte får utsöndra giftiga ämnen vid upphettning till och med 300 C ställts. Materialet som används i disken måste även vara livsmedelsgodkänt. Diskarna kommer att rotera med 3000 varv per minut i centrifugen. De spänningar som uppstår i disken får inte överskrida sträckgränsen för det valda materialet. 3

3.3 Geometrikrav Diskarna ska ha rillor på undersidan och de ska ha en höjd på 0,4 mm. Diskarna får maximalt ha en tjocklek på 0,8 mm utan rillor. Önskvärt är att minska denna med 35 % till en tjocklek på ca 0,5 mm. Diskarna ska ha en ytterdiameter på 310 mm, en innerdiameter på 192 mm och konens rasvinkel ska vara 45. 3.4 Övriga krav Centrifugen ska klara av att starta och stanna minst en gång i veckan i minst 15 år utan att prestandan avtar. För att öka prestandan ska antalet diskar i centrifugen ökas. I centrifugen med ståldiskar finns det 200-250 stycken och genom att minska tjockleken beräknas antalet kunna ökas med ungefär 50 %, till 300-360 stycken. Rotorns totala vikt ska reduceras från 55 kg till 21 kg, vilket medför en reducering på 63 %. Det ska vara möjligt att tillverka 200 000 diskar per år, vilket motsvarar ungefär 1000 centrifuger. 4

4. Koncept Under projektets gång har två koncept på diskens utformning undersökts. Det första konceptet är att behålla ståldiskens design, en kon med rillor på undersidan, se Figur 2. Rillorna separerar diskarna från varandra samt förbättrar medbringningen av fluiderna. Figur 2 - Originaldesignen Fördelen med detta koncept är att det redan används i praktiken med framgångsrikt resultat. Nackdelen är att det kan vara svårt att forma fiber till en konisk form så att fiberriktningarna blir gynnsamma över hela geometrin, samt att det råder oklarheter angående hur konen skulle tillverkas rent praktiskt. Det andra konceptet som har undersökts är det så kallade fläktkonceptet. Konceptet går ut på att endast ha en tunn ring vid innerradien och låta skivor av material sticka ut, se Figur 3. Figur 3 - Fläktkonceptet 5

Diskar assembleras i rotorn med 45 förskjutning, se Figur 4. Figur 4 - Fläktkonceptet i rotorn Konceptet diskuterades eftersom det skulle kunna möjliggöra en enklare tillverkningsprocess. Plattor av kompositmaterial, med en termoplast som matris, skulle då tillverkas genom att skära ut profilen och sedan pressa den till konisk form. Nackdelarna med konceptet är att tätheten mellan diskarna vid innerradien skulle bli hög, vilket kan hämma luftflödet och leda till tryckfall. Eftersom konceptet är oprövat i praktiken råder det osäkerhet i huruvida medbringningen av gasen kommer att fungera. Efter att ha introducerat båda koncepten för uppdragsgivaren erhölls önskemålet om att använda det första konceptet, eftersom det andra var oprövat. Därför har originalkonceptet valts för vidare undersökning i projektet. 6

5. Material Diskarna ska konstrueras i ett kompositmaterial för att reducera vikten. En komposit är ett sammansatt material som består utav två eller flera komponenter, varav det minst ingår en matris och en fiber. I avsnitten nedan kommer polymermatriser och fiber att undersökas. 5.1 Matris Matrisens främsta uppgifter är att hålla fibern på plats i materialet, föra över och fördela lasten samt skydda från yttre påverkan. De vanligast förekommande matrismaterialen är polymerer, vilka delas upp i två undergrupper; termoplaster och härdplaster [2]. En polymermatris väljs främst för att möta kravet på minskad vikt då densiteten hos polymerer är avsevärt lägre jämfört med andra material. Viktiga faktorer att beakta är matrisens kompatibilitet med fibern, mekaniska egenskaper, termiska egenskaper samt pris. En av de viktigaste faktorerna är tillverkningsmöjligheterna. Det måste vara möjligt att tillverka en komposit med det valda materialet samt att det inte bör vara för komplicerat. Komplicerade tillverkningsmetoder kräver ofta stora kostnader, vilket inte är lämpligt i denna applikation. 5.1.1 Termoplast Termoplaster är idag den vanligaste typen av polymer och utgör ungefär 80 % av dagens marknad. De är uppbyggda av långa molekylkedjor med sekundära bindningar, vilket gör det möjligt för plasten att smälta vid höga temperaturer. Termoplaster delas upp i två huvudkategorier beroende på deras molekylära uppbyggnad, amorfa och semikristallina. Amorfa termoplaster har oregelbundet uppbyggda molekylkedjor och är transparenta. Om molekylerna istället har ordnade regelbundna kedjor bildas kristaller då materialet stelnar. Termoplasten kallas då kristallin. I verkligheten finns inga helt kristallina polymerer utan de består både av amorfa och kristallina delar och kallas då semikristallina. Strukturen hos semikristallina polymerer består vanligtvis av 5-50 % kristallin del [2]. Den kristallina delen kan bestämmas genom att reglera kylningshastigheten vid tillverkning. En låg kylningshastighet ger en högre kristallin volymandel och en hög kylningshastighet ger ett mer amorft material. Därför är det viktigt att tänka på att materialet inte får kylas för fort vid tillverkning av kompositmaterial med semikristallina matriser. Amorfa och semikristallina termoplaster har egenskaper som skiljer sig avsevärt. Den kristallina delen ökar toleransen mot höga temperaturer, men endast om den är tillräckligt hög. Om den däremot är för hög försämras många av de mekaniska egenskaperna, materialet förlorar styrka och blir sprött. Amorfa termoplaster har en fin yta eftersom de krymper väldigt lite vid stelning. På grund av den kristallina delen krymper semikristallina plaster mer eftersom skillnaden i densitet för flytande och fast form är stor. Därför blir ytan inte lika fin [2]. 7

