En designklassikers ren채ssans
Claes Schalling PD-08 BIBLKOD-XXX
Juli 2011
En designklassikers ren채ssans Examensarbete 15 hp
Claes Schalling c.schalling@gmail.com
2
Sammanfattning Examensarbetet har genomförts av Claes Schalling, student på Malmö högskola på utbildningen Produktutveckling & design, vårterminen 2011. Examensarbetets omfattning är på 15 hp. Uppdragsgivare för examensarbetet är Retro Modern Design, beläget i Helsingborg och som drivs av Daniel Strihavka. Carl-Arne Bregers designklassiker och mytomspunna vattenkanna från 1959 ska åter sättas i produktion. En produkt med genomtänkt design för den tänkta målgruppens behov, med sin långa pip för att nå intill blommorna, en stabil bred bas, en enkel påfyllning och med en ikonisk form. Problemet med designen är att den är svår att producera så optimalt som möjligt. År 1959 så formsprutade man den i två delar och limmades sedan ihop för hand. Kannan producerades bara i ca 2 år då det uppstod farliga gaser vid limningen. Vattenkannan har blivit en klassiker och finns representerad på museer världen över. 1959 kostade kannan 2 kronor och 75 öre, idag får man räkna med att betala ca 1000 kronor på en auktion. Projektet går ut på att återlansera Carl-Arne Bregers vattenkanna från 1959, och rapporten och examensarbetet går ut på att beskriva hur man skall gå tillväga. Rapporten kommer visa rekommendationer ifrån val av tillverkningsmetod till val av material och hur man kan optimera sammanfogningen mellan de två delarna i vattenkannan. Resultatet är ganska nedslående. Vattenkannan kan inte produceras med någon annan metod än med formsprutning. Materialvalet föll på polystyren som användes vid produktionen 1959. För att få en vattentät fog så kan sammanfogning mellan de två delarna ske antingen med svetsning eller med limning. Eftersom svetsning kräver ett dyrt verktyg så kommer limning att användas som metod till en början och därefter när produktionstakten har blivit högre eventuellt investera i ett spegelsvetsverktyg.
3
Abstract This thesis rapport is written by Claes Schalling, student at MalmÜ University, product development & design, spring 2011th. The commissioner of the thesis is Retro Modern Design, located in Helsingborg and operated by Daniel Strihavka. Carl-Arne Bregers design classic and legendary watering can from 1959 will be put into production again. A product with a thoughtful design for the intended audience's needs, with a long pipe to reach next to the flowers, a stable wide base, a simple filling, and with an iconic form. The problem with the design is that it is difficult to produce. In 1959 it was produced by injection molding in two parts and then glued together by hand. The jug was only produced for about 2 years beacause of dangerous fumes when gluing. The water jug has become a classic and is represented in museums around the world. The jug costed 2,75 SEK in 1959, today it is estimated to pay approximately 1000 SEK at an auction. The report will show recommendations from the choice of production methods for the selection of materials and how to optimize the merge between the two parts of the water jug. The result is rather disappointing. The water jug cannot be produced by any method other than by injection molding, and to try molding it in one piece was impossible, according to experts in the field. In order to obtain a watertight joint, you can merge the two elements together either by welding or by gluing. Since welding requires expensive tools, we’ll use gluing at first and then when the production rate has been higher maybe invest in a mirrorwelding tool.
4
Förord Denna rapport ingår som en del i det arbete som krävs för en högskoleingenjörsexamen i Produktutveckling & Design (180 hp) vid Malmö högskola. Arbetet har utförts på företaget Retro Modern Design i Helsingborg under perioden Mars 2011 – maj 2011. Handledare på högskolan har varit Dr. Christina Bjerkén och examinator Prof. Per Ståhle von Schwerin. Handledare på Retro Modern Design har varit Daniel Strihavka.
Jag vill rikta ett varmt tack till följande: Daniel Strihavka, för att han låtit mig genomföra mitt examensarbete på Retro Modern Design och bidragit med mycket kunskap. Anders Kull, har varit ett bollplank under tiden och bidragit med mycket hjälp. Vill även rikta ett tack till alla andra som har bidragit med hjälp och information till mitt arbete.
