Riktlinjer för multimaterialkonstruktion

Riktlinjer för multimaterialkonstruktion Tomas Luksepp, Heléne Karlsson, Elisabeth Sagström, Erik Marklund, Joakim Hedegård, Dimitra Ramantani, Sören Nilsson, Gunnar Bolmsjö, Eva Lindh Ulmgren Håkan Fernström, Gary Linnéusson Rapport nr 1322 Utveckling av Fogningsmetoder för kombination av Olika material till Hybridlösningar Ett LIGHTer initiativ [UFoH] 1

Sammanfattning Rapporten Riktlinjer för multimaterialkonstruktion är ett resultat från projekt UFoH - Utveckling av fogningsmetoder för kombination av olika material till hybridlösningar Ett LIGHTer initiativ. Syftet är att ge en översikt över olika aspekter på fogning av olika material till varandra med fokus på fogning av komposit mot metall. Rapporten inleds med en beskrivning av produktutvecklingsprocessen, går vidare till olika fogningsprocesser (skruvning, limning, och innovativa förband) och till håltagning i komposit och slutar med hur man undviker korrosion i multimaterialförband. Summary The report Guidelines for multi-material design is a result from the project UFoH - Development of joining techniques for combining different materials to hybrid solutions - A LIGHTer initiative. The objective is to provide an overview of various aspects when joining different materials to each other with focus on joining of composite material to metal. The report starts by describing the product development process, continues describing different joining processes (bolting, adhesive bonding, and innovative joining methods) and to hole making by drilling in composite and closed with how to avoid corrosion in multi-material joints. 2

Innehållsförteckning 1 PROJEKTUFOH... 5 2 PRODUKTFRAMTAGNINGSPROCESSENSÖKADEBETYDELSEVIDUTVECKLINGAV PRODUKTERMEDMULTIMATERIAL... 6... 7... 10... 10 3 INTRODUKTIONTILLKONSTRUKTIONAVMULTIMATERIALPRODUKTER... 12 4 5 6... 13... 17... 17... 18... 19 SKRUVFÖRBANDMEDMULTIMATERIAL... 20... 20... 26... 29... 30... 34 LIMNINGAVMULTIMATERIALFÖRBAND... 49... 49... 50... 50... 52... 53... 54... 55... 55 INNOVATIVAMULTIMATERIALFÖRBAND... 58... 58... 58... 61... 62 3

7 HÅLTAGNINGIKOMPOSITMATERIAL... 64... 64... 66... 66 8 KONSTRUKTIONFÖRATTUNDVIKAKORROSIONIMULTIMATERIALFÖRBAND. 67... 67... 69... 70... 72 9 REFERENSER... 73 BILAGA1,PUGHSMATRIS... 80 Bilageförteckning Antal sidor Bilaga 1 Exempel Pugh-matris 1 4

1 ProjektUFoH Produkter med lätt vikt och bra miljöegenskaper kräver teknologi och kompetens från en mängd discipliner. För att kunna använda "rätt material på rätt plats" är av största vikt att kunna foga samman olika materia. Flera industrisektorer har identifierat hybridfogar av metall till fiberkomposit som speciellt intressant för att nå betydande viktreduktion. Utmaningen för alla sektorer består i att få en kostnadseffektiv industriell tillverkning av hybridmaterial. För att möta internationell konkurrens måste resurser samordnas och sektorsöverskridande samarbeten utvecklas. Projektet Utveckling av fogningsmetoder för kombinationer av olika material till hybridkonstruktioner UFoH är ett initiativ skapat inom den branschöverskridande lättviktsarenan LIGHTer. UFoH är ett samverkansprojekt inom VINNOVA:s program Utmaningsdriven Innovation. Projektet är finansierat av VINNOVA och projektets partners. UFoH ska: utveckla starka och kostnadseffektiva fogar mellan metall och komposit genom teknisk utveckling av håltagning i komposit, skruvade förband, limmade förband och innovativa förband. effektivisera teknikframtagning genom multidisciplinärt samarbete mellan fordons- marin- och flygindustri, leverantörsnivåer, universitet och industriforskningsinstitut. utveckla människors kompetens och kompetensstruktur runt lättviktskonstruktion och hybridfogar för att möjliggöra produktutveckling och produktion i stor skala i Sverige. utveckla nödvändig leverantörsstruktur i Sverige för att säkra tillgång vid produktutveckling och möjliggöra en svensk leverantörsbas. Deltagare i UFoH är: Swerea (Projektägare) Kungliga Tekniska Högskolan Luleå Tekniska Universitet Högskolan Väst Innovatum Teknikpark Comprasers Ekonomiska förening Svenskt Marintekniskt Forum GKN Aerospace Volvo Cars Scania Kockums Dockstavarvet Sapa Profiler Diab Lamera Semcon Projektet startade den 1 november 2011 och avslutas den 31 december 2013. 5

2 Produktframtagningsprocessensökadebetydelse vidutvecklingavproduktermedmultimaterial Kundvärdet är starkt sammanbundet med hur väl produktframtagningsprocessen fungerar. Förenklat är det viktigaste att identifiera och ta fram det kunden vill köpa. Om kundbehovet inte identifieras tillräckligt väl är risken stor att det skapas förluster i form av resurser, pengar och tid som aldrig kan ersättas och konkurrenterna får försprång. Omfattande forskning inom produktutvecklingsområdet har identifierat ett antal grundmekanismer som genererar kortare ledtid och effektivare processer. I grunden är det två former av slöserier som skall bekämpas, kunskapsbrist och processineffektivitet. Kunskapsbrist kan vara i form av otillräcklig kännedom om t.ex. kundbehovet, kravspecifikation, teknikkunskap och tillverkningsaspekter. Processineffektivitet kan vara ett resultat av ooptimerade delprocesser i produktutvecklingsflödet, balanseringsförluster mellan dessa processer, väntetider, kommunikationsstrukturer, organisationens förmåga att identifiera kunskapsgapet etc. Vid arbete med multimaterialprodukter ökar tydligt kraven på prestanda hos produktframtagningsprocessen. Konstruktionsprocessen ställer större krav på den tekniska specifikationen då det finns en kunskapsmängd som inte nätt hela vägen för en tillförlitlig konstruktionsbedömning i tidigt skede. Därutöver utmanas rådande upparbetade strukturer i produktionssystemen i större omfattning än vad dagens kända material gör. Därför är det mycket viktigt att ta till sig det senaste på forskningsfronten för att åstadkomma kortare ledtider. En viktig byggsten är Lean Product Development (LPD) utvecklat av Toyota [1][2]. Det finns också forskning som undersöker hur de tidiga faserna som föregår produktutveckling fungerar och kan förbättras för att möjliggöra bättre produktframtagningssystem, kallat FFE (Fuzzy Front End) [3][4][5][6]. Därutöver finns forskning som studerar beteendet som ofta uppstår i produktutvecklingssystem såsom; svårigheter med resurshantering inom produktutveckling och varför det blir mycket sena ändringar [7][8][9]; ingen belönas för att eliminera problem som aldrig sedan uppstår [10]; varför alltid sent och över budget? [11]; förstå och leda innovationsprocessen [12]; mätetalens betydelse för optimering av produktionsutvecklingssystemet [13][14]; och att dessa beteenden påverkas av resurser och arbetssätt som organisationen har byggt upp över tid, s.k. dynamic cababilities [15]. Varför belysa dessa forskningsområden? Det är viktigt att inse att totalkonsekvensen av produktframtagningsprocessen, dess systematik och beteendet däri, resulterar i totalfunktionen som skapar kundvärdet. Detta tydliggör vikten av en välfungerande struktur i produktframtagningsprocessen som stödjer fokus på ledtiden och underlättar beslutsfattande genom att möjliggöra beslut så sent som möjligt när kunskapsmängden är som störst. Produktutveckling är en nyckelprocess som till mycket stor del avgör möjligheterna att minimera kvalitetsbristkostnaderna, där mer än 70 % av en produkts totalkostnad, vid beaktande av hela livscykeln, definieras i tidigt skede [16]. Sammanfattat innefattar produktframtagningsprocessen mycket komplexitet och ökat fokus krävs på systemnivå där förbättrad kunskap behövs för att möjliggöra ett mer proaktivt 6

