ANALYS AV MATERIALVAL HOS BEFINTLIG PRODUKT

2014-12-12 ANALYS AV MATERIALVAL HOS BEFINTLIG PRODUKT MATERIAL Fig. 1 HANDLEDARE: UTFÖRT AV: PROGRAM: JANNE FÄRM MARLENE ZUFIC, AHMAD ALQAISY, ARILD BRAMLER, FILIP JENSEN, MELANIE RAHIC. INNOVATION OCH PRODUKTDESIGN

SAMMANFATTNING Detta är en gruppuppgift som ingår som ett moment i kursen material. Uppgiften går ut på att gruppen får en produkt tilldelad sig, i vårt fall cykel. I prototyplabbet fick varje gruppmedlem välja ut en varsin komponent och därefter rikta in sig på ett material på produkt. I denna rapport skall vi med hjälp av att ställa designkritiska egenskaper på en vald komponent, välja ett lämpligt material utifrån vad den valda produkten skall klara av. Utifrån de designkritiska egenskaperna har gruppen skapat grafer, begränsningar och sållat bort materialfamiljer via datorprogrammet CES, där man kan se vilket material som lämpar sig bäst för ens komponent. När vi hade ett antal material kvar så rangordnade vi dem. När det var ett fåtal kvar så ställde vi upp dem mot varandra och jämförde dess egenskaper. Utifrån detta kan man sedan få fram ett resultat, och även jämföra sitt resultat med originalmaterialet. I slutet av de enskilda gruppmedlemmarnas sökande efter ett material, kommer vi alla att få ett resultat. I detta arbete kommer vi undersöka om de material vi får, stämmer överens med originalmaterialen på cykeln? Efter jämförelse av material som uppfyller utsedda designparametrar kan vi dra slutsatsen att inget av de valda materialen överensstämmer med produktmaterialet. Detta beror på att det material vi ansåg passande uppfyllde kraven bäst. Producenten har möjligtvis satt andra designkritiska egenskaper som prioritet och därför skiljer det sig från vårt val. 2

Innehållsförteckning SAMMANFATTNING... 2 1 INLEDNING... 4 1.2 Syfte... 4 2 FÖRBEREDELSER... 4 3 METOD OCH MATERIAL... 5 3.1 Handtagen på styret... 6 3.1.1 Designkritiska funktionskrav på handtagen... 6 3.1.2 Grafer... 6 3.1.3 Rangordna... 9 3.1.4 Dokumentationsfasen... 10 3.1.5 Slutligt materialval (resultat)... 10 3.1.6 Jämför med materialet på originalcykeln... 10 3.2 Stålramen under sadeln... 13 3.3 Cykelramen... 17 3.4 Pedalerna... 21 3.5 Hjul/fälg... 25 4 RESULTAT... 35 5 KÄLLFÖRTECKNING... 36 3

1 INLEDNING 1.1 Bakgrund Detta är en gruppuppgift som ingår som ett moment i kursen material. Uppgiften går ut på att gruppen får en produkt tilldelad sig, utifrån fabrikatet väljer vi ut fem olika material komponenter. Det skall vara minst en metall och en polymer. Vi skall analysera vald produktdel samt ta fram designkritiska parametrar. Därefter tas hjälp av datorprogrammet CES för att göra lämpligt materialval utifrån våra krav. Sedan jämförs våra materialval med befintligt material som ingår i produkten. 1.2 Syfte I denna rapport skall vi med hjälp av att ställa designkritiska egenskaper på vald komponent, undersöka material. Det ska medföra en tydlig förbättring över det originella materialet på utsedda egenskaper, eller enbart vara lämpat för produktens syfte. Med denna arbetsprocess vill vi öka våra kunskaper inom materialanalys och utifrån designkritiska krav på vald produkten göra om det till designkritiska egenskaper hos materialet, och där av kunna göra ett rättfärdigt materialval. I detta skeende kommer vi fördjupa våra kunskaper inom datorprogrammet CES. 2 FÖRBEREDELSER Gruppen hade fått en produkt tilldelad sig där vi i förväg hade fått information om att det var en cykel. Förberedande studier genomfördes genom att gruppen fick besöka prototyplabbet på Mälardalens Högskola, där gruppen fick analysera den tilldelade produkten. Vi valde en varsin enhet av cykeln och utifrån utsedd komponent riktade var och en in sig på ett enda material. Sedan fotograferade var och en sin del, mätte och antecknade. När vi kände att vi hade tittat, klämt och undersökt klart alla cykelns valda delar, så hade vi det som var en bra början till att gå vidare. Nästa steg i arbetat var att sätta sig ned och hitta ett lämpligt material för var och ens valda produkt. Fig. 2: Cykeln vi blev tilldelade. Se inringningar för valda komponenter. 4

3 METOD OCH MATERIAL Här nedan presenteras vilka komponenter i den här produkten som vi har valt. Vi skriver om ett material i taget, men alla underrubriker är ungefär de samma: 1. Rubrik på material 2. Designkritiska egenskaper på produkten 3. Grafer 4. Rangordna 5. Dokumentationsfasen 6. Slutligt materialval (resultat) 7. Jämför med materialet på originalcykeln För att hitta parametrar på de material som används i de utvalda delarna av produkten används ett datorprogram och databas CES. Databasen används även för att jämföra de möjliga alternativa material med nuvarande materialet samt med varandra, för att hitta det bästa alternativet med fokus på designkritiska egenskaper och krav som produkten ska uppfylla. Resultat av CES databas undersökning presenteras sedan i form av grafer och tabeller. 5

