Plast som konstruktionsmaterial - Rolf Lövgren
Plast som konstruktionsmaterial - Rolf Lövgren
Plast som konstruktionsmaterial - Rolf Lövgren
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Produktutveckling 3<br />
KPP039<br />
Farzad Ebrahimi<br />
fei98001@student.mdh.se<br />
Institutionen för Innovation,<br />
Design och Teknik<br />
<strong>Plast</strong> <strong>som</strong><br />
<strong>konstruktionsmaterial</strong><br />
Produktutveckling 3<br />
Innovation och produktdesign<br />
Kurskod: KPP039<br />
Examinator: <strong>Rolf</strong> <strong>Lövgren</strong><br />
Skrivet av: Farzad Ebrahimi
Produktutveckling 3<br />
KPP039<br />
Farzad Ebrahimi<br />
fei98001@student.mdh.se<br />
Inledning<br />
<strong>Plast</strong> är fortfarande ett popolärt material bland många designer och konstruktörer. Med<br />
varierande egenskaper och fördelar har plast stora användning<strong>som</strong>råden. Det <strong>som</strong> bland annat<br />
gör plast så användbart är att det är lätt material, styvt men ändå rätt så böjligt, med bra<br />
isolerande egenskaper. <strong>Plast</strong> är ett formbart material vilket gör att tillverkning av plast blir<br />
enklare och kostnadseffektivt. Miljöbelastningen av plastmaterial är relativt liten på grund av<br />
dess återvinningsmöjlighet.<br />
Polymerer/plaster<br />
<strong>Plast</strong> består kemiskt av kedjor av kolväten, <strong>som</strong><br />
bildar polymerer. Ordet polymer härstammar<br />
från grekiskan: poly betyder "många" och mer<br />
"delar", polymer således "många delar".<br />
Man skiljer mellan två huvudtyper av<br />
polymerer - elastiska (elastaner) och styva.<br />
Elastanerna kan indelas i termoelaster och<br />
gummi. Gummimaterial har stor elastisk<br />
återfjädring. De styva polymererna (plaster) kan<br />
indelas i termoplaster och härdplaster.<br />
Termoplaster består av linjära eller grenade<br />
polymerkedjor <strong>som</strong> smälter och tillverkas vid hög temperatur samt stelnar när den<br />
kyls. Härdplaster består av ett tätt tvärbundet nätverk av polymerkedjor, <strong>som</strong><br />
stelnar vid tillverkningen. Polymererna framställs genom att många små<br />
molekyler, monomerer, polymeriseras till långa polymerkedjor. Beroende på hur<br />
kedjorna är hopfogade och vilka andra kemiska grupper de kan binda till sig får<br />
plasterna olika egenskaper.<br />
En översikt över polymera material ges i följande tabeller:<br />
Termoelaster TPE<br />
Amidbaserade<br />
Esterbaserade<br />
Olefinbaserade<br />
Uretanbaserade<br />
Styrenbaserade<br />
Elaster<br />
Gummi<br />
Akrylgummi<br />
Butylgummi<br />
Epiklorhydringummi<br />
Etengummi<br />
Fluorgummi<br />
Kloroprengummi<br />
Klorsulfonerad polyeten<br />
Naturgummi
Produktutveckling 3<br />
KPP039<br />
Farzad Ebrahimi<br />
fei98001@student.mdh.se<br />
Nitrilgummi<br />
Norborengummi<br />
Silikongummi<br />
Styrengummi<br />
Uretangummi<br />
<strong>Plast</strong>er<br />
Termoplaster<br />
Härdplaster<br />
ABS: poly-akrylnitril-butadien-styren DAP: diallylftalat<br />
PA: amidplast<br />
EP: epoxiplast<br />
PC: karbonatplast<br />
Esterplaster<br />
PE: etenplast<br />
MF: melaminplast<br />
PEEK: polyeterketon<br />
PF: fenolplast<br />
PES: polyetersulfon<br />
PI: imidplast<br />
PET: termoplastisk polyester PUR: uretanplast<br />
PMMA: akrylplast<br />
SI: silikoner<br />
POM: acetalplast<br />
UF: ureaformaldehydplast<br />
PP: propenplast<br />
PPO: polyfenyloxid<br />
PPS: fenylsulfidplast<br />
PS: styrenplast<br />
PSU: sulfonplast<br />
PTFE: polytetrafluoretylen<br />
PVC: vinylkloridplast<br />
SAN: poly-styren-akrinitril<br />
SB: slagtålig polystyren<br />
<strong>Plast</strong>ernas egenskaper och för- och nackdelar<br />