Ett av de största problemen med termoplaster är dess låga temperaturtolerans, vilket kan vara problematiskt då applikationen kräver att materialet ska hålla för 140-200 C. Det finns högpresterande termoplaster (HPTP) som har betydligt högre temperaturtolerans. De flesta HPTP klarar 150 C under längre perioder och upp till 200 C under kortare perioder. HPTP karaktäriseras av deras resistans mot kemiska ämnen och bra mekaniska egenskaper, men de är betydligt dyrare jämfört med övriga termoplaster. Idag används HPTP främst inom elektronik- och fordonsbranschen [3]. Eftersom termoplaster kan smälta och stelna upprepade gånger är de återvinningsbara, därför används de som engångsförpackningar och till plastflaskor. Formning av termoplaster involverar inte någon kemisk reaktion, vilket medför en bättre miljö vid tillverkning. Eftersom termoplaster stelnar snabbt vid nedkylning blir tillverkningscykeln kort [4]. 5.1.2 Härdplast I kompositsammanhang är härdplaster vanligare än termoplaster, eftersom tillverkningsmetoderna är enklare. Det är lättare att impregnera fibern eftersom matrisen oftast är flytande vid rumstemperatur, till skillnad från termoplaster som måste värmas till smälttemperatur. Härdplaster är till en början uppbyggda av långa molekylkedjor, men vid härdning skapas kovalenta tvärbindningar mellan molekylerna. Kovalenta tvärbindningar kan inte brytas utan att de intermolekylära bindningarna bryts och därför kan härdplaster inte smälta. De mekaniska egenskaperna börjar däremot försämras vid materialets glastemperatur på grund av att den molekylära strukturen sönderfaller. Eftersom härdplaster inte kan smälta försämras återvinningsmöjligheterna [2]. Egenskaperna varierar väldigt mycket hos olika typer av härdplaster och det finns därför ett mycket brett användningsområde, exempelvis fyllningar för tänder och för elektronisk utrustning [4]. Gemensamt för alla härdplaster är att de har hög temperaturtolerans, bra mekaniska egenskaper samt att de oftast är billigare än termoplaster. Bearbetning av härdplaster medför stora hälsorisker eftersom de innehåller ämnen som är mycket allergiframkallande och irriterande för huden [5]. En färdig produkt som är härdad bör inte vara något hälsoproblem vid normal användning, men när en härdplast utsätts för höga temperaturer kan ett stort antal nerbrytningsprodukter och/eller omlagringsprodukter bildas, vilka kan vara hälsofarliga [6]. På grund av detta betraktas härdplast som ett olämpligt matrisalternativ för applikationen. 8

5.2 Livsmedelsverket När en applikation ska användas tillsammans med livsmedel finns det ett antal regler. Dessa regler sammanställs av Livsmedelsverket, en kontrollmyndighet inom livsmedelsbranschen. Livsmedelsverket har publicerat en rapport där godkända plaster listats, men enbart de vanligaste plasterna har beaktats. Termoplaster som är godkända av Livsmedelsverket [7]: Polyeten (PE) Polypropen (PP) Polystyren (PS) Polyvinylklorid (PVC) Polyester (PET, PBT, PEN) Polykarbonat (PC) Polyamid (PAI) Polytetrafluoreten (PTFE) Det råder osäkerhet om de mer ovanliga plasterna är livsmedelsgodkända eller inte och detta har undersökts i deras respektive avsnitt. Polyetereterketon (PEEK) Polytetherimide (PEI) Liquid Crystal Polymer (LCP) 9

5.3 Undersökta plaster Nedan presenteras de olika plaster som undersökts. 5.3.1 Polyeten (PE) Polyeten är en semikristallin termoplast som har dielektriska egenskaper och är motståndskraftig mot de flesta organiska lösningsmedel [8]. Den kan användas till både hårda och mjuka produkter som backar och flaskor [9] men en nackdel är att den absorberar aromer och gaser [7]. PE har en smältpunkt som ligger mellan 85-145 C. 5.3.2 Polypropen (PP) Polypropen är en semikristallin termoplast som kan användas både som matris och som ett syntetfiber [10]. Den har en smältpunkt på 151-167 C och kan kontinuerligt användas upp till 69,4-86,8 C. PP är beständig mot de flesta syror och baser samt mot vatten [11]. Vanliga användningsområden är fordonskomponenter, rör och hushållsprodukter [9]. 5.3.3 Polystyren (PS) Polystyren är en amorf termoplast [11] som är mycket vanligt förekommande [12]. Den är billig [13], har hög styvhet och låg vattenabsorption [12]. De mekaniska egenskaperna försämras avsevärt vid 80 C och den har en dålig resistans mot oljor och lösningsmedel. PS kan kontinuerligt användas upp till 75-90 C [11] och den är mycket brandfarlig [13]. 5.3.4 Polyvinylklorid (PVC) PVC är en termoplast som klassas som en av de vanligaste förekommande plasterna. Den är semikristallin men den kristallina delen är mycket låg, ungefär 10-15%. Trots detta är PVC mycket spröd i rumstemperatur [14]. PVC har en bra kemisk resistans och är ett billigt material att använda. Den är även enkel att hantera, vilket gynnar tillverkningsprocessen. PVC är mycket känslig för höga temperaturer och klarar inte av arbetstemperaturer över 90 C [11]. 5.3.5 Polyester Det finns flera olika typer av polyester och dessa kan förekomma både som härdplast (i omättad form) och som termoplast (i mättad form). Vanligtvis används glasfiber tillsammans med polyester i kompositmaterial och de tre vanligaste mättade polyestrarna är PET, PBT samt PEN [2]. 10