3.1 Handtagen på styret 3.1.1 Designkritiska funktionskrav på handtagen Design av handtag bygger på ergonomi. Därför tänker jag i första hand att de ska vara ganska mjuka att hålla i. De ska vara "halksäkra" i blött väder och de ska vara i ett ganska lätt material. När man tillverkar en cykel så strävar man ju efter att den inte ska bli för tung, så för varje material måste man se till materialets densitet. Vidare reflekterat på krav för handtagen så ser jag över väderförhållandena i Sverige. Materialet skall varken spricka eller smälta vid kyla eller hetta. Jag kan tänka mig att framförallt barn inte använder cykelstödet, utan bara slänger ner cykeln på marken. Därför måste man tänka på att materialet, förutom att tåla svett, även måste tåla vatten och smuts. Handtaget måste sitta fast på styret. Där kan man välja olika metoder så som; limning, svetsning eller påpressning. Jag väljer att handtaget skall vara påpressat vilket man gör med exempelvis tryckluft. Därav behöver jag inte se över om mitt materialval behöver tåla någon form av lim eller annan kemikalie. Vid påpressning måste man ha ett material som kan spännas ut tillräckligt. Designkritiska egenskaper i punktform på materialet: Mjukt Elastiskt (för presspassning) Lätt Billigt Klara ett intervall av temperaturen -30 C <X< 50 C (Inte ett måste) Tåla vatten, svett och smuts Klara av UV-strålning 3.1.2 Grafer Jag har använt mig av dataprogrammet CES EduPack. Jag har arbetet i Level 3. Jag började med att göra en graf som senare kommer att vara min grundgraf. Den graf som kommer visa som tydligast vilka material som jag har kvar. I min graf skrev jag densitet på Y-axeln, och pris på X-axeln. Fig. 3: Graf 1, Densitet på y-axeln, pris på x-axeln. 3911 olika material. 6

Jag har nu inte gjort någon begränsning eller sållning, utan har 3911 olika material att välja bland. Jag vet direkt, av egen erfarenhet att jag inte vill ha handtag av glas, keramik eller trä så jag går in på funktionen Tree, där jag avgränsar mina material till hybrider och polymer. Mitt nästa steg är att titta på mina krav och utifrån dem göra en begränsning. Jag tittar på kraven och ser att cykelhandtaget måste klara av vatten, då en cykel ofta står ute och får regn på sig. Så jag gick in på Limit Mechanical properties, och där valde jag att den skulle klara av vatten och saltvatten både mycket bra och bra. (Saltvattnet får här symbolisera handsvetten). CES använder sig av en skala på 1-4 där 1 är inte bra alls och en 4:a är mycket bra. Fig. 4: Graf 2, Efter att ha begränsat mina material till hybrider och polymer, och fört in att de skall tåla vatten och svett mycket bra, så har jag 1202 material av 3921. Mitt fjärde steg i proceduren är att föra in att materialet måste klara av solljus, då en cykel ofta står under bar himmel. Under funktionen Limit för jag in att materialet skall klara UVljus både mycket bra och bra, alltså en 3:a och en 4:a på skalan 1-4. Vidare i mitt sökande efter ett godtyckligt material lämpat för cykelhandtag så ser jag över mina krav återigen. Jag vill ju ha ett material som fäster mot styret. Jag vill inte ha ett hårt material mot en hård yta på styret, för då blir det dålig friktion. Jag vet att jag vill ha någon mjuk plast eller något gummiliknande, som suger sig fast på cykelstyret. Jag går in på Limit igen, Mechanical properties Hardness Vickers. Jag försöker först skriva in värdet 5 men det visar sig längre fram i arbetet att det i slutet blev för få material kvar och inget av dem var det jag stänkt mig. Så det blir värdet 10 som jag skriver in. 7

Fig. 5: Under funktionen Limit kan man skriva in värden på hårdhet, sträckgräns och elasticitet. Man kan även välja vad ett material ska klara av när det gäller olika vätskor. Fig. 6: Graf 3, Efter att ha skrivit in värdet 10 på HardnessVickers, så har jag 106 material kvar av 3921 st. Mitt nästa steg som kommer bli det slutliga steget innan dokumentationsfasen, är att göra en sista graf. Där går jag in på Y-axeln och klickar mig vidare till Advanced. Jag väljer Mechanical properties, och där väljer jag Yield strengh/young s modulus. Jag vill ha så stor elastisk töjning som möjligt. På X-axeln väljer jag Trees och tar Hybrider och Polymer. Nu ser min nya graf ut som två kurvor. Jag väljer att begränsa Yield strengh/young s modulus med hjälp av en box som omsluter alla värden inom 50-1000. 8

Fig. 7: Graf 4, Till slut hamnade jag på 5 olika material. Det känns som ett helt okej tal att jobba vidare med. 3.1.3 Rangordna Jag läser i CES om respektive material. Jag tittar på de typiska användningsområdena för vederbörliga material. FEP (unfilled): Ventiler, elektiska komponenter, och utrustning för kemisk fabrik. Polyester cast (flexible): Rör och kärl. PTFE (unfilled): Kullager; rör- och ventil foder, pumpar, ledningar, packningar, kolvringar, elektrisk isolering för hög temperatur, och beläggning för klibbfria applikationer. PVDC (copolymer, barrier film resin, plasticized): Rörledningar, beslag och detaljer i den kemiska industrin, och till förpackning. PVDC (copolymer, injection): Rörledningar, beslag och detaljer i den kemiska industrin, och till förpackning. Jag ser här och efter lite googlande att jag kan ta bort Polyester cast och PVDC (copolymer, barrier film resin, plasticized), då den förstnämnda används mycket till någon form av elastiskt bandage, och den andra till mjukare plastförpackningar som till frukt, godis och smörgåspålägg. 9