<strong>Plast</strong>ens unika egenskaper och fördelar <strong>som</strong> material är en favorit för många designers,<br />
uppfinnare och konstruktörer då plast egentligen är flera olika material med olika egenskaper<br />
<strong>som</strong> man väljer efter behov: elastiska och töjbara, mjuka, hårda, glidande, UV- resistenta<br />
m.m.<br />
<strong>Plast</strong>ers egenskaper styrs till största delen av vilken struktur polymerens molekylkedja har.<br />
Kedjan kan ha en eller flera monomerer och benämns homopolymer respektive sampolymer.<br />
Dessutom kan polymerens kedja vara av linjär, grenad eller nätstruktur. Förutom<br />
kedjestruktur spelar kedjornas inordning i materialet en viktig roll. En polymer med ordnad,<br />
symmetrisk struktur kallas kristallin och en polymer med ostrukturerade molekyler kallas<br />
amorf. En kristallin struktur är tätpackad och styvare än amorf struktur. För att en polymer<br />
skall kunna kristallisera måste den ha regelbunden konfiguration, vara rörlig och kunna<br />
packas tätt. En polymer kan inte kristalliseras helt men med rätt bearbetning upp till ca 90 %.<br />
Tillsatser styr bl.a. plastens mekaniska egenskaper, styvhet, brandegenskaper och kemisk<br />
beständighet.<br />
Designers och konstruktörer finner plasternas fördelar särskilt intressanta på grund av<br />
följande egenskaper:
Produktutveckling 3<br />
KPP039<br />
• Låg godsvikt vid transporter<br />
• Återanvändnings- och återvinningsbart<br />
• Lång livslängd<br />
• Isolerande egenskaper<br />
• Ingen korrosion<br />
• Minimalt underhåll<br />
• Kan fås alternativt genomfärgad eller med färgat ytskikt i valfri färg<br />
• Väderbeständigt<br />
• Ljuddämpande<br />
• Bra bearbetnings och formningsegenskaper<br />
• Resistent mot många kemikalier och lösningsmedel<br />
• God ledningsförmåga för såväl värme <strong>som</strong> elektricitet<br />
• Slagtålighet<br />
• Låg friktion o.s.v.<br />
Farzad Ebrahimi<br />
fei98001@student.mdh.se<br />
Men <strong>som</strong> en konstruktör och designer måste man ha tillräckliga kunskaper om plasternas<br />
begränsningar. <strong>Plast</strong> kan deformeras vid höga belastningar. De har stor värmeutvidgning<br />
samt dålig värmebeständighet vilket gör dem mindre lämpliga i vissa situationer där de<br />
utsätts för stora påfrestningar och slitage.<br />
Användning<strong>som</strong>råden<br />
Att plast är ett mångfacetterat begrepp speglas i de många olika<br />
användning<strong>som</strong>rådena.<br />
<strong>Plast</strong> kan, på grund av sin lätta vikt och möjligheten att gjuta den<br />
i så många olika former, användas till det mesta t.ex. plastpåsar,<br />
burkar, flaskor, höljen till kameror och hushållsmaskiner,<br />
bildetaljer, kablar, rör, sportartiklar, möbler och köksredskap<br />
mm.<br />
<strong>Plast</strong> är ett användbart material med många goda egenskaper;<br />
starkt och tåligt, lätt och kostnadseffektivt, flexibelt och<br />
anpassningsbart. <strong>Plast</strong> har många fördelar i förhållande till andra<br />
material. <strong>Plast</strong> varken rostar eller ruttnar och kräver därför litet<br />
underhåll. <strong>Plast</strong> är motståndskraftigt mot vatten och många<br />
kemikalier, vilket innebär minskat slitage och ökad livslängd.<br />
Med plast kan man tillverka komplicerade former i ett moment, vilket sparar både energi och<br />
pengar. <strong>Plast</strong> är inte ett material - det är många olika material med varierande egenskaper.<br />
Med hjälp av olika tillsatser kan plastens egenskaper modifieras och förstärkas i det oändliga,<br />
t ex med friktionsnedsättare, färgkoncentrat, ljusstabilisator, armerings- och<br />
flamskyddsmedel. Det gäller att välja rätt plast på rätt plats för att produkten ska bli<br />
funktionell, hållbar och snygg.