Polyethylene terephthalate (PET) PET är den vanligaste polyestern och är en semikristallin termoplast som motsvarar 5 % av den globala plastmarknaden. Den har hög kristallin del och låg fuktabsorption men måste torkas innan bearbetning. Resistansen mot kemiska ämnen är bra förutom mot starka syror samt baser [14]. PET är ett styvt ämne som klarar nötning, fett och olja bra [15]. Den kan användas kontinuerligt upp till 55-65 C [11]. Polybutylene terephthalate (PBT) PBT har bättre termiska egenskaper men sämre mekaniska egenskaper än PET. Den har en smältpunkt på 220-267 C och kan kontinuerligt användas upp till 112-127 C [11]. PBT är känslig mot kokande vatten [16]. Polyethylene naphthalate (PEN) PEN påminner om PET men har betydligt bättre termiska egenskaper. Den har också bättre kemisk resistans, släpper inte ut kemiska ämnen samt har högre E-modul. PEN har en smältpunkt på 266-271 C och kan kontinuerligt användas upp till 160-180 C [11]. 5.3.6 Polykarbonat (PC) Polykarbonat är en amorf termoplast som har bra mekaniska egenskaper och hög styvhet. Den marknadsförs ofta som okrossbar och används i bland annat fönster, visir och maskinskydd. PC är transparent och är billigt jämfört med andra termoplaster. Den har en låg fuktabsorption och är resistent mot de flesta kemiska ämnen, men reagerar dåligt på starka baser och syror [14]. Vid tillverkning av PC används BPA (Bisphenol A) som en av beståndsdelarna, ett ämne som anses vara giftigt i stora doser. Tester har genomförts av FDA [17] och PC avger en så pass liten mängd BPA att den betraktas som ofarligt. PC går att använda kontinuerligt vid temperaturer upp till 144 C [11]. 5.3.7 Polyetereterketon (PEEK) Polyetereterketon är en högpresterande semikristallin (30-40 %) termoplast som har bra mekaniska och kemiska egenskaper samt en hög temperaturtolerans. Smältpunkten ligger på 345 C och PEEK har ett bra motstånd mot kokande vätskor och heta gaser [14]. Materialets fuktabsorption är låg och de gaser som kan uppkomma vid överhettning av materialet anses vara ofarliga [18]. PEEK förekommer även som material till livsmedelsförpackningar många tester har genomförts för att verifiera att plasten inte har någon påverkan på hälsa eller miljö även vid upphettning [19]. En stor nackdel med PEEK är priset, som är mycket högt jämfört med andra termoplaster. 11

Vanligtvis används PEEK inom flyg- eller fordonsbranschen och förekommer i kompositsammanhang främst tillsammans med glas- eller kolfiber [14]. 5.3.8 Polyetherimide (PEI) PEI är en amorf högpresterande termoplast med bra mekaniska egenskaper och låg fuktabsorption. Egenskaperna liknar PEEK men PEI har sämre temperaturtolerans [14]. PEI kan kontinuerligt användas upp till 161-179 C och är resistent mot fett och olja [20]. Den är billigare än PEEK, används oftast i kompositsammanhang tillsammans med glas- eller kolfiber och det primära användningsområdet är inom flygbranschen [2]. Det råder dock oklarheter i huruvida PEI är livsmedelsgodkänd eller inte. 5.3.9 Polyamide/imide (PAI) Polyamide/imide är en högpresterande amorf termoplast som ingår i gruppen polyamider, även kallat nylon. Den har bra mekaniska egenskaper även under höga temperaturer och klarar av att kontinuerligt användas upp till 200-220 C. PAI har även bra kemiska egenskaper och tål organiska ämnen som olja och fett bra [21]. Priset är dock mycket högt [11]. 5.3.10 Polytetrafluoreten (PTFE) Polytetrafluoreten är en semikristallin termoplast med hög kristallin del, vilket gör den grumlig. Den har bra mekaniska egenskaper och låg fuktabsorption. Vad som utmärker PTFE är dess låga friktionskoefficient, vilket medför att ytan blir hal och lämpar sig för ytor där det är viktigt att saker inte fastnar. Ett stort användningsområde för PTFE är så kallade non-stick pannor, där den går under användningsnamnet teflon. Den har även bra resistans mot kemikalier [14]. Nackdelar med PTFE är att priset är högt och materialet är svårhanterligt vid tillverkning. På grund av dess höga viskositet är vissa tillverkningsmetoder olämpliga [14]. PTFE har hög temperaturtolerans och kan användas kontinuerligt upp till 180-260 C. Om den däremot värms till temperaturer över 280 C så börjar en giftig gas avges som ger upphov till influensaliknande symptom [22]. 12