3.1.4 Dokumentationsfasen Material Hårdhet (Vickers) Tål solljus Går att återvinna E-modulen Pris FEP (unfilled) 4,5-5,1 3 av 4 0,336-0,353 GPa 139-211 SEK/kg PTFE (unfilled) 5,9-6,5 3 av 4 0,4-0,552 GPa 96,1-110 SEK/kg PVDC (copolymer, injection 5,8-7,9 3 av 4 0,345-0,552 GPa 23,2-25,6 SEK/kg Tabell 1: Information om de olika material jag har kvar. Utifrån min tabell så ser jag att PVDC är lite för hårt, och efter att jag googlat noga så ser jag att materialet främst används till blandningar av hårdare plastmaterial så som äldre telefoner och rakhyvlar. Nu står det mellan två material; FEP (unfilled), och PTFE (unfilled) Jag tittar på vilket av materialen som har den lägsta E-modulen, samt det lägsta priset. Tyvärr var det ett av varje. I mitt slutliga val väljer jag att gå på priset. Det går alltid att bland i något så det blir mjukare. Jag kommer aldrig att få exakt det som finns i handtaget på originalcykeln, då det är blandat efter ett recept så att säga. 3.1.5 Slutligt materialval (resultat) Jag valde att gå på priset i slutändan så mitt materialval till ett cykelhandtag blev PTFE (unfilled). Jag anser att Polytetrafluoreten (PTFE), är ett bra slutgiltigt val. Materialet har vattenavvisande egenskaper. Klarar temperaturen mellan -270 C till 300 C. Klarar av UV-ljus mycket bra, låg styrka och styvhet, och mycket låg ythårdhet. Ju större komfort som PTEF kan ge, desto större kundkrets kan monark få. 3.1.6 Jämför med materialet på originalcykeln Materialet på originalcykelns handtag är gjorda i Phthalate-free TPE (Kraton). [1] Handtagen är formgjutna och ofta med två olika material, hårda och mjuka i samma form. Det ger bra livslängd och bra komfort. Phthalate-free TPE är mjukt att hålla på och jag personligen tycker tillverkarens materialval har varit utmärkt. Jag hittar ett material i CES som är grundmaterialet i originalhandtagen; SEBS (Shore A35). Jag fick konstigt nog inte ens med detta material när jag befann mig i slutet av mina steg. I vilket steg försvann det kan man fråga sig. Vilket av mina krav gjorde så att det försvann? 10

Fig. 8: Tabell i CES som visar i vilka steg det inringade materialet sållades bort, utifrån mina krav. I CES söker jag upp originalmaterialet i mitt pågående projekt. Under valet Show väljer jag Pass/ Fail Table. Då visas en tabell till höger om alla material. Här ser jag vilka steg som originalmaterialet inte matchade med mina krav, och på så vis blev utsållat. I tabellen går att se ett rött kryss under steg 4 och 8. Steg 4, (klara av solljus), var det första av mina steg som originalmaterialet inte uppfyllde mitt valda krav. Jag hade bestämt att mitt material skulle klara av solljus bra och mycket bra. På skalan 1-4 där 1 är dåligt och 4 är mycket bra, så valde jag en 3:a och en 4:a. 3,4 betyder att materialet skall klara av solljus under flera år. Originalmaterialet har en 2:a på skalan 1-4. En 2:a betyder att det skall klara av solljus i månader/år. Tillverkaren kanske tycker att det inte gör något om handtagen behöver bytas ut efter nåt år eller två. Förmodligen bedömer de att man skall ställa in cykeln när den inte används. Med min erfarenhet så byter man handtag om man kör omkull med cykeln, och handtagen spricker eller går sönder helt, men jag har då inte hört att man byter handtag för att de blivit skadade av solljus. SEBS är ett grundmaterial, så det kan mycket väl vara som så att de tillsatt andra ämnen i blandningen som gör att den klarar av solljus. Här spekulerar jag bara. 11

Fig. 9: Avklippt printscreen-bild från CES, där boxen syns i mitten. Steg 8, (Yield strengh/young s modulus) Jag har lagt in en begränsning som var onödigt tuff. Jag gjorde en box mellan värdena 50-1000. Material som hade högre elastisk töjning sållades bort. Originalmaterialet hade större töjning än mitt krav. På denna punkt kanske det hade varit bättre om jag dragit upp boxens överkant till grafens överkant. Slutsats: Hade det inte varit för UV-strålning och elasticiteten så hade ju detta material kommit med bland mina slutliga val. Jag tycker absolut inte att jag har varit för tuff och skenat iväg med mina krav. Tycker snarare att tillverkarens ena krav har varit konstigt, men som jag skrev ovan, så kanske de blandar i andra ämnen så den klarar av solljus ändå. Att originalmaterialet var så töjbart kunde jag inte ana. Hade jag dragit upp boxen till grafens topp kanske jag hade fått 25 material kvar, istället för 5. Slutsatsen är i alla fall att jag inte fick samma material, men jag fick ett material som hade många liknande egenskaper. 12

3.2 Stålramen under sadeln 3.2.1 Designkritiska egenskaper på cykelramen Design av stålramen som sitter under sadeln. Jag tänker i första hand att den ska vara lätt att forma så att den passar sadeln. Den ska vara styv, lätt och tåla kylan och värme. Materialet skall inte spricka. Den ska inte böjas eller sprickas om någon stor person sätter sig på sadeln. Den ska även tåla vatten och smuts. Fig.10: Bilden är tagen i skolans verkstad. 3.2.2 Grafer Jag ska börja med att använda dataprogrammet CES EduPack och jag väljer helst jobba med leve 2 det för att jag vet redan vilka material som kan passa bra för ramen så jag ska vilja metaller i leve 2. Så ser min söknings graf ut enligt tabellen nedan. Jag valde de här det för att de ingår i mina kvar som ska tåla tunga vikter och som ska vara lätt att forma och kan ha en lång livslängd. Mycket viktigt att materialet inte ska rosta eller spricka när det är för kallt. Y-axel Pris Bulk modul strenght tensile strength thermal expension coeffience co2 footprint Tabell 1: De kraven jag gick efter. X-axel densitet compressive yield strenght formability recycle 13

Fig.11: Här kan vi se hur grafen ser ut när man väljer Bulk modulus och Compressive strength. När man har rensat bort de material man inte vill ha då får man ungefär mellan 5 eller 6 val av material som är kvar. Och man ska försöka få den bästa av dem som kan klarar av kraven och den ska vara en bra kvalitet material som kan hålla. Fig.12: Här har jag valt Tensile strenght på Y-axel och Yield strength på X-axel. 14