produktframtagningssystem. Den ökande komplexiteten multimaterialkonstruktioner medför tydliggör än mer detta behov. 2.1 Ökadekravochalternativ 2.1.1 Konceptutvecklingsfasen Produktframtagningsprocessens första del kan beskrivas innefattas i FFE, vilket är den fas i produktutveckling där idéer och grundkoncept kommer fram. FFE står för Fuzzy Front End och avser den aktivitet som föregår beslutet om att starta ett produktutvecklingsprojekt [3] ofta benämnt som processen för innovation. Mycket av förutsättningarna för ett lyckat och kostnadseffektivt produktutvecklingsprojekt avgörs av hur väl FFE fungerar [6]. FFE sker ofta ostrukturerat (icke linjärt) baserat på individers idégenerering, identifierade möjligheter och bearbetning av dessa idéer till ett möjligt koncept som sker kontinuerligt och samtidigt [4]. FFE-fasen är inte sällan präglad av beslutsfattande på felaktiga grunder p.g.a. bristfällig information, som får negativa effekter i organisationen när projekten går i produktutvecklingsfas [3]. Därför är det alltid av stor betydelse att man har en bred representation av intressenter från olika kunskapsområden i denna första fas för att redan från start få en så tydlig bild av vad som kan påverka längre fram om en viss inriktning tas. Involvering av produktion är kritiskt, men det kräver ledningens fokus på att innovation inte hämmas vilket är en ökande risk [17]. För att säkerställa ett välfungerande produktframtagningssystem krävs att ledning uppmuntrar och stärker relationen mellan produktionsutveckling och produktutveckling [5]. Vid beslut inför övergången mellan FFE och produktutvecklingsprojekt innefattas omfattande komplexitet att behandla, såsom: frågor rörande marknaden, kunden, konkurrenter, teknologi, produkt, tillverkning, lagstiftning, försörjningskedja, leverans, service och andra aspekter [4]. Därför är det naturligt att kvalitén i grundarbetet under FFE är kritiskt för fortsatt resultat i resten av framtagningsprocessen [18][19]. När det gäller multimaterialprodukter blir denna kraftsamling i FFE ännu viktigare och mer uppenbart avgörande för fortsatt resultat i resten av framtagningsprocessen. Multimaterialprodukter kräver specialistkompetenser inom tvärvetenskapliga områden för att klokt värdera en konceptlösning. Det behövs till exempel representanter som kan kundbehov, stål- och kompositmaterial, fogningsteknik, korrosion, konstruktion och produktion för att både förstå produktkraven och konsekvensen av olika konceptval men även för att få en rimlig hastighet på projektet utan att hamna på för osäker mark. Om kunskap och fakta inför konceptval inte behandlas på ett strukturerat sätt är risken stor att en specifik lösning låses för tidigt. Vilket resulterar i stor risk för kostsamt omarbete. 2.1.2 Beslutomproduktutvecklingsprojekt Att utveckling av multimaterialprodukter är mer komplext ställer större krav inför beslut om att starta ett projekt medför att det finns en än större potential att ta till sig arbetssättet inom LPD (Lean Product Development), såsom: Front-Loading, set-based design och checksheets. Metoder som kan möjliggöra tidigareläggning 7

av beslut om att starta ett projekt genom principen att låsa en konstruktionslösning så sent som möjligt, se illustrering i Figur 1 nedan. UFoH-projektet har testat användning av Pughs matris, se Bilaga 1, som verktyg för konceptutvärdering. Genomlysning av fakta i en tvärfunktionell grupp med hjälp av Pughs matris kombinerat med en produktframtagningsprocess som möjliggör ett mer strukturerat arbetssätt och faktainsamling under utvecklingen av projektet har en mycket stor potential att reducera ledtiden och reducera behov av dyrt omarbete vid framtagning av multimateriallösningar. Komplexiteten i multimateriallösningar innebär att kunskapen om produkten i konceptfas är mycket osäker med risken att det eller de koncept som tar sig vidare till nästa fas, se formellt PU-projekt i Figur 1, inte har förutsättning att klara av att uppfylla alla krav som finns på både produkten och produktionsupplägget längre fram. För att undvika och minimera sådana brister är det viktigt med så stor öppenhet som möjligt. Det finns en potential med att flytta beslutet om PU uppströms i FFE-fasen då fler potentiella lösningar (koncept) fortfarande finns, se Figur 1. Skillnaden i detta avseende mot mer traditionellt upplägg av produktframtagningsprocessen, att tidigarelägga beslutspunkten kan innebära att fler av de funktioner som normalt blir inblandade senare i ett projekt blir involverade från ett tidigare skede för att minimera risken för Front End Failure, d.v.s. att missa att få fram, hantera och värdera viktig grundfakta som är avgörande för vidare projektets prestation. Figur 1 Illustrering av potential med tidigareläggning av beslutspunkt inför formellt PU-projekt 8