5.3.11 Liquid Crystal Polymer (LCP) LCP är en högpresterande termoplast som brukar klassas som ett mellanting av en amorf och semikristallin plast. Vanligtvis används den som fiber tack vare sin molekylära struktur som medför höga mekaniska egenskaper och styvhet. LCP används ibland som ensamt material (utan fiber) [2]. LCP har en låg viskositet vilket gör den lätthanterlig vid tillverkning av kompositmaterial. Den har även en bra kemisk resistans mot starka baser och syror samt en låg fuktabsorption [14]. Temperaturtoleransen är hög och vid kontinuerlig användning tillåts temperaturer upp till 227 C [11]. Priset på LCP är högt, men den är ett av de billigaste högpresterande materialen på marknaden. Inga giftiga gaser avges vid upphettning och den används ofta inom engångsförpackningar för livsmedel. Negativt är att LCP är anisotropt, den har olika egenskaper i olika riktningar [14]. 13

5.4 Val av matris Utav de plaster som nämns ovan anses PE, PP, PS, PVC, PET, PBT och PC vara olämpliga eftersom de inte uppfyller det undre temperaturkravet på 140 C. PEN och PEI uppfyller det undre, men inte det övre temperaturkravet på 200 C, men eftersom det mer var ett önskemål än ett måste behålls dessa som möjliga alternativ. Utav de övriga plasterna som undersökts uppfylls majoriteten av kraven i kravspecifikationen. PTFE har valts bort på grund av hälsorisken. Temperaturer över 280 C ska inte förekomma i centrifugen men då temperaturen ligger så pass nära det maximala temperaturkravet riskerar eventuella giftiga ämnen ändå att släppas ut och därför anses PTFE vara olämplig. Plasterna som redovisas i Tabell 2 betraktas som lämpliga matriser. Tabell 2 - Egenskaper hos matrismaterialen [11] Storhet PEN PEEK PAI PEI LCP Densitet 1330-1390 1300-1320 1400-1450 1260-1280 1400-1420 kg/m 3 kg/m 3 kg/m 3 kg/m 3 kg/m 3 Pris 19,5-26 567-651 kr/kg 456-524 115-126 136-169 kr/kg kr/kg kr/kg kr/kg Smältpunkt 266-271 C 322-346 C - - 280 C Glastemperatur 118-126 C 143-157 C 264-286 C 215-217 C 116-124 C Max service 160-180 C 239-260 C 200-220 C 161-179 C 157-227 C temperature E-modul 2,37-2,43 3,76-3,95 GPa 4,78-5,02 2,89-3,04 15-15,4 GPa GPa GPa GPa Sträckgräns 79,4-83,4 87-95 MPa 38-42 MPa 73,5-81,1 117-125 MPa MPa MPa Poissons tal 0,395-0,405 0,39-0,41 0,44-0,46 0,385-0,401 0,4-0,43 Fuktabsorption 0,14-0,18 %/24h Ytenergi ph-värde som är ok 44,7 mn/m [23] ph>10 limited use 0,1-0,14 %/24h - 0,227-0,275 %/24h 0,00428-0,00473 %/24h 42,1 mn/m [24] - - 23,85-26,43 mn/m [25] ph>10 samt ph>10 samt ph<4 samt - ph<4 ph<4 limited ph>10 unacceptable use limited use Gällande ph-värdena innebär acceptable att materialet kan behöva extra skydd, limited use kan användas i korttidsapplikationer och unacceptable betyder att det är olämpligt att använda oskyddat. Står ingenting påverkas materialet inte av ph-värdet. 14