När man får de material man har valt då ska man gå igenom materialen i Google eller i CES och läsa vad kan de passa bra till och vad dom kan tåla eller inte tåla. Man ska studera deras mekanism och fysik. 3.2.3 Rangordna För att gå vidare gör jag tre olika tabeller utifrån de tre material jag fått fram. Annars finns det flera material men det är för dyra eller passar inte alls till ramen. Volfram legering Hög densitet, bra hårdhet och motståndskraft mot hög temperatur. Överlägsen slitstyrka och god korrosionsbeständighet och miljövänlig. Densitet 1.78e4 1.96e4 kg/m^3 Pris 356 392 kr Bulk modul 224 296 GPa tryckhållfasthet 555 800 MPa Elastisk gräns 525 800 MPa Tabell 2: Volfram egenskaper. Kommersiellt rent titan Den är hög hållfasthet i förhållande till vikten, utmärkta mekaniska egenskaper och korrosionsmotstånd. Titan kvaliteter det bästa materialet för många kritiska applikationer. Densitet Pris Bulk modul Tryckhållfasthet Elastisk gräns 4.5e3 4.53e3 kg/m^3 65.2 71.8 kr 110 135 GPa 270 600 MPa 270 600 MPa Tabell 3: Kommersiellt titan egenskaper. 15

Nickel - krom-legeringar Har mycket goda korrosionsegenskaper både i kloridmiljö som havsvatten och i aggressiva syror och tål höga temperaturer. Densitet Pris Bulk modul Tryckhållfasthet Elastisk gräns 8.3e3 8.5e3 kg/m^3 149 164 kr 155 285 GPa 365 460 MPa 365 460 MPa Tabell 4: Nickel egenskaper. 3.2.4 Dokumentationsfasen Efter att jag hade gott igenom de material som jag valde och studerade deras egenskaper som visat på grafen ovanpå så har titan rätt mekaniska egenskaper och fysiska egenskapen som jag vill ha. 3.2.5 Slutligt materialval (resultat) Efter att jag hade gott igenom de material som jag valde och studerade deras egenskaper såsom mekanik och fysik så blev mitt val kommersiellt-rent-titan. Den kan passa jättebra till ramen som sitter fast under sadeln. Det går att forma den och göra att det tål tyngd, studs och kylan. Den rostar inte lätt och har lång livslängd. Trots att det är en bra kvalitet material. 3.2.6 Jämför med materialet på originalcykeln Materialet som fanns i cykeln var stål och den var inte lackad så den kan rosta. Och den var en riktigt billig variant av stål. Det kostar högst 4 kr/kg. Så jag tycker att titan passar lite bättre än stål eftersom den rostar inte lätt och tål tyngder, kylan, värme och har utmärkt mekaniska egenskaper som kan funka jättebra för en sadel. 16

3.3 Cykelramen 3.3.1 Designkritiska egenskaper på cykelramen De senaste åren har cykeln blivit en allt mer prominent form av transportmedel och är ansedd världen över som inte enbart en effektiv och hälsosam form av färdmedel utan brukas även dagligen i rekreationssyfte. Inom en cykels beståndsdelar agerar dess ram som en huvudkomponent, varav hjul, säte och ytterligare diverse element monteras för att få ett komplett transportmedel. Sett utifrån ett säkerhetsperspektiv fungerar en ramen som en kritisk bidragande beståndsdel i att förse användaren med ett säkert och bekvämt nyttjande, där korrekt materialval skall medge stabila och driftsäkra mekaniska egenskaper under varierande tillstånd av belastning. Ramens konstruktion är uppbyggd utifrån två trianglar där en huvud-triangel fungerar som bas för två parvis bakre mindre trianglar. Denna formation har getts namnet diamantram och är standard i dagens moderna cyklar. [2] När en cykel används belastas ramen huvudsakligen av kompressionskrafter med riktnings- koefficient nedåt ifrån sadelrör och gaffelrör skapad av personen i frågas vikt, samt normalkraft från underlag. Vid bromsning eller eventuell krock skapas ytterligare påfrestning på framgaffel som riskerar deformation av böjning. Då cykeln i undersökningen är framtagen huvudsakligen för bruk av pendling Fig. 13: Schematisk bild av cykelram kommer vikt, som i andra typer av cyklar är kritisk spela en mindre roll i utbyte mot en strävan att få ett så lågt pris som möjligt. Med hänsyn till detta kan vi skapa följande parametrar: 1: Hög tryckhållfasthet, vilket specifikt mäter den kraft som krävs för att trycka isär ett material. Inom cykelramar ger en hög tryckhållfasthet en bättre prestanda. Likaså resulterar ett högt värde i att en mindre mängd material behövs för att åstadkomma begärd hållfasthet vilket medför en lägre vikt på komponenten. 2: Sträckgräns mäter hur stor kraft som krävs för att plastisera ett material, på en potentiell kandidat begärs hög sträckgräns för att motverka tänkbara beständiga skador på ram. 3: Styvhet avgör den kraft som fordras att böja material så att den kan efter belastning återgå till ursprungsform. Inom cykelramar är denna parameter bland de viktigaste för effektiv kraft överföring från pedal till underlag. Detta kan fås genom en ökning i diameter på rören. 4: En hög brottseghet medger att ett material förmår motstå sprickbildning när belastad. 5: Slutligen inom ramen av just pendlarcyklar kommer pris att spela en avgörande roll och med så kommer densiteten att öka då material som passerar följande parametrar samt har en låg densitet oftast har ett högt pris. 17