2.1.3 Hurenmervälfungerandeprocesskanstödjautvecklingenmot produktifieringochindustrialisering Inom LPD-metodiken (Lean Product Development) beskrivs två övergripande typer av förluster eller slöserier inom en produktutvecklingsprocess. Den första orsakas av brist på kunskap/kompetens, kompetensslöserier. Motmedlet för att minimera detta slöseri är att tidigt i produktutvecklingsprocessen analysera och identifiera vilket behov av kunskap/kompetens som kommer att behövas och jämföra det med den verkliga tillgången. Gapet mellan behov och tillgång blir alltså det som skall minimeras för att säkra ett bra resultat. Det andra slöseriet som LPD tar upp är ett dåligt processflöde, processlöserier, t.ex. väntetider, ojämn belastning mellan resurser m.m., d.v.s. hur stor avvikelsen för projektet är mot ett optimerat jämnt flöde. Detta slöseri kan givetvis orsakas av bristande kompetens men handlar mer om hur väloljat och samkört ett team är. Vid produktutveckling av multimaterialprodukter ligger dock tyngdpunkten på risk för slöserier inom kompetensbrist, eller på processlöserier som orsakas av kompetensbrist. I själva produktutvecklingsfasen sker normalt dimensioneringen av produkten och anpassningen mot tillverkningsprocessen och angränsande systemlösningar samtidigt. Tillverkningsprocessen är i många fall väl inarbetad sedan lång tid och rent fysiskt mycket kostsam att göra större ingrepp/investeringar i och målet är att så långt som möjligt minimera ändringar i den. När multimaterialprodukter gör sitt inträde kommer detta arbetssätt att ställas på sin spets då kunskapen om vilka metoder som kommer att krävas totalt sett är låg. För att kunna ta till vara på de identifierade möjligheterna för att reducera ledtiden och samtidigt få fram bättre konstruktionslösningar enligt konceptet beskrivet i Figur 1 ovan krävs ett förbättrat arbetssätt i produktframtagningsprocessen. En kombination av arbetssätt (Front-Loading), konstruktionsmetodik (set-based design), kunskapsdokumentation (checksheets) och ledarskap av produktframtagningsprocessen krävs. Front-Loading, innebär att möjliga lösningsförslag tas fram och urvalsprocessen sorterar bort minst lämpade lösningar istället för att tidigt favorisera. Set-based design, innebär framtagning av kända konstruktionsgränssnitt inom vilka en dellösning kan tas fram oberoende av andra dellösningar. Checksheets, representerar kunskapsbasen med fakta om vad som är möjligt. Med denna kombination av verktyg/system skapas förutsättningar för att involvera en större mängd resurser och kompetenser i tidigt skede och ändå säkra att produktframtagningsprocessen går vidare i önskad takt. Avgörande för funktionen hos denna process är att ledarskapet agerar stödjande och aktivt [5][20]. T.ex. kan flera olika fogningsmetoder vara aktuella och det gäller att hålla olika möjligheter öppna så länge som möjligt inom en ram (förändringsfönster) som kan möjliggöra större ingrepp i både detaljutformningen och tillverkningsprocessen för att slutligen kunna sortera fram den bästa totallösningen senare när kunskapsnivån inom projektet är som störst. 9

2.2 Sammanfattningavmöjliggörareföreffektivareprodukt framtagningavmultimaterialprodukter Det är väsentligt med stor aktivitet, stor öppenhet och ett brett tvärfunktionellt deltagande i konceptutvecklingsfasen (FFE), samt viktigt att strukturera hur man tar fram kunskap inför beslut i denna fas, d.v.s. minimera första F:et i FFE (Fuzzy). Multimaterialprodukter kräver större hänsyn till fakta vid konceptval, potentialen med att dra fördel av organisationens (och extern) kunskap i tidigt skede ska inte underskattas. Att ta stöd i beslutsunderlag, se Pughs matris Bilaga 1, för att värdera konsekvenserna av olika koncept underlättar en mer objektiv och strukturerad beslutsprocess baserat på fakta. En utveckling av hur Pughs matris kan kläs med relevant beslutsunderlag bör initieras inom LIGHTer i ett fortsättningsprojekt för att möjliggöra potentialen att tidigarelägga Beslut om PU. En välfungerande produktframtagningsprocess är en förutsättning för att kunna skilja på fakta och subjektiva bedömningar, d.v.s. en objektiv beslutsprocess. Detta ställer större krav på fungerande hantering av kunskap och lärande. Det blir viktigt att sträva efter bättre dokumenterad kunskap (checksheets och set-based design) som används, för att bättre kunna identifiera de förändringsfönster inom vilka omfattning av konsekvenserna hos produkt och produktionssystem kan styras, vilket möjliggör ökad användning av arbetsmetodiken i Front-Loading, så att det traditionella utvecklingsförfarandet med mycket tidskrävande iteration kan brytas. 2.3 Utmaningaratthantera Multimaterial ställer större krav på produktframtagningsprocessens förmåga att med rimliga resurser ta fram fungerande lösningar till kund. Dessa större krav kan sammanfattas i två utmaningar: Ta fram Beslutsstöd för koncepturval, stort behov av ökad objektivitet hos fakta vid beslut för att minimera dyra omarbetskostnader, stort behov av att paketera och värdera kunskap vid utveckling av multimaterialprodukter utifrån vilken fakta som krävs vid start av produktutvecklingsprojekt. Ett beslutsstöd har en viktig funktion att fylla och bör innehålla den samlade kunskapen inom multimaterial och bli en utgångspunkt för framtida standard. Funktionen med ett sådant beslutsstöd kan också bli identifiering av det kunskapsgap som är relevant att fylla för de olika tekniska delområdena såsom fogning, förband, bearbetning, korrosion etc. Inför beslut om koncepturval ska ett sådant beslutsstöd kunna användas innan man kan gå vidare i processen, samt innefatta metodik för dess egen användning. Ledning av produktframtagningsprocessen, ökad helhetssyn är avgörande för att förstå och efterfråga en utveckling mot en mer fungerande process, där komplexiteten hos multimaterial ställer större krav på effektiviteten hos produktframtagningsprocessens funktion. Ett stöd för att underlätta utveckling av produktframtagningsprocessen specifikt för multimaterialproduktframtagning är lämpligt att ta fram för att skapa en drivkraft mot en effektivare process som tar hänsyn till grundmekanismerna presenterade i detta kapitelavsnitt. Multimaterialprodukter tydliggör vinsterna med ett mer strukturerat 10