Ett av kraven på disken är att reducera kostnaderna. Kilopriset för PEEK och PAI är nästan fem gånger högre än för de övriga plasterna, vilket reser frågan om de resterande egenskaperna för dessa två motiverar det höga priset. PEEK uppfyller samtliga krav med marginal, det enda som är nämnvärt är att den inte tål starka syror. En stor fördel med PEEK är att den är vanligt förekommande som matris i kompositer, vilket innebär det inte bör uppstå några problem vid tillverkning. PEEK anses dock inte vara lämplig för applikationen då det finns andra matrisalternativ med lägre materialkostnader och liknande egenskaper. PAI är något billigare än PEEK men har inte lika hög temperaturtolerans. I övrigt är egenskaperna för PAI och PEEK mycket lika men PAI är inte lika vanlig som matris, vilket kan medföra problem vid tillverkning. PAI har också en låg sträckgräns jämfört med de övriga plasterna. Den matris som har det lägsta kilopriset är PEN, vilket gör den attraktiv då den gör det möjligt att minska kostnaderna. PEN har inte lika bra temperaturtolerans som övriga plaster och ifall den väljs kommer endast det undre temperaturkravet uppnås, vilket gör den olämplig. Den är däremot det mest ekonomiska alternativet om man anser att priset är viktigare än temperaturtoleransen. Den optimala matrisen är LCP, då det är den enda plasten som uppfyller samtliga krav. Ett stort problem är att kompatibiliteten med fibern är okänd då LCP främst förekommer som fiber eller som ensamt ämne. Om det inte skulle vara möjligt att tillverka en komposit med LCP som matris så är det ett alternativt att använda enbart LCP till diskarna, då egenskaperna hos den är så pass styv att det skulle vara möjligt för den att ensam klara av lasterna i centrifugen. PEI har ungefär samma pris som LCP men liknande termiska egenskaper som PEN. Eftersom temperaturtoleransen inte är tillräckligt hög är det höga priset inte motiverbart då PEN är betydligt billigare. PEI har också en hög fuktabsorption jämfört med de övriga plasterna, vilket innebär att geometrin riskerar att ändras på grund av vätskan i centrifugen. PEI är på grund av de bristande egenskaperna i förhållande till priset den minst lämpliga av de matrisförslag som tagits fram. Det råder även osäkerhet om PEI är livsmedelsgodkänd. För att oljan lätt ska släppa från diskens yta krävs en låg ytenergi. För termoplaster är ytenergin generellt låg, men det har varit svårt att ta fram specifika värden då forskningen kring ytenergi fokuserar främst på metaller. Om en lägre ytenergi önskas finns det möjlighet att ytbehandla disken efter tillverkning. Om det är möjligt att använda LCP som matris så rekommenderas den starkt på grund av dess utomordentliga egenskaper samt låga pris. PEN är ett budgetförslag som gör det möjligt att minska kostnaderna avsevärt men till priset av en minskad temperaturtolerans. 15

5.5 Fiber I en komposit är det fibern som bär huvudansvaret för de mekaniska egenskaperna. Därför är det viktigt att de fiber som väljs har tillräckligt bra hållfasthet för att klara av de belastningar som uppstår i centrifugen. Fiberupplägget har en stor påverkan på kompositens egenskaper och fiberna kan delas upp i kategorierna korta (avhuggna) eller långa (kontinuerliga) samt att de kan ha bestämd eller slumpmässig riktning (se Figur 5). Figur 5 - Fiberkategorier [26] Korta fiber är svåra att lägga i bestämd riktning och förekommer i de flesta fall i flera olika riktningar samtidigt i kompositen. Detta medför att de mekaniska egenskaperna är svårbestämda i olika riktningar och blir även sämre. En fördel med korta fiber är att de är billiga. Långa fiber är betydligt mer förekommande i kompositmaterial eftersom de ger bra mekaniska egenskaper i fiberns riktning. Det är dyrare att använda sig av långa fiber eftersom tillverkningskostnaderna för dessa är högre. Användning av långa fiber gör det även lättare att bestämma i vilken riktning fibrerna ska ligga. Riktade fiber ger kompositen bättre mekaniska egenskaper än slumpmässiga fiber. En vanligt förekommande parameter inom fiberkompositer är volymfraktionen för fiber och matris, Φ fiber och Φ matris. Dessa är definierade enligt Φ fiber = V fiber V tot (1) Φ matris = V matris V tot (2) där V fiber och V matris är den fiber- respektive matrisvolym som finns i kompositen och V tot är kompositens totala volym [27]. 16

Ju högre volymfraktion fibern har, desto mer liknar kompositmaterialets mekaniska egenskaper fiberns [27]. Vilken volymfraktion som är möjlig att ha i en produkt beror på vilken tillverkningsmetod som har använts [2]. 17

5.6 Undersökning av olika fiber Nedan följer information om de olika fiberalternativen som undersökts. 5.6.1 Glasfiber Glasfiber är en vanlig fiber med bra resistans mot korrosion, hög temperaturtolerans och ett lågt pris. Den har en låg styvhet jämfört med andra fiber och på grund av detta används glasfiber oftast i applikationer där krav på låg kostnad går före krav på hög styvhet. En nackdel med glasfiber är att de absorberar fukt. I komposittillämpningar är glasfiber ett väl beprövat fibermaterial [2]. Det finns olika sorters glasfiber, de vanligaste är E-glas, S-glas och C-glas. E-glas är den vanligaste glasfibersorten och är elektriskt isolerande. Den är töjbar och E-modulen är låg. S- glas har en bättre draghållfasthet än E-glas men är dyrare. C-glas har en hög resistans mot vatten och kemikalier och används därför främst som skydd för laminat i form av en ytmatta på yttersta laminatskiktet [28]. I fortsättningen när glasfiber omnämns syftas det på E-glas. 5.6.2 Kolfiber Kolfiber har en hög styvhet och hållfasthet men är känslig för töjning. Till skillnad från glasfiber är den inte fuktabsorberande men har däremot ett betydligt högre pris. Då kolfiber är elektriskt ledande måste elektronisk utrustning skyddas i miljöer där exponerade fiber finns för att förhindra kortslutning. Vid kontakt med metall behövs ett skyddsskikt som isolerar kolfibern från metallen eftersom elektrisk kontakt kan orsaka galvanisk korrosion [29]. Exponerade kolfiber kan också utgöra en hälsofara då fiberpartiklar som lossnar kan ha tillräckligt små dimensioner för att ta sig ner i lungorna vid inandning. Kolfiber används främst inom högpresterande applikationer tack vare sin höga styvhet [2]. 5.6.3 Aramid Aramidfiber har bra mekaniska egenskaper, framför allt hög seghet och slagtålighet. Fibern har hög temperaturtolerans och är resistent mot korrosion. Nackdelarna med aramid är att fibern är så seg att det krävs specialverktyg för att behandla dem, vilket medför höga tillverkningskostnader. Aramid är även ett dyrt material, vilket innebär att den totala kostnaden för komposittillverkningen kan bli mycket hög. Andra nackdelar är att det är svårt att få matrisen att binda bra till fibern samt att aramid är fuktkänsligt [2]. 18