3.3.2 Grafer Med designkrav specificerade görs resterande selektions process genom att klassificera material som möter valda krav. Ashby s materialvals program används för att fastställa preliminära material grupper passande för konstruktion av en cykelram. Studerar vi nu figur 13 går det att konstatera att potentiella material grupper är: Metall och legeringar Keramer Kompositer 1000 Technical ceramics Young's modulus (GPa) 100 Composites Metals and alloys 10 1 500 1000 2000 5000 10000 Density (kg/m^3) Fig. 14: Young s modulus vs densitet. I det här stadiet går det redan nu att radera keramer ur tillvalsprocessen då trots hög styvhet är ett enormt skört material och är där av inte passande till de mekaniska applikationerna i en cykelram. Då styvhet och densitet kan ses som avgörande faktorer inom ram konstruktion utgår jag ifrån figur 14 för att ifrån de aspekterna överväga fem material som lämpligt kan användas. 1000 CFRP, epoxy matrix (isotropic) Wrought magnesium alloys High carbon steel Age-hardening wrought Al-alloys Titanium alloys Young's modulus (GPa) 100 10 1000 2000 5000 10000 20000 Density (kg/m^3) Fig. 15: Young s modulus vs densitet. 18

3.3.3 Rangordna CFRP Titanium alloys Magnesium alloys Aluminium alloys High carbon steel CFRP Kolfiber förstärkt polymer, mer känt som kolfiber är ett allt mer populärt icke-metall material inom cykelramar då det medger en hög styvhet och behåller samtidigt en ratio av låg densitet. Genom gjutformning har materialet hög formbarhet resulterande i en ram som kan bli kalibrerad med styrka där användaren anser det användbart. Titanium alloys Titan legeringar har den högsta styrka-till-vikt ratio av alla strukturella metaller och titanramar, även om mindre styva kan genom sin styrka konstrueras i samma dimensioner som stålramar. Magnesium alloys Magnesium ramar kan medge en stor reduktion i vikt gentemot andra typer av ramar i kompromiss mot en lägre styrka. Magnesiums termiska egenskaper kommer även resulterar i svår konstruktion. Aluminium alloys Lätt, starkt och styvt. Aluminium har blivit ett allt mer frekvent använt material för konstruktion av ramar då rätt legering kan ge betydligt bättre styrka-till-vikt än stål. High carbon steel Stål är det nuvarande mest använda material för cykelramar då det är starkt och lätt att arbeta med. 3.3.4 Dokumentationsfasen Med en selektion av material ställs de upp i tabell på de design aspekter som tidigare avsatts för en cykelram för att på så sätt undersöka avstickande egenskaper som leder till ett kandiderande material. Material Tryckhållfasthet Sträckgräns Styvhet Brottseghet Densitet (MPa) (MPa) (GPa) (MPa) (kg/m^3) CFRP 640 800 110 800 1,55 Ti-alloy 975 975 115 1125 4,3 Mg-alloy 143 143 45 201 1,79 Al-alloy 353 353 74 400 2,7 HC-steel 748 780 208 1095 7,85 Tabell 1: Mekaniska egenskaper 19

Material Pris (SEK/kg) CFRP 258 Ti-alloys 156 Mg-alloys 25 Al-alloys 14,5 HC-steel 3,6 Tabell 2: Pris per kg 3.3.5 Slutligt materialval (resultat) Utifrån tabell 1 kan vi avläsa att både kolfiber och titan bör vara exceptionella materialval för en cykelram, lätt och styvt med hög brottgräns kommer medge en ram av hög kvalité. Tabell 1 visar dock endast prestanda på tekniska kapaciteter utan avseende på pris. I tabell 2 ses materialen med hänsyn till pris och både kolfiber och titan är har betydligt högre pris än resterande material. Då en viktig parameter för valt material är att ramen skall tillverkas med simpel pendling som aspekt är låg tillverkningskostnad viktigare än ren prestanda och där av är inte materialen behöriga. Hade andra designkrav utsetts där prestanda var prioritet vore båda materialen i stället passande. Magnesium visar både låg densitet och pris men de mekaniska egenskaperna är för låga för att kunna användas inom en cykel som skall brukas under längre tid. Aluminium och stål är båda lämpliga materialval men utan att beträffa vikt anser jag att ett hög kolhaltigt stål är mer adekvat.(se avsnitt 3.3.6 för längre jämförelse) 3.3.6 Jämför med materialet på originalcykeln Vår produkts cykelram är konstruerad i aluminium och studerar vi tabell 1 går det att konstatera att även om aluminium är betydligt lättare än stål visar sig en betydlig reduktion inom de andra valda parametrarna. En stålram utlämnar vikt för ökad hållbarhet och vi har tidigare tagit slutsatsen att cykeln i fråga är menad i största del för enkel pendling på landsväg och i stads miljö. En sådan typ av cykel förväntas kunna användas under alla årstider i ett flertal år utan deformations skador. Vid eventuell olycka med vår cykel ser vi enligt tabell att aluminium med betydligt lägre brottseghet riskerar att spricka istället för att böjas vilket kan försvårar reparationer. Inom andra former av cyklar så som racing eller touring kan aluminiums mindre vikt vara kritisk och vara rätt val men i vårt fall som pendlarcykel anser jag att ståls högre livslängd överväger en eventuell lättare cykel. Dessutom ser vi i tabell 2 att stål har lägre kostnad och som konsument cykel bör det vara en prioritet tillsammans med hållbarhet. 20

3.4 Pedalerna De flesta moderna cykelpedaler man ser i vardagen är av någon slags plast. Genom att ta fram designkritiska egenskaper och ställa upp dem på CES kan man se ifall det finns något lämpligare material eller om det som används idag faktiskt är det bästa 3.4.1 Designkritiska egenskaper på cykelramen Designen av pedalen bygger på säkerhet, ergonomi och att de ska vara halksäkra. Det är viktigt att pedalen är konkav då det greppar foten vilket ger en bättre känsla för cyklisten 2. De andra designkritiska egenskaperna är att pedalen måste klara av tyngd, olika temperaturer, ej vara spröd i minusgrader och kunna fästa gummi som halkskydd. Med hjälp av datorprogrammet CES kan man enkelt se och jämföra olika material för att hitta det som lämpar sig bäst för ens produkt. 3.4.2 Grafer Fig. 16: Y-axel Fracture toughness, X-axel Fatigue För att kunna ta fram det lämpligaste materialet för pedalen har man med hjälp av graferna ovan mätt hur mycket materialet tål (Y-axeln) och materialets utmattningsgrad (X-axeln). Den första grafen visar alla material och den andra har man begränsat materialen till det som passar bäst. I detta fall då ett material till pedalerna ska tas fram är plaster det lämpligaste valet då det är lättast att arbeta med och även mest ekonomiskt. 21