koncepturval, p.g.a. de stora konsekvenserna bristande kunskap i tidiga faser kan medföra, samt vinsterna med att bättre identifiera de förändringsfönster i produktkonstruktionen och produktionssystemet som kan möjliggöra en bättre styrning för att minimera konsekvenserna av förändringar i konstruktionslösningen. Det finns också mjuka parametrar inom ledning av produktframtagningsprocessen som måste beaktas i ett sådant stöd. Vidare är framtida kompetensförsörjning av personer som förstår betydelsen av ledning av produktframtagningsprocessen avgörande för positiv hållbar utveckling över tid. 2.3.1 Delavbeslutsstöd:Analysavkonsekvenseriproduktionssyste met Vid analys av vilka konsekvenser ett koncept har för produktionssystemet, t ex Pughs matris, finns två avgörande kunskapsrelaterade frågor att beakta. Det första gäller att tillräcklig mängd relevant fakta finns tillgänglig, baserat på var i processen en produktframtagning är. Vid analys tidigt i processen när mängden koncept är omfattande blir kanske fokus på produktionsfrågorna mindre men det är mycket viktigt och avgörande att de aspekter som finns med redan i detta skede verkligen fångar det som påverkar kostnad och ledtid. Den andra frågan gäller kunskapen hos den eller de resurser som deltar i analysen. Att i ett tidigt skede kunna tolka den fakta som finns och relatera till konsekvenserna i de verkliga produktionssystemen är en mycket komplex uppgift. Eftersom funktionen för en produkt i ett tidigt skede oftast är den största utmaningen att lösa hamnar produktionsfrågorna kanske på en lägre prioritering. Därför krävs det antigen väldigt god erfarenhet för att ändå klara av att bedöma konsekvenserna i produktionssystemet, men med ett beslutsstöd säkerställs att dessa viktiga aspekter inte åsidosätts utan bedöms på ett mer objektivt sätt. Exempelvis så avviker multimaterialprodukter i stor utsträckning mot befintlig ersättningsprodukt eller tidigare fungerande upplägg. Inför beslut av koncepturval är det relevant att visualisera konceptförslagens förädlingsflöden i produktionssystemet. Ett beslutsstöd skulle kunna ge rekommendation inför val av analys beroende av volym och omsättning, ibland räcker en enkel beskrivning av operationsföljd, oftare kanske en sådan behöver kopplas mot de förflyttningar som krävs i lokalerna. Vid större investeringar krävs en mer djupgående simuleringsanalys för att identifiera de olika koncepten. Det är också viktigt att identifiera hur överslag av kostnader vid de olika analyserna kan utföras, för att erhålla ett relevant underlag inför beslut. 11

3 Introduktiontillkonstruktionav multimaterialprodukter Önskan att ständigt förbättra produkter med avseende på egenskaper, kostnader samt påverkan på miljön leder till en ökad efterfrågan på produkter där olika material kombineras för att lösa funktionskraven på bästa möjliga sätt. Kombinerandet av material med tillhörande sammanfogningslösningar ökar komplexiteten i produktutvecklingsprocessen. Bland annat har olika material olika längdutvidgning, vilket kan leda till problem med sammansatta produkter när temperaturen växlar. Tidigare, då valen inte var så många, kunde en erfaren konstruktör överblicka hela den konceptuella fasen. Men nu när många personer och olika kompetenser måste samverka i hela utvecklingsprocessen är det viktigt att processen är tydlig och strukturerad för att arbetet ska bli effektivt. Vid starten av produktutvecklingsprojekt är den bästa lösningen inte känd. Det är därför viktigt att konsekvent analysera olika konceptalternativ innan val av material och process görs och dimensioneringen påbörjas. Ofta underskattas betydelsen av att upprätta en god kravspecifikation, som utifrån kundens perspektiv översätter produktkrav och egenskapskrav till en teknisk specifikation. Dimensioneringskriterierna kan också ändra sig med koncept och materialval. Att finna de goda lösningarna är en iterativ process för ett multidisciplinärt team. Produktutvecklingsprocessen kan delas upp i två olika utvecklingsloopar där den första genererar ett konceptuellt val och en teknisk specifikation och den andra en dimensionerings- och processanpassning. Denna uppdelning i konceptutveckling och produktutveckling blir speciellt viktig i högvolymsproducerande industri som fordonsindustrin. Med olika material, fogmetoder och integration av funktioner ökar komplexiteten. För att utveckla nya produkter ökar därmed också kompetens- och resursbehovet. Den nödvändiga kunskapen sitter hos många olika personer och det kan finnas behov att generera ytterligare ny kunskap. Krav på konstruktioner med lägre vikt medför nya material samt nya formningsoch sammanfogningsmetoder, vilket i sin tur innebär förändringar i etablerad industriell infrastruktur med tillhörande investeringsbehov. Större och mindre teknologiskiften som kommer är en stor utmaning för hela det industriella systemet i alla led, allt ifrån tillverkning till produkt- och processutveckling, leverantörsstruktur m m. Företagen behöver både översiktliga och detaljerade kunskaper kring lättviktsteknologi, inkluderat ekonomiska aspekter, för att genomföra teknologiskiften med minimalt risktagande både tekniskt och ekonomiskt. Tidsanpassningen av teknologiskiftena blir också avgörande för industrins framtida konkurrenskraft. 12

3.1 Produktutvecklingsprocessenurettmultimaterialoch sammanfogningsperspektiv. Figur 2 Schematisk bild av utvecklingsprocessen. Syftet med produktutvecklingsprocessens första cykel, konceptutvecklingen, är att utveckla en konceptuell lösning som är både tekniskt och ekonomiskt försvarbar för den valda tillverkningsprocessen. Detta innefattar upprättandet av en kravspecifikation som bör vara så komplett nedbruten till tekniska krav som möjligt innan själva dimensioneringsarbetet inleds. Denna kravspecifikation ska innefatta både produktens funktions- och egenskapskrav och de krav som 13