5.6.4 Polyetylen Polyetylenfiber har liknande mekaniska egenskaper som aramidfiber men har lägre densitet. Nackdelar är att fibern har låg temperaturtolerans och att matriskompabiliteten är dålig [30]. Polyetylen har inte någon större kommersiell användning i kompositer än så länge och därför är det höga priset inte motiverbart [2]. Fibern är också väldigt känsligt för organiska lösningsmedel samt starka syror [11]. 5.6.5 Bor Bor är en fiber med hög styvhet och hållfasthet [2] samt kan motstå tryck och böjning bra [31]. Den är inte vanligt förekommande i polymerbaserade kompositer men däremot tillsammans med matriser av metall [2]. Bor används bland annat till golfklubbor, skidor och cykelramar [31]. Fibern har ett högt pris, 24300-28400 kr/kg [11]. 5.6.6 Basalt Basalt har egenskaper som påminner om glasfiber, men har bättre resistans mot kemiska ämnen, högre E-modul och brottgräns samt bättre temperaturtolerans [31]. En av de största fördelarna med basalt är att det klarar ph-värden upp till 13-14 och även starka syror. Nackdelar är att den inte klarar böjning bra och frakturer i fibern vid vävning förekommer [32]. Till skillnad från glasfiber absorberar basalt inte fukt och används därför ofta tillsammans med betong. Priset är ungefär lika högt som för S-glas [33]. Basalt är inte lika beprövat som glasfiber och därför är antalet tillverkare mycket få. 19

5.7 Val av fiber Efter att ha undersökt de olika fibertyperna har slutligen glasfiber, kolfiber och basalt valts som fiberförslag. Långa riktade fiber har valts på grund av att de ger den bästa prestandan. Bor väljs bort på grund av det höga priset. Fiberna har bra egenskaper men kostnaden skulle bli orimligt hög för den tänkta applikationen. Polyetylen väljs bort delvis på grund av den låga temperaturtoleransen, men också på grund av den dåliga matriskompatibiliteten. På grund av temperaturkravet och livsmedelskraven är utbudet av möjliga matriser begränsat, vilket gör det svårt att hitta en matris som fungerar med polyetylen. Aramid väljs bort på grund av den dåliga matriskompatibiliteten samt kraven på specialverktyg. Samtliga krav ställda på diskarna uppfylls av de valda fiberna (se Tabell 3). Endast resistansen för olika ph-värden kan vara bristfälliga. Eftersom fibern kommer vara innesluten i matrisen efter tillverkning bör detta inte vara ett problem. Tabell 3 - Egenskaper hos fiber [11] Storhet Glasfiber Basalt Kolfiber Densitet 2550-2600 kg/m 3 2500-2890 kg/m 3 1800-1840 kg/m 3 Pris 10,6-21,2 kr/kg 15,5-17,1 kr/kg 163-219 kr/kg Smältpunkt - 1410-1490 C 3690-3830 C Glastemperatur 550-580 C - - Max service temperature 350-360 C 500-850 C 530-580 C E-modul 72-85 GPa 71-110 GPa 225-245 GPa Poissons tal 0,21-0,23 0,24-0,28 0,01-0,2 Sträckgräns 1,8-1,85 GPa 1,43-4,9 GPa 3,75-4 GPa ph-värde som är ok ph>10 acceptable - ph>10 limited use Av de tre återstående fiberna har kolfiber de bästa mekaniska egenskaperna och den lägsta densiteten, men också det högsta priset. Frågan är om fibern måste ha så bra egenskaper som kol erbjuder. Eftersom fibern är innesluten i matrisen bör det inte vara någon risk för galvanisk korrosion eller för att kolfiberpartiklar ska brytas loss och spridas, men det är värt att ha i åtanke. Gällande egenskaper är glas och basalt nästan likvärdiga. Basalt har något bättre egenskaper och tål även kemiska ämnen bättre men har en högre densitet. Priset är lågt för båda fiberna, vilket är fördelaktigt då ett av huvudkravet för applikationen är att minska kostnaderna. Glasfiber anses vara ett lämpligare val då den är vanligare inom kompositindustrin än vad basalt är. Då glasfiber är ett väl beprövat material finns det många tillverkare samt att kompatibiliteten med matriser är väl dokumenterad. Fibern är innesluten i matrisen och ska inte ha kontakt med den yttre miljön, därför bör inte glasets fuktabsorption orsaka några problem. Noggrannare undersökningar bör göras av vad som händer i randytor där fibern är exponerad mot omvärlden, exempelvis om ett hål borras i kompositen. 20