Produktutveckling 3<br />
KPP039<br />
Farzad Ebrahimi<br />
fei98001@student.mdh.se<br />
Tillverkningsmetoder<br />
Formgivning av plaster sker allmänt på flera olika<br />
sätt. De lämpligaste är enligt nedan:<br />
• Formblåsning<br />
• Varmformning<br />
• Filmblåsning<br />
• Formsprutning<br />
• Extrudering<br />
• Kalandrering<br />
Vid formblåsning en slang av het och flytande plast matas ut ur munstycket på en<br />
strängsprutningsmaskin matas in mellan två öppnade formhalvor. När formen stängs innesluts<br />
slangen. Den blåses upp med hjälp av tryckluft så att slangen töjs och formas efter formen.<br />
Flaskor, förvaringskärl, bensintankar till bilar. <strong>Plast</strong>pulver eller pasta upphettas inuti en sluten<br />
och upphettad form, <strong>som</strong> roterar tills väggarna på denna är täckta med ett jämnt lager med<br />
plast. När formen har kylts kan den öppnas och detaljen kan tas ut. Stora, ihåliga produkter<br />
så<strong>som</strong> papperskorgar, oljetankar, trummor skapas på detta sätt.<br />
Varmformning, även kallad vakuumformning är en vanlig metod. En skiva av termoplast<br />
uppvärms med strålelement. När skivan har blivit mjuk av värmen kan den sugas med hjälp<br />
av vakuum emot den önskade formen. Metoden tillåter formning av allt från små detaljer till<br />
mycket stora. Inlägg i chokladaskar, tråg, elskåp, höljen till snöskoters.<br />
Vid filmblåsning en slang av het, nästan flytande plast matas fram ur ett rörformigt<br />
munstycke på en strängsprutningsmaskin. Slangen blåses upp av tryckluft samtidigt <strong>som</strong> den<br />
kyls och stelnar. Den här slangen lindas upp på en rulle. I nästa steg kapas och svetsas slangen<br />
till olika produkter bland annat påsar, kassar, byggfilm, hushållsfilm.<br />
Formsprutning är en effektiv, billig och snabb produktionsmetod. Den är väl lämpad för<br />
mindre tjocklekar och mer komplicerade former vid tillverkning av plastprodukter. Maskinen<br />
består av en sprutenhet och en formlåsningsenhet samt en för varje produkt unik form eller<br />
verktyg. Sprutenheten matas med granulerad (krossad plast) i en tratt <strong>som</strong> leder ner till en<br />
uppvärmd cylinder. <strong>Plast</strong>en drivs fram av en skruv, smälts och doseras i en diskontinuerlig<br />
process. Formlåsningsenheten är stängd tills att tillräckligt mycket plast smält och rätt tryck<br />
byggts upp (50-150 MPa). Formen, <strong>som</strong> oftast är tvådelad, öppnas och fylls med smältan <strong>som</strong><br />
kyls.<br />
Vid extrudering fylls granulat (i gryn- eller kornform) i en tratt <strong>som</strong> leder ner till en cylinder<br />
med en skruv i. Skruven matar långsamt fram granulatet <strong>som</strong> successivt smälter i den värmda<br />
cylindern. Varvtalet och temperaturen styr hur snabbt maskinen kan arbeta. I änden av<br />
cylindern sitter ett munstycke monterat <strong>som</strong> smältan tvingas igenom för att därefter stelna.<br />
Med kalandrering matas den upphettade plasten in mellan två valsar, <strong>som</strong> pressar samman<br />
den till en tunn skiva exempelvis i form av golvbeläggningar, plattor, paneler, beklädnader.