konceptvalet medför. En väl genomarbetad teknisk specifikation är en förutsättning för systematisk målstyrning av utvecklingsarbetet. I själva produktutvecklingsfasen dimensioneras produkten samtidigt som den anpassas till tillverkningsprocessen och angränsande systemlösningar. Ofta talas det om processdriven produktutveckling där man anpassar produkten till den befintliga processen för att minimera behovet av investeringar. Olika komponenter utvecklas parallellt och har då i utvecklingsskedet en tilldelad packningsvolym. För att förbättra lösningarna under utvecklingsprocessen uppkommer många önskemål om ändringar i respektive packningsvolym eller i interaktionen mellan komponenter. Listan på antalet ändringar kan bli lång. Problem och oklarheter som förts vidare från konceptfasen kan kraftigt påverka projektets tidplan och ekonomi i produktutvecklingsfasen. Orsaken till dessa problem undviks med en bättre genomarbetad teknisk kravspecifikation. När det gäller sammanfogning bör respektive ingående metod vara ett komplett system. Till exempel räcker det inte med att bara välja ett lim själva fogutformningen och hela ytbehandlings- och tillverkningsprocessen ingår också i systemlösningen. Den generella beskrivningen nedan utgör en stomme eller ramverk som de specifika material- eller sammanfogningsutmaningarna kan hängas upp på. Beskrivningen är inte fullständig och observera att stegen är iterativa och utvecklingen kan föregå parallellt och i loopar. Den generella produktutvecklingsprocessen kan se ut som följer: KONCEPTUTVECKLING PRODUKTUTVECKLING ITERATIVA SUPPORTPROCESSER Nedan beskrivs de olika stegen inom respektive rubrik mer detaljerat: KONCEPTUTVECKLING Steg 1. Funktionsbeskrivning En krav- och egenskapsspecifikation av produkten som primärt definieras ur kundens synvinkel. Exempel på krav och önskemål som kan ingå: Produktplanläggning; prestanda; klimat och miljö; mått och toleranser; livslängd; hållbarhet; utseende; antal; hållbar design ur ett ekoperspektiv; kostnad. 14

Steg 2. Teknisk specifikation Kundparametrarna bryts ner till en detaljerad teknisk specifikation för produkten, komponenterna och fogarna som ska konstrueras. Exempel Lastnivåer globalt; styvhet; slag; utmattning; kryp; driftsförhållanden, t ex temperatur/miljöeffekter, korrosion, kemikalier; processförutsättningar, (verktyg, produktion, infrastruktur, leverantörer); seriestorlek; cykeltider; förbehandling; automationsnivå; toleransförutsättningar; hälsa/arbetsmiljö, m m. Steg 3. Konceptgenerering En inventering av möjliga lösningar. Identifiera uppbyggnadsalternativ: materialval och processande av material, material, formning och sammanfogning koncept, ingående komponenter, modularisering, tillverkningsprocesser, sammanfogning (utnyttja materialens inneboende fördelar) fördelar nackdelar realistiska konceptkandidater Steg 4. Konceptutveckling och evaluering Lovande konceptförslag utvecklas och värderas: funktionsbeskrivning, ingående komponenter och dess samverkan förfinat materialval och processer konstruktionselement balkar, förstyvningar, energiupptag, etc verktyg och produktionsutrustning integration av funktioner, funktionalitet fördelning mellan delkomponenter sammanfogningsalternativ o teknik o ytbehandling o längdutvidgningseffekter, globalt/ lokalt o limmets temperaturegenskaper geometrisäkring service, reparation, fail safe (automatisk säkerhetsanordning) infrastruktur, investeringar, ekonomi prototyper, modeller potentiella leverantörer, utvecklingspartners preliminär specifikation fördelar nackdelar m m. 15

Steg 5 Konceptval Systematiskt jämföra koncepten och besluta om huvudspår: infrastruktur, investeringar genomförbarhet teknik, kompetens (inkl. hantering kunskapsluckor) genomförbarhet ekonomi, produktpris leverantörsstruktur framtagning av en omfattande och detaljerad teknisk kravspecifikation Oftast har produktutvecklingen påbörjats innan konceptfasen slutförts. I så gott som alla projekt är kravspecifikationen ofullständig då produktutvecklingen startar, vilket leder till onödigt och ibland kostbart itererande i produktutvecklingsfasen. Ett enkelt sätt att jämföra olika konceptlösningar är att upprätta en så kallad Pughs matris [21]. Den nya lösningen jämförs egenskap för egenskap med en referens lösning (bättre, likvärdig, sämre) där de olika egenskaperna har bedömts och tilldelas en viktsfaktor. En första summering ger en indikation om konceptets konkurrenskraft. Matrisen synliggör behovet av vidare undersökningar och analyser. Ett exempel på Pughs matris finns i Bilaga 1. Referens [22] och [23] ger en utförlig beskrivning av konceptkonstruktion och val av material och tillverkningsmetoder. PRODUKTUTVECKLING Steg 6 Konstruktion och dimensionering Dimensioneringsförutsättningar i kontinuerligt uppdaterad teknisk kravspecifikation: design av moduler/komponenter utifrån produktionsprocess och tillgänglig packningsvolym. val av konstruktionslösningar i detalj, geometrisäkring produktionsutrustning och verktyg sammanfogningstekniker o design av foggeometri alternativt fogkoncept o längdutvidgning, global check ändringar modifieringar, interaktion med angränsande system. ITERATIVA SUPPORTPROCESSER Iterativa supportprocesser används både vid koncept- och produktutvecklingen. Simulering, beräkning och virtuell verifiering Modeller Provning, verifiering och validering Testning och provning av delsystem, produkt, tillverkningsprocess 16

3.2 Materialval Intresset för nya material ökar stadigt. En klar trend är kombinationen av flera materialslag i samma konstruktion med fler och fler integrerade funktioner. Kanske allra mest drivande på att ta fram lättviktslösningar är transportindustrin där viktsreduktionen är betydelsefull för att göra produkterna bättre ur miljö- och hållbarhetsperspektiv. Detta har myntat begreppet, MMD, som står för Multi Material Design. Idag är ca 90 % av alla konsumentprodukter sammansatta av flera delar och då ofta av olika materialslag i samma konstruktion. Det finns många material att välja mellan, upp mot 90 000 stycken. Skillnaden i längdutvidgning (CLTE, Coefficient of Linear Thermal Elongation) för olika material kan ställa till med problem om sammansatta produkter utsätts för stora temperaturväxlingar. Det är främst raka styva sammanfogade sektioner som kan bli problematiska, speciellt då produkten börjar få lite större dimensioner. Den generella beskrivningen av produktutvecklingsprocessen ovan i avsnitt 3.1 är i hög grad giltig för de flesta produktutvecklingsprojekt. När erfarna konstruktörer arbetar med kända konstruktionslösningar och material kan de förenkla och korta ner denna process avsevärt. Konstruktörer med stor kompetens inom många olika sammanfogningsområden är dock ovanliga, i alla fall då många olika material ska beaktas samtidigt. Med många personer och kompetenser involverade i utvecklingen av avancerade multimaterialprodukter är det mycket viktigt att följa en tydlig och strukturerad process för att driva produktutvecklingen innovativt och effektivt. När ett projekt övergår från konceptfas till produktutvecklingsfas är materialvalet i princip gjort och samtidigt måste lösningarna för sammanfogning också vara definierade system. 3.3 Sammanfogningsmetoder Ofta när man har för avsikt att foga samman en produkt eller konstruktion har erfarenheten visat att man inte tänkt igenom hela sammanfogningskonceptet med alla processkrav från grunden, det vill säga kravspecifikationen är ofullständig eller upprättas för sent. Detta belastar utvecklingsprocessen med korrigeringar och extrakostnader. Eftersom själva utformningen av fogen och produkten starkt kan påverka egenskaperna och därmed dimensioneringen, interagerar konceptlösningen med dimensioneringen. Därför är MMD utmanande. Antalet fogningsmetoder begränsas till tre stycken huvudgrupper; limning, mekanisk fogning och svetsning. Det finns också en fjärde metod kombinationsförband, där limning kombineras med mekanisk fogning eller svetsning [24]. Fogningstårtan nedan visar på ett bra sätt hur olika material kan kombineras i samma konstruktion t ex. tårtbiten komposit mot metall. Traditionellt har svetsning varit en dominerande metod, men oftast är det mycket olämpligt eller helt omöjligt att försöka svetsa ihop helt olika material. Mekaniska förband och limning fungerar i många fall bra och blir därmed en förutsättning för att kunna sammanfoga många materialkombinationer. Mekaniska förband kan vara flera olika tekniker t ex. skruvförband, nitning, kombinationsförband med lim och 17