5.8 Angivelse av fiberriktning I kompositlaminat förekommer ofta flera lager fiber med olika riktningar. I denna rapport anges fiberriktningar med hakparanteser []. Om det står [a/b/c/d] betyder det att det finns fiber i riktningar med vinklarna a, b, c och d (i grader) jämfört med laminatets lokala 1-riktning i 12-planet. Andelen fiber i varje riktning är lika stor om inte annat anges. Ett representativt volymelement (RVE) med tre riktningar betraktas i Figur 6. Figur 6 - Riktningar på RVE [27] 21

6. Tillverkningsmetoder Eftersom termoplaster inte förekommer i kompositmaterial i lika stor utsträckning som härdplaster är antalet tillverkningsmetoder färre och inte lika väl beprövade. Termoplaster medför ett antal nackdelar och den största är den höga viskositeten, som medför att impregnering av fiber under tillverkning försvåras. På grund av detta blir materialkostnaderna höga då det ofta krävs att fibrerna förimpregneras innan tillverkning. Det finns möjlighet att impregnera under tillverkningen, men den processen har än så länge inte haft någon större kommersiell framgång för termoplaster. En fördel med termoplaster är att stelningstiden är kort vid nedkylning av materialet. Detta medför att tillverkningscykeln blir kort och på så vis kan tillverkningskostnaden minskas rejält [2]. 6.1 Undersökning av tillverkningsmetoder Nedan undersöks olika tillverkningsmetoder för kompositer med termoplaster som matris. 6.1.1 Formsprutning Formsprutning är en kostnadseffektiv metod som ger en hög måttnoggrannhet och en bra ytfinish på produkterna [34]. Det är en av de metoder som passar bäst för massproducering och den har inga begränsningar när det gäller geometriska former. Metoden lämpar sig inte för bärande strukturer eftersom endast korta fiber (0.5-5mm) kan användas under tillverkningen. Fiberna går heller inte att arrangera och blir därför slumpmässiga. På grund av detta blir de mekaniska egenskaperna bristfälliga. Tillverkningscykeln per produkt är mycket kort vilket är fördelaktigt för tillverkningskostnaden [2]. Figur 7 - Formsprutning [35] Under tillverkningsprocessen blandas korta fibrer ned i matrisen under hög temperatur. Blandningen pressas fram genom en roterande skruv med hjälp av en pump och sprutas 22

slutligen in i en kyld form. Det är viktigt att matrisen är flytande under hela processen. Då materialet når formen kyls det snabbt ned och stelnar, formen öppnas och produkten är klar för användning [2]. Se processen i Figur 7. 6.1.2 Formpressning I formpressning används oftast långa och slumpmässiga fiber, men det är möjligt att öka de mekaniska egenskaperna genom att använda riktade fiber. Det begränsar dock geometrin eftersom material med långa riktade fiber har en högre viskositet än om fibern hade varit slumpmässig. Detta medför att formen inte alltid hinner fyllas innan materialet stelnar om formen är för komplex. Uppstartskostnaderna för formpressning är höga då materialet för form och press måste tåla de temperaturer och tryck som uppstår under tillverkning. En fördel med formpressning är att metoden har en kort tillverkningscykel [2]. Figur 8 visar tillverkningsprocessen då en termoplast används tillsammans med långa och slumpmässiga fiber. Figur 8 - Formpressning med långa slumpmässiga fiber [36] Formpressning använder förimpregnerande mattor (prepregs) av det önskade materialet som placeras individuellt på ett band. Mattorna förs genom en ugn där materialet smälter. Därefter placeras de ovanpå varandra i en kyld form. Formen är omgiven av pressar som med ett tryck på omkring 12-20 MPa sluter formen. Det är viktigt att materialet har tillräckligt låg viskositet för att hinna fylla formen innan strukturen stelnar. Tillverkningscykeln tar mellan 20-60 sekunder [2]. 23

6.1.3 Vakuuminjicering Vakuuminjicering är en metod som kräver mycket arbete samt är tidskrävande och lämpar sig därför inte för massproduktion. Det är möjligt att tillverka mycket stora strukturer, men på grund av arbetsgången används metoden främst för prototyper eller i laboratorier [2]. För att möjliggöra metoden för termoplaster krävs det att matrisen värms upp till sin smälttemperatur innan komposittillverkningen. Det kan dock vara problematiskt att använda vakuuminjicering för vissa termoplaster då deras viskositet är hög. Vid tillverkning placeras en fiberduk mellan två vakuumdukar och förseglas tätt (se Figur 9). Med hjälp av en vakuumpump sugs matrisen in och impregnerar fiberduken. Materialet tillåts därefter att stelna [37]. Figur 9 - Vakuuminjicering [38] 6.1.4 Filamentlindning Filamentlindning är en väl beprövad metod som tillverkar rotationssymmetriska former. Förimpregnerade fiber rullas från en spole och förs under förvärmning över till ett dorn där trådarna viras under tryck. Dornet är under lindningen uppvärmt och vid kontakt med varandra smälter trådarna ihop samt packas tätt med hjälp av ett tryckverktyg. Metoden är billig och passar bra vid hög produktion [2]. Se processen i Figur 10. 24