Produktutveckling 3<br />
KPP039<br />
Farzad Ebrahimi<br />
fei98001@student.mdh.se<br />
<strong>Plast</strong>er och miljöaspekter<br />
<strong>Plast</strong>tillverkningen står endast för en mycket liten del av världens<br />
oljeförbrukning, ca fyra procent. Användningen av plast leder till<br />
att vi sparar totalt sett mer olja än vad <strong>som</strong> går åt vid<br />
tillverkningen. Anledningen till detta är framförallt på grund av<br />
plasternas låga vikt samt deras goda isolerande förmåga.<br />
<strong>Plast</strong>en utgör den övervägande delen (95 %) av hela den svenska<br />
plastkonsumtionen. Idag tillverkas nästan alla termoplaster av<br />
råolja <strong>som</strong> är en ändlig resurs med begränsad tillgång i framtiden.<br />
Miljöbelastningen av plastmaterial är relativt liten på grund av<br />
dess återvinningsmöjlighet.<br />
När plastprodukterna har använts klart kan upp till hälften av den energi <strong>som</strong> gick åt vid<br />
tillverkningen utvinnas. Förbränning av plast ger nästan lika mycket energi <strong>som</strong> förbränning<br />
av eldningsolja. Det plastavfall <strong>som</strong> inte kan återvinnas och bli till nya produkter är därför en<br />
värdefull energiresurs. Denna resurs bör naturligtvis användas <strong>som</strong> ett bränsle istället för att<br />
kastas på soptippen. Detta utgör en stor fördel för plastmaterialen då de först används till<br />
något nyttigt innan de blir till värdefull energi.<br />
Återvinning<br />
<strong>Plast</strong>er kan återvinnas (30 % av all plast i Sverige) och vid förbränning bildas koldioxid och<br />
vatten. Det kan återanvändas på olika sätt så<strong>som</strong> materialåtervinning, energiåtervinning,<br />
nedbrytning eller återvinning till monomer.<br />
Vid materialåtervinning sorteras plasten först av användaren för att sedan insamlas och<br />
grovsorteras. Efter det sker fraktionering, finsortering, tvättning och torkning av plasten.<br />
<strong>Plast</strong>en kan därefter bearbetas på nytt. Huvudsakligen plastförpackningar materialåtervinns.<br />
Vid energiåtervinning förbränns plasten varvid man utvinner elkraft och värme för<br />
uppvärmning. Förpackningsmaterial är konstruerade för en kort livslängd medan byggplaster<br />
är konstruerade för att fungera upp till 100 år, beroende på produkten. Energiåtervinning av<br />
byggplaster är då ett alternativ. Energiinnehållet i plast är ungefär lika stort <strong>som</strong> i olja.<br />
En plast <strong>som</strong> är nedbrytbart är polyhydroxybutyrat (PHB). Den tillverkas genom jäsning av<br />
kolhydrater med hjälp av en mikroorganism kallad Alcaligenes eutrophus. Denna process är<br />
ganska dyr så därför är inte nedbrytningsbara plaster så vanliga.<br />
Återvinning till monomerer sker genom en process <strong>som</strong> kallas pyrolys och innebär att<br />
polymeren delas upp i monomerer genom syrefri upphettning. Sverige har ingen<br />
pyrolysanläggning så plasten måste transporteras till en anläggning i Holland. De flesta<br />
plaster kan pyrolyseras.
Produktutveckling 3<br />
KPP039<br />
Farzad Ebrahimi<br />
fei98001@student.mdh.se<br />
<strong>Plast</strong> och Tooltracker<br />
Under projektarbetet har projektgruppen arbetat för att utveckla komponent till<br />
spårningsverktyg Tooltracker. Huvuduppgiften var att ta fram klickfunktionen för att koppla<br />
samman antennmoduler. Genom projektets gång gjordes omfattande undersökningar om olika<br />
plastmaterial för att få stöd i beslut om materialval. Det togs även fram förslag på<br />
tillverkningsmetod.<br />
För att lyckas med val av material borde gruppen naturligtvis utgå ifrån kravspecifikationen<br />
och de kraven <strong>som</strong> ställts på materialet dvs:<br />
• Materialet skulle vara billigt.<br />
• Det skulle Passa att ta fram profiler med hjälp av metoder <strong>som</strong> formsprutning och<br />
formpressning i, detta på grund av att hålla kostnaderna nere.<br />
• Leva upp till de hållfasthetskrav <strong>som</strong> finns på antenninkapslingen. Inkapslingen skall<br />
klara av att ett verktyg faller ner på den utan att inkapslingen går sönder.<br />
En research gjordes bland många olika sorters plaster med olika egenskaper för att hitta bästa<br />
lösningen. Efter ett strategiskt urval bestämdes att härdplaster inte var ett lämpligt material på<br />