innovativa multimaterialförband där olika material sammanfogas under själva tillverkningen av produkten. Figur 3. Fogningstårtan ger en översikt över olika fogningsmetoder som kan användas för fogning av olika material. [25][26]. 3.4 Termiskaeffekter En produkt kan utsättas för temperaturväxlingar både under tillverkning (t ex vid härdning av lim) och under användning. För en produkt bestående av material med olika längdutvidgningskoefficient är det extra viktigt att säkerställa att inte temperaturberoende geometriförändringar förstör fog eller material eller inverkar negativt på funktionen. Stora temperaturväxlingar kan leda till problem med långa, raka fogar i styva sektioner om material med olika längdutvidgning har sammanfogats. Punktformiga sammanfogningsmetoder kan möjligtvis tillåta en temporär gäspning i strukturen som inte leder till geometriförändringar, men då kvarstår ofta tätningsbehovet. Det är också möjligt att det blir lokala deformationer, glapp eller till och med brott kring den punktformiga fogmetoden med en egenskapsreduktion som följd. Med en kontinuerlig fogmetod som limning kan ett mycket elastiskt lim i vissa fall kanske tåla gäspningen. Det vanliga är dock att limfogen skadas eller att geometriförändringar uppstår. 18

Om den första temperaturcykeln är en härdugn för uthärdning av ett lim så kan limmet låsa produkten i sitt deformerade läge under avsvalningen. Liknande effekter kan uppstå om ett uthärdat lim får en efterhärdning vid en förhöjd temperatur då limmet först kryper och sen låser fast i deformerat läge. Polymerbaserade material som till exempel kompositer kryper vid belastning, speciellt vid förhöjd temperatur vilket resulterar i en geometriförändring. Kompositmaterial som skruvas kan därför relaxera med följd att förspänningen som ger ett friktionsförband reduceras eller till och med förloras. Skruvförbandet bär då lasten på hålkanten vilket kraftigt reducerar hållfastheten. Detta innebär sannolikt att limfogar eller kompositmaterial även kan skadas vid en lägre termiska belastning och att dessa skador kan ackumuleras vid repeterade belastningar. 3.5 Virtuellverifieringavmultimaterialkonstruktioner För att möta kraven på korta utvecklingstider blir kravet på virtuell verifiering av produkt och produktionsprocessen en nödvändighet. Isotropa material som metaller och plaster är relativt lätta att modellera. Anisotropa kompositmaterial är svårare att modellera men också dessa kan beräknas med stor noggrannhet idag. För sammanfogning har man kommit långt i modelleringen av svetsning och mekanisk fogning. När det gäller limning och modellering av brottbeteende så saknas däremot en generell tillgång till tillförlitliga industriellt användbara simuleringsmetoder och relevanta materialdata. Limbrott är svårt att modellera speciellt i de fall där olika temperaturer är aktuella och olika material med olika termisk utvidgning är sammanfogade. Det innebär att också komponenternas geometri får stor betydelse för belastningen på fogen. Även formningsmetoderna för komponenterna får här betydelse då kvarvarande spänningar påverkar belastningen på fogen vid olika temperatur. Saknas tillgång på materialdata och verifierade metoder är detta en osäkerhet som innebär att högre säkerhetsfaktorer än nödvändigt väljs i dimensioneringen. Därmed tappar svårmodellerade sammanfogningskoncept i konkurrenskraft med följd att andra och egentligen sämre konceptlösningar blir föredragna. Att blanda material med olika termisk utvidgning och att lära sig att sammanfoga dem med olika metoder på ett effektivt sätt med låg risk kommer att kräva stora utvecklingsresurser. Låg risk innebär att konstruerandet med valda material och fogmetoder måste kunna verifieras virtuellt. Denna kunskap kommer att vara mycket viktig i den globala konkurrensen i att ta fram önskade attraktiva framtida produkter. 19