Figur 10 - Filamentlinding [39] 6.1.5 Pultrudering Pultrudering är en tillverkningsmetod som främst används till kompositer med härdplast som matris, men har på senare år blivit mer intressant för termoplaster. Processen är då mycket snarlik den för härdplaster, förutom att materialet under tillverkningen hettas upp till betydligt högre temperaturer. Tidigare har pultrudering använts enbart inom tillverkning av högpresterande kompositmaterial, exempelvis PEEK eller PPS, men används idag även för mer vanliga termoplaster. Metoden kan endast skapa strukturer med konstant tvärsnitt och kontinuerlig längd som exempelvis balkar eller stänger samt passar bra för massproducering. Figur 11 - Pultrudering [40] 25

Det första steget i tillverkningen är impregnering av fibern, vilket sker i ett impregneringsbad eller i en impregneringskammare. I impregneringskammaren blandas fibern med matrisen och förs samman. Därefter dras materialet genom en formkammare till det önskade tvärsnittet under hög temperatur och slutligen kyls materialet ned och kapas till önskad längd. Se fullständig process i Figur 11. 6.1.6 Membrangjutning Membrangjutning är en av de få tillverkningsmetoder som endast används för termoplaster och är fördelaktigt då geometriskt komplexa former kan tillverkas. Formen på strukturen är dock begränsad i storlek då det är nödvändigt att hela strukturen får plats i ugnen som används vid tillverkningen. Det är heller inte möjligt att inkludera hål eller ribbor i strukturen. Vid alltför tunna material tenderar strukturen att bucklas eller krökas. Metoden används främst till högpresterande applikationer [2]. Vid tillverkning placeras det kompositmaterial som ska formas mellan två tunna membran. Därefter finns det två olika sätt att genomföra formningen av materialet. Ena sättet är att materialet förvärms upp till sin glastemperatur i en ugn innan det placeras i formen. Då tillräckligt hög temperatur uppnåtts placeras materialbunten på den undre halvan av formen. Den övre halvan sluter tätt med den undre halvan och genom vakuum och/eller tryck anpassar sig materialet efter formen. Eftersom formen har en lägre temperatur stelnar matrisen vid kontakt. Det andra alternativet är att placera materialet i formen innan uppvärmning och låta det värmas upp i en autoklav. Materialet värms upp till matrisens smälttemperatur och med hjälp av vakuum och/eller tryck formas materialet efter formen. Då formningen är klar kyls autoklaven ned och matrisen stelnar [41], se Figur 12. Figur 12 - Membranformning [42] 26

6.2 Val av tillverkningsmetod Vid val av tillverkningsmetod måste ett antal krav beaktas. Det är viktigt att alla diskar är identiska med varandra, därför bör tillverkningsmetoden ha en hög precision och det ska gå att tillverka komplexa former. Det ska även vara möjligt att massproducera diskarna. För att åstadkomma detta är det optimalt att använda en gjutningsmetod. Kostnaden för tillverkningen får heller inte vara för hög och det är en fördel om ytfinishen på slutprodukten är fin. För att möta kravet på diskens form måste en metod som kan skapa produkter med varierande tvärsnitt användas, vilket medför att pultrudering och filamentlindning utgår eftersom dessa endast tillverkar produkter med konstant tvärsnitt. Membrangjutning är även den en olämplig metod att använda då endast slutna produkter kan tillverkas, som skålar eller hjälmar. Vakuuminjicering är inte är intressant, då den är arbetsintensiv och inte är lämplig vid massproducering. Formpressning och formsprutning är båda gjutningsmetoder och har möjlighet att tillverka diskens form, lämpar sig för massproduktion och har korta tillverkningscyklar. Därför anses dessa två vara de mest lämpliga tillverkningsmetoderna till applikationen. Diskarna ska klara höga mekaniska belastningar och därför har långa riktade fiber valts. Vid formsprutning kan endast korta fiber användas och det är inte möjligt att rikta dem eftersom de blandas med matrisen i flytande form och deras riktning styrs av matrisens flöde i formen. Detta medför att de mekaniska egenskaperna för produkter som formsprutas kan vara bristfälliga. Formpressning är ett mer lämpligt alternativ då man använder förimpregnerade fibermattor och på så vis kan fiberns riktning styras. En nackdel är att viskositeten för materialmassan kan bli för hög då den typen av fiber används. Det medför att formen inte alltid hinner fyllas innan materialet stelnar. På grund av detta kan formens struktur inte vara för komplicerad. Diskens struktur anses vara tillräckligt okomplicerad för att det inte ska vara några problem att tillverka den med formpressning. Formpressning och formsprutning har dyra uppstartskostnader då formar och verktyg behöver tillverkas eller köpas in. När produktionen har startat är metoden tidseffektiv och vid stora produktionsvolymer kan den höga startkostnaden motiveras, eftersom priset fördelas över ett stort antal produkter. En tillkommande kostnad för formpressning är materialkostnaden för de förimpregnerade fibermattorna, som måste beställas eller tillverkas på plats. Ur den aspekten är formsprutning ett billigare alternativ eftersom materialet kan blandas på plats. För att oljan och vattenångan ska separeras på ett effektivt sätt är det viktigt att ytan på applikationen är fin efter tillverkningen. Både formpressning och formsprutning ger fina ytor [43]. Eftersom formpressning gör det möjligt att tillverka den önskade geometrin med långa regelbundna fiber väljs denna som tillverkningsmetod för applikationen. 27