Fig. 17: Y-axel Fracture toughness, X-axel Fatigue strength at 10^7 cycles I grafen ovan ses alla de material jag valt som kandidater till pedalen. Där finns även pedalens originalmaterial, för att enklare kunna jämföra den med de andra materialen. 3.4.3 Rangordna Nedan syns de vanliga användningsområdena för de material som man utifrån CES anser vara lämpliga som materialval för cykelpedalen. Polylactide (PLA) Plastpåsar, plastkrukor, blöjor och flaskor. Polyetereterketon (PEEK) Elektriska kontakter och varmvattenberedare. Polykarbonat (PC) Skyddsglasögon och skyddshjälmar. Polyamid (Nylon, PA) stolar, tandborstar och handtag. Polyoximetylen (Acetal, POM) dörrhandtag, dragkedjor, kvalitets leksaker. Polypropen (PET) flaskor, kreditkort och tangentbord. Enligt grafen ovan är 4 material markerade varav 3 som passat ens krav och ett som pedalen är tillverkad av. De tre materialen man har valt att titta närmare på är: 1. Polyamid (Nylon, PA) 2. Polyoximetylen (Acetal, POM) 3. Polyetylentereftalat (PET) 22

3.4.4 Dokumentationsfasen Polyamid (Nylon, PA) Nylon är starka, har en låg friktionskoefficient och klarar av temperaturer mellan -80 till +120C. Det är ett material som är enkelt att arbeta med och används till bl.a. stolar, tandborstar, handtag, fiskelinor och kablar. Nylon absorberar ca 4 % vatten och för att förhindra dimensionella förändringar måste den bli konditionerad innan gjutning, vilket ger dem möjlighet att etablera jämvikt med normal luftfuktighet. Starka syror och andra kemikalier är något som nylon är svag mot. Det är vanligt att stärka nylonet med bl.a. mineraler och glasfibrer, detta ökar då materialets styrka och densitet. Priset på nylon ligger mellan 29,6-32,5 kr/kg. Polyoximetylen (Acetal, POM) Polyoximetylen påminner mycket om nylon men är styvare och mer trötthets- och vattenresistent. Men nylon har dock bättre slag och nötningsresistens. POM är ursprungligen grått men går bra enkelt att färga. Den höga kristalliniteten leder till att materialet krymper vid nedkylning. Materialet måste då bearbetas i en temperatur från 190-230 C och bör torka innan den formas då det är hygroskopiskt vilket betyder att det drar till sig fuktighet. POM används vanligtvis till dörrhandtag, dragkedjor, kvalitets leksaker och bilbälten. Priset på polyoximetylen ligger mellan 20,6-22,7 kr/kg. Polyetentereftalat (PET) Polyetentereftalat används oftast till tunnare produkter som t.ex. flaskor, kreditkort och tangentbord. Materialet är hårt, starkt och lätt att forma. Det har låg vattenabsorption och värmeutvidgningskoefficient. Materialet är dessutom kemikalieresistent och dimensionsstabil. Det är även vanligt att man återanvänder materialet till bl.a. fleece för kläder. Priset på PET ligger mellan 13,5-14,8kr/kg. 3.4.4 Slutligt materialval (resultat) Material Densitet kg/m^3 Temperatur Max C Temperatur Min C Styrka Yield Strength MPa Pris SEK/kg Tabell 1. De olika materialens egenskaper. (Den gråmarkerade raden är pedalens originalmaterial) Genom att studera graferna och tabellen ovan kan man göra sitt slutliga materialval. Jag har valt att lägga mest tyngd på priset då jag anser att det är en utan de viktigare egenskaperna. Detta för att just Monarks cyklar ofta är dyra, vilket hade gjort cykeln ännu dyrare om vi t.ex. hade tillverkat pedaler av materialet PA (se tabell 1). Om jag inte utgick från priset hade jag vald PA då det är starkast vilket man kan se på figur 2. Men eftersom jag lagt tyngden på priset kommer PET att bli mitt slutliga val. Den har en väldigt hög fracture toughness och utmattningsgrad vilket är viktigt då pedalen måste klara av tyngd. I tabellen ovan kan man även se att PET lämpar sig för Sveriges väder och att den även är återvinningsbar. Alla de fyra material jag valt som kandidater till pedalen är lätta, vilket även är en viktig egenskap då man strävar efter en cykel som väger så lite som möjligt. Återvinni ngsbart PA 1,12e3-1,14e3 110-140 -123 - -73,2 50-94,8 29,6-32,5 POM 1,39e3-1,43e3 76,9-96,9-123 - -73,2 48,6-72,4 20,6-22,7 PET 1,29e3-1,4e3 66,9-86,9-123 - -73,2 48,3-72,4 13,5-14,8 PP 890-910 100-115 -123 - -73,2 20,7-37,2 10,4-12,2 23

3.4.5 Jämför med materialet på originalcykeln Det material pedalen är tillverkad av är polypropen (PP), något som inte hade varit mitt förstahandsval. [3] För det första tänker man att man ska ha ett så starkt material som möjligt för att klara av vikt, men å andra sidan är det inte en så stor tyngd materialet måste klara av, kanske max 100 kg? PP var det material som i min graf var det svagaste, men som tydligen visar sig vara tillräckligt starkt för att ändå fungera som pedal. PP är lättare än PET och även billigare i pris men det skiljer en del gällande styrkan. När det endast skiljer ca 3 kr mellan PP och PET kunde man nästan ha tagit PET som material då det ändå är starkare, men som tidigare nämnt, det räcker nog med PPs styrka gällande en pedal. Jag förstår nu varför de valt PP men jag håller ändå fast vid att PET även hade varit ett bra material. Men jag valde pris som viktigaste egenskapen och det kan även vara någonting tillverkarna gått efter. 24