4 Skruvförbandmedmultimaterial Intresset för kompositmaterial sprider sig till andra branscher än flyg och rymdindustrin p.g.a. krav på sänkt strukturvikt, speciellt inom fordonsindustrin. Att kombinera strukturdelar av komposit med metalliska delar kräver effektiva metoder att konstruera sådana förband. Det innebär speciella utmaningar p.g.a. ett flertal skäl så som olika styvhet i materialen, olika längdutvidgningskoefficient etc. och det är viktigt att alla aspekter beaktas vid konstruktion av förbanden så att förbandet i sig inte utgör en svag punkt. Mekaniska förband är till skillnad mot andra förbandstyper rent generellt mer tillförlitliga, lättare att inspektera, erbjuder möjlighet att demontera förbandet för att möjliggöra inspektioner, reparationer eller utbyte av skadade delar. Mekaniska förband används i stor utsträckning för att montera delar av olika material. Tyvärr, innebär skruvförband att man för in spänningskoncentrationer vid skruvhålen vilket kompositmaterial är känsliga för. Detta kan leda till att tjockleken hos kompositpaneler lokalt måste ökas för att hantera dessa spänningskoncentrationer. Hybrida metall-/kompositförband är känsliga för utmattning i metalldelen, samt för uppglappning i förbandet. Viskoelastisk krypning i kompositdelen, galvanisk korrosion, temperaturändringar på grund av olika längdutvidgningskoefficient samt fuktabsorption kan förorsaka töjningsskillnader i komposit och metall. Dessa faktorer påverkar direkt hållfastheten hos förbandet och är därmed anledningen till att en större förståelse av förband med hybrida material krävs. Detta för att kunna tillhandahålla en tillförlitlig designmetodik som tar hänsyn till prestanda, produktionsvolym, kostnader etc. Kapitel 4 är en litteraturstudie avseende filosofier som kan appliceras vid konstruktion av mekaniska förband med hybrida material. Generella riktlinjer för dimensionering av skruvförband i komposit/metall strukturer presenteras tillsammans med riktlinjer för effekten av vissa kritiska förbandsparametrar. Målsättningen är att konstruktörer skall kunna snabbt utvärdera olika förbandskoncept. 4.1 Strukturanalys Mekaniska förband i hybrid strukturer är oftast konfigurerade på likartat sätt som man ser i traditionella metalliska strukturer med undantag av modifieringar av kompositdelen som till exempel metallinlägg, sprickstoppare bestående av remsor av segare material etc. [28], [29]. Även om det används många olika typer av förband, så styrs tillämpningen av krav på tillgänglighet och servicebarhet hos den aktuella strukturen. Några exempel på skruvförband som används inom flygindustrin finns illustrerade i Figur 4. Konstruktion av förband i metalliska strukturer baseras på väletablerade tillverknings- och konstruktionsprinciper som har utvecklats under många års erfarenheter i alla transportsektorer. Tyvärr går det inte att direkt applicera dessa principer då kompositer är inblandade p.g.a. deras speciella mekaniska egenskaper. Kompositers anisotropa hållfasthetsegenskaper, icke-homogena struktur samt sprödhet nödvändiggör en något annorlunda konstruktion än med konventionella material. Avancerade kompositer besitter i praktiken inga förlåtande egenskaper som t.ex. metallers förmåga att plasticera vilket möjliggör omfördelning av laster så att spänningskoncentrationer minimeras. I kompositer 20

förekommer dessutom brottmoder som beror på förbandsgeometri, material, stackningssekvens, fördelning av skruvar etc. Figur 4. Exempel på geometrier hos skruvförband från flygplansindustrin [30]. Dimensionering av skruvförband måste baseras på strukturanalys genomförd både på en global nivå såväl som på lokal nivå inkluderande distribution av skruvlaster samt hållfasthetsanalys kring varje individuellt skruvhål. Detaljerad hållfasthetsanalys med applicering av lämpliga brottkriterier är av stor vikt (Figur 5). Analyser måste även kopplas till provning av representativa strukturelement. 4.1.1 Globalanalyskoppladtilllokalanalys Trots att förbandsgeometrier rent generellt har komplexa geometrier, se Figur 5 och Figur 6 kan de bli analyserade med förenklade metoder [31] och [32]. Den vanligaste geometrin är det enkla överlappsförbandet, som trots att det har dålig hållfasthet på grund av den osymmetriska lastinföringen, är relativt billigt och enkelt att producera. För vissa applikationer är dessutom andra typer av förband omöjliga att applicera på grund av t.ex. krav på aerodynamisk yta. Stegvis (steped lap) eller gradvis (scarf lap) förändring av tjockleken möjliggör ytterligare konstruktionsvariabler som kan utnyttjas. 21

Figur 5. Översikt över hållfasthetsberäkning av skruvade strukturer. Figur 6. Typ av förband som analyserats. 22

4.1.2 Analysavlastfördelningmellanskruvar Brott i en platta ingående i ett skruvförband anses generellt uppträda vid den mest kritiska skruven. Att identifiera detta läge ställer krav på att man kan analysera lastfördelningen mellan de olika förbandselementen, och att förstå samverkan mellan hålkanttryck och förbipasserande last vid det mest kritiska fästelementet [31], [32], [33]. Det är med andra ord nödvändigt att ha kännedom om metoder att analysera fram lastfördelningen mellan olika skruvar som ingår i förbandet. För att möjliggöra detta, måste laster som verkar på strukturen, geometri och styvheter vara kända. Sammanfattningsvis Analytiska metoder och 2D FE-modeller som är beräkningseffektiva och kan beakta många av de mekanismer som påverkar lastfördelningen mellan de olika fästelementen som ingår i förbandet kan användas. Det är emellertid viktigt att 3D effekter som klämkraft i förbandet, friktion mellan skarvplattorna och ut-ur-planet-deformationer kan beaktas. 3D FE-modeller tillhandahåller metoder att modellera komplexa geometrier samt att beakta relevanta fysikaliska mekanismer som kan påverka lastöverföringen. Dock är sådana 3D modeller beräkningstunga och generellt inte lämpliga för parameterstudier eller för simulering av storskaliga geometrier. 4.1.3 Uppskattning av hållfastheten genom analys av individuella skruvhål När lastfördelningsanalysen har blivit genomförd, reduceras förbandsanalysen [31], [32]och [33] till att modellera en enstaka skruv i en kompositplatta med de från lastfördelningsanalysen erhållna spänningarna. Detaljerad spänningsanalys som utförs vid ett individuellt fästelement kopplat till ett brottkriterium är viktig. 23