grund av högre priser än termoplaster. Dessutom det fanns inga höga krav på hållfastheten.<br />
Fördelen med termoplastmaterialet kunde vara dess kostnadseffektiva och mångsidiga<br />
tillverkning. Lägre vikter sparar energiförbrukningen vid transporter och samtidigt skulle de<br />
användas <strong>som</strong> isoleringsmaterial. Toppkandidaterna bland termoplaster var propenplast (PP),<br />
PVC, ABS och PS med varierande egenskaper och användning<strong>som</strong>råden.<br />
PP (Propenplast)<br />
Fördelar Begränsningar Användning<strong>som</strong>råde<br />
UV-strålning bryter ned<br />
tål låga temperaturer dåligt<br />
<strong>Plast</strong>en är svår att limma<br />
Styv<br />
Bra mekanisk hållfasthet<br />
låg densitet<br />
god kemisk beständighet<br />
textilier, köksmaskiner, rep,<br />
chassier, fläktar, bärare till<br />
instrumentpaneler, stans- och<br />
filterplattor samt till detaljer<br />
inom den kemisk-tekniska<br />
industrin.<br />
PVC (Polyvinylklorid)<br />
Fördelar Begränsningar Användning<strong>som</strong>råde<br />
Mindre bra för människa och<br />
miljö<br />
bra konstruktionsplast,<br />
kemikalieresistens, hög<br />
Slagtålighet,<br />
lösningsmedelstålig, goda<br />
dielektriska egenskaper, goda<br />
mekaniska egenskaper<br />
Industridetaljer,<br />
laboratorieutrustning,<br />
förpackningar, kemisk<br />
apparatur, väderskydd,<br />
takmaterial och behållare
Produktutveckling 3<br />
KPP039<br />
ABS-plast (akrylnitril-butadien-styrenplast)<br />
Farzad Ebrahimi<br />
fei98001@student.mdh.se<br />
Fördelar Begränsningar Användning<strong>som</strong>råde<br />
den gulnar, åldras och blir<br />
spröd, låg resistens mot<br />
lösningsmedel<br />
goda mekaniska och kemiska<br />
egenskaper, lämpligt för<br />
vakuum- och varmformning,<br />
kan extruderas, goda<br />
utomhusegenskaper<br />
småbåtar, innerbehållare i<br />
kylskåp, kåpor, hjälmar,<br />
leksaker, köks- och<br />
kontorsmaskiner,<br />
fordonskarosser, möbler,<br />
väskor och takboxar till bilar<br />
PS (Polystyren)<br />
Fördelar Begränsningar Användning<strong>som</strong>råde<br />
känslig både mot kyla och<br />
solljus, låg resistens mot oljor<br />
och lösningsmedel.<br />
Materialet är hårt och styvt,<br />
samt lätt att varmforma,<br />
goda elektriska<br />
isolationsegenskaper<br />
engångsartiklar,<br />
förpackningar, leksaker,<br />
möbler, mulltoaletter,<br />
kylskåp, duschväggar,<br />
ljusraster och inomhusskyltar.<br />
Efter gjorda efterforskningar om lämpliga material till Tooltrackers antenninkapsling så är<br />
slutledningen att ABS-plast borde vara det mest lämpade alternativet.<br />
Orsakerna <strong>som</strong> har lett fram till detta resonemang är framförallt att tillverkningsmetoder <strong>som</strong><br />
formsprutning och formpressning kan tillämpas på detta material tillsammans med att<br />
prisbilden är fördelaktig. Dessa faktorer tillsammans skulle bidra till att hålla kostnaderna<br />
nere. Självklart så uppfyller detta material även kravet <strong>som</strong> ställdes på hållfasthet och<br />
slitstarkhet hos inkapslingen.<br />
Fig.1– Prototyp av antenninkapsling
Produktutveckling 3<br />
KPP039<br />
Farzad Ebrahimi<br />
fei98001@student.mdh.se<br />
Referenser<br />
Litteratur<br />
Komposithandboken, Håkan Damberg, Sveriges Verkstadsindustrier, 2001.<br />
ISBN: 91-7548-597-4<br />
<strong>Plast</strong>ernas Uppbyggnad, kursmaterial (kursbunt 2) Ingenjörsvetenskap 1 - Materiallära<br />
(KPP040).<br />
Internetkällor<br />
http://www.plastinformation.com/2006_PDF/mtrlinfo_pp.pdf (2009-12-18)<br />
http://bada.hb.se/bitstream/2320/4000/1/Armanjo.pdf (2009-12-15)<br />
http://epubl.luth.se/1402-1617/2008/237/LTU-EX-08237-SE.pdf (2009-12-20)<br />
http://www.malarplast.se (2009-12-20)<br />
http://bada.hb.se/bitstream/2320/4000/1/Armanjo.pdf (2009-12-21)<br />
http://images.google.com/imgres?imgurl=http://school.chem.umu.se/Experiment/pics/identifie<br />
ra_plasten00.jpg&imgrefurl=http://school.chem.umu.se/Experiment/P205&usg=__HjTvH1uO<br />
2fOSYp0hN8lXc3G2_D0=&h=332&w=500&sz=25&hl=sv&start=9&um=1&tbnid=Btcv67fuK36<br />
0rM:&tbnh=86&tbnw=130&prev=/images%3Fq%3Dfenolplast%26hl%3Dsv%26rls%3Dcom.<br />
microsoft:sv:IE-SearchBox%26rlz%3D1I7SUNA%26sa%3DN%26um%3D1 (2009-12-22)<br />
http://www.hylteformplast.com/abs.htm (2009-12-20)
Change language