3.5 Hjul/fälg 3.5.1 Designkritiska funktionskrav på hjul/fälg Designkritiska egenskaper som den delen av en cykel bör innehålla är: den ska tåla en viss tyngd (både användaren och ramen) den ska användas utomhus, på grund av detta produkten/materialet måste: - vara vattentålig - tåla hög och låg temperatur (+50 - -30) den ska vara relativt billig att tillverka (ska inte bli dyrare att tillverka i det nya materialet) dess miljöpåverkan ska vara så liten som möjligt Designkritiska egenskaper: elasticitet styvhet densitet pris hårdhet högst och lägst användningstemperatur återanvändningsmöjlighet Nuvarande material Materialet som används för närvarande är aluminium. Dess egenskaper är: Densitet 2,5e3 2,9e3 kg/m 3 Young s modulus/styvhet Yield strenght/elasticitet Hårdhet (Vickers) Maximum service temperature (högst användningstemperatur) Minimum service temperature (lägst användningstemperatur) Pris Återanvändning Tabell 1: Egenskaper på aluminium. 68-82 GPa 30-500 MPa 12-150,5 HV 120-210 C - 273 C 13,9-15,4 SEK/kg 25

3.5.2 Grafer För att hitta ett eller flera material som skulle kunna användas som ett alternativ till aluminium har CES EduPack Level 3 databas använts. Det första steget var det att filtrera material efter pris och densitet. Det alternativa materialet ska ha densitet av minst 2500 kg/m 3 (dvs. samma som aluminium), det ska även vara relativt billigt att tillverka hjulet i det alternativa materialet. Fig. 18: X-axeln: pris (sek/kg), Y-axeln: densitet (kg/m 3 ). Resultat av detta steg är ett urval av 1997 material. Nästa egenskaper som ska användas för att vidare begränsa urval av material är hårdhet (Vickers) och fracture toughness (brottseghet). Materialets hårdhet ska motsvara hårdheten av aluminium, dvs. ligga på minst 12 HV. 26

Fig. 19: X-axeln: hårdhet (Vickers, HV), Y-axeln: brottseghet (MPa.m 0.5 ). I det tredje steget jämförs material angående deras återanvändningsbarhet och högsta användningstemperatur. De materialen som inte är återanvändbara samt de som har en användningstemperatur lägre än 70 C har eliminerats. Fig. 20: X-axeln: återanvändningsbarhet, Y-axeln: högsta användningstemperatur ( C). 27

Under steg fyra har material jämförts angående vattentålighet (y-axeln) och lägsta användningstemperatur (minimum service temperature, C). Fig. 21: X-axeln: lägsta användningstemperatur ( C), Y-axeln vattentålighet. I nästa steg har de återstående materialen jämförts angående Young s modulus och yield strenght. Alla material med young s modulus lägre än 68 GPa och yield strenght lägre än 30 MPa har eliminerats. Fig. 22: X-axeln: young s modulus (GPa), y-axeln: yield strength (MPa) 28

Efter det steget återstår över 1600 material. För att begränsa antalet tillgängliga material ska bara material som tillhör metaller valts. Även alla material med pris högre än 15 SEK/kg har eliminerats; efter det steget återstår 658 material. Dessa material kan kategoriseras i 3 grupper: aluminium-, järn- och zink legeringar. Även alla material med lägsta användningstemperatur högre än -30 C har eliminerats. Resultat av detta blev ett urval av 224 material. Material som återstår är aluminium-, järn- och zinklegeringar. Fig. 23: Slutligt urval av material i Level 3 databasen. Slutligen återstår 224 material som tillhör två grupper: aluminium-, järn- och zinklegeringar. Om samma faktorer används vid urval av material på Level 1 i CES databas, visas bara åtta material som tillhör samma tre grupper som ovan. 29

Fig. 24: Fig.9: Urval av material i Level 1 databasen. Däremot resultat av användning av Level 2 databas blir 12 material som också tillhör de tre grupperna. Fig. 25: Urval av material i Level 2 databasen. Oavsett vilken databas (level 1, 2 eller 3) som används, material som återstår tillhör tre grupper: järn-, aluminium- och zinklegeringar. 30

3.5.3 Rangordna För att underlätta val av det alternativa materialet ska resultat från Level 2 databasen användas. Material har valts enligt deras nuvarande användningsområde. Comercially pure zinc Densitet 7,13e3 7,15e3 kg/m 3 Young s modulus/styvhet Yield strenght/elasticitet Hårdhet (Vickers) Maximum service temperature (högst användningstemperatur) Minimum service temperature (lägst användningstemperatur) Pris Återanvändning Tabell 2: Comercially pure zinc, egenskaper. 90-107 GPa 75-166 MPa 20 50 HV 80-110 C -55,2-43,2 C 12,4 13,7 SEK/kg Cast Al-alloys Densitet 2,5e3 2,9e3 kg/m 3 Young s modulus/styvhet Yield strenght/elasticitet Hårdhet (Vickers) Maximum service temperature (högst användningstemperatur) Minimum service temperature (lägst användningstemperatur) Pris Återanvändning Tabell 3: Cast Al-alloys, egenskaper. 72-89 GPa 50-330 MPa 60-150 HV 130-220 C - 273 C 14-15,4 SEK/kg 31

Age-hardening wrought Al-alloys Densitet 2,5e3 2,9e3 kg/m 3 Young s modulus/styvhet Yield strenght/elasticitet Hårdhet (Vickers) Maximum service temperature (högst användningstemperatur) Minimum service temperature (lägst användningstemperatur) Pris Återanvändning Tabell 4: Age-hardening wrought Al-alloys, egenskaper. 68-80 GPa 95-610 MPa 60-160 HV 120-200 C - 273 C 13,9-15,4 SEK/kg Zinc die-casting alloys Densitet 4,95e3 7e3 kg/m 3 Young s modulus/styvhet Yield strenght/elasticitet Hårdhet (Vickers) Maximum service temperature (högst användningstemperatur) Minimum service temperature (lägst användningstemperatur) Pris Återanvändning Tabell 5: Zinc die-casting alloys, egenskaper. 68-100GPa 80-450 MPa 55-160 HV 80-110 C - 55,2 - -43,2 C 14,2 15,6 SEK/kg 32