Sammanfattningsvis Modeller för att beräkna spänningsfördelning mellan de individuella fästelementen måste hantera effekter av friktion, spel skruv/skruvhål men även kontaktyta som beräknas i stället för att antas. Det finns i dagsläget ingen känd metod att bestämma hållfastheten hos ett förband. Även om en del metoder ger bra resultat för vissa konfigurationer och brottmoder, är det inte alltid möjligt att extrapolera resultatet till andra förhållanden. Metoder baserade på spänningsfördelningen runt hålet och brottkriterier [34] tillhörde de första som användes. I dessa metoder så används den lokala max-spänningen i ett brottkriterium för att förutsäga laminatets hållfasthet. Då det använda brottkriteriet uppfylls i ett skikt, antas skiktet ha brustit och ingår därefter inte i analysen. Spänningsfördelningen och brottkriteriet räknas därefter om och proceduren upprepas tills brott har uppstått i hela laminatet. Dessa metoder är enkla att använda men tar inte hänsyn till materialets respons nära skruvhålet varför förbandets hållfasthet underskattas. I syfte att ta hänsyn till de lokala skadorna före slutgiltigt brott som beskrivits tidigare, har 2-parameter metoder använts. Dessa metoder baseras på Whitney-Nuismer brottkriterium för obelastade hål [39] och de parametrar som beaktas är draghållfasthet hos ett ohålat laminat samt en karaktäristisk dimension. Två olika angreppssätt har föreslagits, punktspänningskriteriet och medelspänningskriteriet. I den första metoden antar man att brott inträffar då spänningen i lastriktningen på ett avstånd d ot från hålet i sektionen med minsta arean är lika med eller större än det ohålade laminatets hållfasthet. Den andra metoden antar att brott uppstår när medelspänningen a ot på ett avstånd är lika med det ohålade laminatets hållfasthet. Dessa avstånd har ansetts vara materialparametrar. Kriterierna har blivit framtagna för enkelriktad dragbelastning där bi-(tri)axiella spänningar inte påverkar hållfastheten. Då så inte är fallet måste dessa kriterier omarbetas. En kombinerad metod har också föreslagits där Whitney-Nuismers karakteristiska distans kombineras med ett brottkriterium [40]. Noggrannheten i denna 2-parametermetod beror på de egenskaper som måste bestämmas experimentellt för varje material och stackningssekvens. Brottmekaniska metoder [60], [61], [63] baseras oftast på linjär brottmekanik (LEFM) och kräver att komplexa materialparametrar bestäms experimentellt medan man antar plan spänning vid hålranden, där tre-dimensionella spänningar förekommer. Både brottmekaniska och 2-parameter metoden kan förutsäga annat än slutbrott. Progressiva skademodeller [64][65][66][67][68][69][70][71][72][73][74] har utvecklats för att hantera skador som uppstår före slutbrott på ett mer direkt sätt än de tidigare beskrivna modellerna. Dessa modeller simulerar skadeinitiering och tillväxt genom degraderade elastiska egenskaper vilka beror på den typ av skada som uppkommer. Progressiva skademodeller har 24

den fördelen att de kan förutsäga skademod, riktning för skadepropagering, brottmod samt resthållfasthet och slutbrottlast. Vid användning av dessa metoder som finns implementerade i många kommersiella FE-program, t.ex. ABAQUS, använder man sig av kohesiva zoonelement som definieras med linjärelastisk respons, ett brottkriterie och en skadetillväxtlag baserad på energier, se Figur 7. Skadan initieras 0 när ett kvadratiskt brottkriteria är uppfyllt ( ), se ekvation nedan. För skador i form av delamineringar (som exemplifieras här) är de hållfasthetsdata som anges dragspänning ut ur planet samt skjuvspänningar. ˆ 2 ˆ 2 ˆ 33 13 23 33 13 23 2 1 Initiering av delaminering Propagering av delaminering Figur 7. Bilinjär separationslag Skadetillväxt förutsägs av en skadeparameter som beskriver graden av 0 förlust av styvhet efter skadeinitiering ( ). Skadepropagering f ( ) studeras genom energifrigörelsehastigheten och brottsegheten. För att exakt förutsäga delamineringstillväxt i blandat Mode I och Mode II belastning [75] använder man Benzeggagh-Kenane kriteriet enligt nedan [76]. G Ic 2 G IIc GIc Gmc 2 1 2 2, with peel shear shear G Ic och G IIc är brottsegheten (kritiska energifrigörelsehastigheten) i respektive Mode I och Mode II. Exponenten väljs till 1.45 [75]. är den parameter som avgör modblandningen. Det är generellt accepterat att brott p.g.a. hålkanttryck domineras av 3- axiella spänningar. Det antyder att 3-dimensionella modeller krävs för att förutsäga denna brottmod eftersom stackningssekvens och laterala bivillkor hos förbandet måste hanteras. 25

4.2 Brottanalys Brott i ett förband indikerar vanligtvis att det finns en strukturell skada som förhindrar att den belastas ytterligare eller att den kan fortsätta användas i sitt ursprungliga syfte. Brott i mekaniska förband kan uppstå på grund av ett stort antal olika skäl så som sekundära spänningar p.g.a. osymmetrisk belastning, spänningskoncentrationer, stora deformationer etc. eller en kombination av dessa orsaker vilket kan vara svårt att förutsäga exakt. Den låga interlaminära hållfastheten hos kompositer förorsakar unika och komplexa brottmoder i mekaniska förband. I Figur 8 illustreras de fyra grundläggande makroskopiska brottmoder som kan uppträda i ett skruvförband. Dessa brottmoder brukar beskrivas som brott i minsta arean (a), brott på grund av hålkanttryck (b), utskjuvning (c) och skruvbrott (d). Utöver dessa brottmoder förekommer att skruven kan dras igenom laminatet samt en klyvning-dragbrott kombination). Även när utmattningsbelastning förekommer kan brott i skruven vara en relevant brottmod. Kombination av två eller flera av dessa brottmoder är i praktiken möjliga. Brott i minsta sektionen på grund av tangentiella drag eller tryckspänningar vid hålkanten uppstår när förhållandet skruvdiameter/plattbredd d/w är högt. Det exakta förhållandet när denna brottmod uppstår är materialberoende. Den kan även uppträda när andelen förbipasserande last) jämfört med last via hålkanttryck är högt. I Figur 9 illustreras de grundläggande dimensionerna för ett mekaniskt förband. Tumregler för förband i kompositer är att w/d = 4 och e/w >2.5. Ytterligare en viktig detalj är att skruven måste ha en tillräkligt lång cylindrisk del så att gängorna inte trycker mot hålkanten. Figur 8. Brottmoder i skruvförband med kompositmaterial. De viktigaste dimensionerna hos ett mekaniskt förband presenteras i Figur 9. och de plan som associeras med de olika brottmoderna redovisas i 26

Figur 10 där är cylinderkoordinaten och är materialets koordinatsystem [33],[34],[35]. Figur 9. Typiska mått som anges för mekaniska förband. 2 1 Lastriktning Hålkantkross y Brott i minsta arean Utskjuvning Figur 10. De x plan som associeras med de olika brottmoderna. Brott på grund av hålkanttryck, vilket är den önskvärda brottmoden, uppträder när höga tryckspänningar uppträder på hålranden och leder till ovalisering av hålet. Sådan ovalisering förekommer ofta vid utmattningsbelastning och resulterar i en accelererad minskning av styvheten i förbandet (uppglappning). Hålkanttryckbrott uppträder främst då förhållandet d/w är lågt eller då andelen förbipasserande last är lågt. Utskjuvning orsakas av skjuvspänningar i planen tangentiellt med hålranden i riktning med den huvudsakliga lasten. Denna brottmod förekommer främst då hålkantavståndet, e, är litet i förhållande till håldiametern d. Dessutom är brottmoden vanligt förekommande i starkt ortotropa laminat med låg skjuvhållfasthet. Klyvning associeras framför allt med olämpligt kantavstånd, e, och för få fibrer vinkelrätt mot lastriktningen (90 -fibrer). 27