3.5.4 Dokumentationsfasen Material Zinc diecasting alloys Hårdhet (Vickers) Elasticitet Max. temp. Min. temp. Pris 55-160 80-450 80-110 - 55,2 - -43,2 14,2 15,6 60-150 50-330 130-220 - 273 14-15,4 Cast Alalloys Agehardening wought Alalloys Commercially pure zinc 60-160 95-610 120-200 - 273 13,9-15,4 20 50 75-166 80-110 -55,2-43,2 12,4 13,7 Tabell 6: Jämförelse av de fyra utvalda material. 3.5.5 Slutligt materialval (resultat) Baserat på pris, materialet som skulle kunna ersätta det nuvarande materialet är comercially pure zinc. Däremot är materialets hårdhet och elasticitet relativt låga. Därför kan det antas att det bästa alternativet är det att ersätta det nuvarande materialet, vilket troligtvis inte är ren aluminium utan en aluminiumlegering, med en annan aluminiumlegering vars egenskaper är mer anpassade till designkritiska egenskaper. 3.5.6 Jämför med materialet på originalcykeln Material Zinc die-casting alloys Hårdhet (Vickers) Elasticitet Max. temp. Min. temp. Pris 55-160 80-450 80-110 - 55,2 - -43,2 14,2 15,6 Commercially pure zinc 20 50 75-166 80-110 -55,2-43,2 12,4 13,7 Cast Al-alloys 60-150 50-330 130 - - 273 14-15,4 220 Age-hardening wrought Al-alloys 60-160 95-610 120-200 - 273 13,9-15,4 Aluminium/aluminum alloys (nuvarande material) 12-150 30-500 120-210 -273 13,9-15,4 Tabell 7: Jämförelse av de utvalda materialen med det ursprungliga materialet. Dominerande egenskaper markerades med fetstil. 33

Resultat av jämförelse av det nuvarande materialet och fyra möjliga alternativ visar att det bästa alternativet är Age-hardening wrought Al-alloys. Legeringen når bättre resultat när det gäller hårdhet och elasticitet medan priset på materialet är oförändrat. Commercially pure zinc är det ända materialet som är billigare än det ursprungliga men som förklaras ovan, möjligheter av att kunna anpassa det materialet till den förväntade användningsområde är begränsade. 34

4 RESULTAT Utifrån rapportresultatet på varje komponent går det att dra slutsatsen att inget av våra slutgiltiga materialval är det samma som produktens originalmaterial. Detta berodde främst på att vi troligast haft krav som producenten inte haft på material som uppfyller valda parametrar. Studerar vi tabellerna och diagrammen ser vi att originalmaterialet ofta visat ett lägre värde än det material vi valt som kandidat. Kort sammanfattning av resultatet på varje enskild del: Handtag på styre: Kraven som ställts på materialet är helt inom rimliga gränser. Anledningen till att originalmaterialet inte fanns med bland resultaten i slutänden var att det helt enkelt inte uppfyllde de designkritiska kraven på två punkter. Det ena kravet var att det skulle klara solljus under flera år, vilket det originella materialvalet inte gjorde. Den andra punkten var att materialet skulle ha en hög elastisk töjning. I tillvalsprocessen valdes ett värde som ansågs rimligt, men i originalmaterialet var mycket högre, alltså mycket mer töjbart. Stål formen: Resultatet blev en del olika material men det blev tillslut titan det för att den klarar av kravet när det gäller temperatur, tyngd och rost. Men tillverkaren valde ett billigare material som är gjord av stål som inte är lackad och det gör att den rostar lätt. Ram: Med avseende på de designkritiska parametrar som ställts kan man utifrån tabell ta fram det resulterande materialet stål som passande för en cykelram stål. Det visade högst mekaniska egenskaper i relation till pris, men då producenten ansett reduktion i vikt som en större aspekt överensstämmer inte materialet med original. Cykelpedalen: Anledningen till att man inte fått samma resultat som det originella materialvalet var att man från början troligtvis ställt för höga krav. Efter att ha ställt upp de designkritiska kraven valde man det material som var starkast, något som tillverkaren inte gjort. Det behövde alltså inte vara så starkt som det material jag valt som lämpligt. Hjul: Resultat av en undersökning i CES-databasen med fokus på att välja ett alternativmaterial är oklara. Orsaken till detta kan vara det att materialspecifikation från tillverkaren inte är exakt. Enligt tillverkaren produceras hjulet i aluminium; chansen att hjulet tillverkas i rent aluminium är liten. Det kan antas att det är någon aluminiumlegering som används. Resultat av denna brist på information blev ett urval av flera material och legeringar som skulle kunna användas för att tillverka hjulet, däremot är det omöjligt att välja ett särskilt material utan att veta vad ursprungsmaterialet är. 35

5 KÄLLFÖRTECKNING [1] Mailkontakt, Ulrik Bengtsson, (Product Manager), Cycleurope Sverige AB, (2014-11-27) [2] http://www.slideshare.net/parya123/material-selection-for-a-bicycle (2014-12-04) [3] Mailkontakt, Ulrik Bengtsson, (Product Manager), Cycleurope Sverige AB, (2014-11-25) BILDFÖRTECKNING Fig. 1: http://www.cykellagret.se/productfiles/images/d/d1cefbc1-cc77-496a-9a50- ae9b24d3ab0a_large.jpg, (2014-11-25) Fig. 2: Bild tagen av Marlene Zufic.(2014-11-21) Fig.13:http://depts.washington.edu/matseed/mse_resources/Webpage/Bicycle/Bicycle%20Materials% 20Case%20Study.htm (2014-12-04) 36