5
Innehållsförteckning SAMMANFATTNING ........................................................................................................... 3 ABSTRACT ......................................................................................................................... 4 FÖRORD............................................................................................................................. 5 1
Inledning....................................................................................................................... 7 1.1 Bakgrund ............................................................................................................... 7 1.2 Syfte ...................................................................................................................... 7 1.3 Metod och källor .................................................................................................... 8 1.4 Avgränsningar ........................................................................................................ 8
2
Tillverkning ................................................................................................................... 9 2.1 Formsprutning ....................................................................................................... 9 2.2 Formblåsning ....................................................................................................... 13 2.3 Resultat ............................................................................................................... 14
3
Material ...................................................................................................................... 16 3.1 Termoplaster ....................................................................................................... 18 3.2 Polystyren (PS)..................................................................................................... 21 3.3 Styrenbaserad plast (ABS) ................................................................................... 22 3.4 Polyeten (PE) ....................................................................................................... 22 3.5 Polypropen (PP) ................................................................................................... 23 3.6 Resultat ............................................................................................................... 25
4
Sammanfogning av plastkomponeter ......................................................................... 26 4.1 Svetsning ............................................................................................................. 26 4.2 Limning ................................................................................................................ 31 4.3 Resultat ............................................................................................................... 34
5
Lim ............................................................................................................................. 35 5.1 Lösningsmedelsbaserade lim ............................................................................... 35 5.2 Övriga limmer ...................................................................................................... 37 5.3 Tester .................................................................................................................. 39 5.4 Resultat ............................................................................................................... 41
6
Förpackning ............................................................................................................... 42
7
Försäljning .................................................................................................................. 43
8
Slutsatser och vidareutveckling ................................................................................... 44
9
Källförteckning ............................................................................................................ 45 9.1 Litteratur .............................................................................................................. 45 9.2 Internet ................................................................................................................ 45 9.3 Intervju ................................................................................................................. 48
10 Bilagor ..................................................................................................................... 49 10.1 Dispenser för vissa lösningsmedel .................................................................... 49 10.2 Tidningsutklipp................................................................................................... 50 10.3 Ritningar ............................................................................................................ 52
6
1
Inledning
Carl-Arne Breger var en svensk formgivare och industridesigner och är framförallt känd för sina plastprodukter. Han föddes i Trelleborg år 1923 och blev tillsammans med Sigvard Bernadotte och Stig Lindberg de som formgav tusentals av 1950- och 60-talets plastprodukter. Han utbildade sig 1943-1948 på Konstfack i Stockholm, och började därefter på Gustavsbergs porslinsfabrik. Carl-Arne Breger blev 85 år gammal och avled år 2009 1. År 1957 började Carl med sin mest kända produkt, en skulptural vattenkanna i styrenplast. I februari 1959 presenterades den efter 18 månaders av utvecklingsarbete 2. Den såldes i färgerna svart, rött och benvitt 3. Tyvärr var kannan inte fullt anpassad till den tidens produktionstekniska förutsättningar. Den tillverkades i två halvor som limmades samman och det gav upphov till problem. Kannan fick dåligt rykte på marknaden då den limmetod som användes vid produktion ledde till att kannan läckte vatten. Dessutom innebar den valda limmetoden allvarliga arbetsmiljöproblem vilket ledde till att produktionen lades ned efter ca två år. År 1959 kostade kannan 2 kronor och 75 öre, idag får man räkna med att betala över 1000kr för en svensk modern klassiker 4. Nu efter över 50 år sen kannan lanserades första gången så ska vattenkannan sättas i produktion igen.
1.1
Bakgrund
Projektets uppdragsgivare för examensarbetet är Retro Modern Design, beläget i Helsingborg och som drivs av Daniel Strihavka. Under en period av 13 månader har jag (Claes Schalling), tillsammans med Anders Kull och Daniel Strihavka tittat på hur vi ska kunna återlansera Carl-Arne Bregers designklassiker. Ett antal frågeställningar måste besvaras för att kunna fatta beslut om hur detta ska gå till. Detta examensarbete på 15 hp utfördes som en sista och avslutande del på Produktutveckling & design-programmet, vid Malmö högskola under vårterminen 2011. Handledare var Dr. Christina Bjerkén.
1.2
Syfte
Det huvudsakliga målet med detta projekt är att få vattenkannan i produktion och till försäljning. Syftet med examensarbetet och denna rapport är att: •
•
Undersöka och dokumentera olika tillverkningsmetoder, material (plast) och sammanfogningsmetoder för att kartlägga dess för- och nackdelar samt ge rekommendationer som kan användas som beslutsunderlag. Dessutom kommer en grafisk profil för en förpackning att presenteras. Belysa de problem som kan uppkomma vid framställning av denna vattenkanna och hur utformningen av produkten begränsar hur den kan tillverkas.
Syftet var dessutom att använda de kunskaper som erhållits under utbildningen och själv driva ett projekt med skarp deadline för en verklig uppdragsgivare.
1 2 3 4
Nationalencyklopedin [38] Dagens nyheter, 17/2 1959, Bilaga 10.6 T. Lindblad, Bruksföremål av plast, sid 46 T. Gordon, Sköna hem [6]
7
1.3
Metod och källor
Genom att kombinera teoretiska och empiriska studier så besvaras frågeställningen. Den empiriska studien har genomförts via ett antal intervjuer med personer som har kunskap inom plastmaterial, bearbetning och olika sammanfogningsmetoder. Den 5 maj 2011 besökte vi Easyfairs plastmässa i Malmö Arena. Där etablerades mycket kontakt med personer inom plastindustrin. Deras kunskap och varierande erfarenhet har varit ovärderlig för framtagningen av rekommendationerna i rapporten. Vill rikta ett speciellt tack till: Hans-Erik Strömvall, PolyInvent AB, Hisings-backa, Sverige Lars Johansson, Limtek AB, Bromma, Sverige Jan Sterge, Limtek AB, Bromma, Sverige Johan Sundin, AB Sundplast, Helsingborg, Sverige Jan-Olof Wilhelmsson, Tojos plast, Malmö, Sverige Henrik Stenberg, Stebro plast AB, Broaryd, Sverige Aram Dingizian, ABA-ARSANI, Malmö, Sverige Genomfört en empirisk studie för att fastställa vilken limprodukt som ger bäst sammanfogning. Denna har genomförts genom tester såsom appliceringstid, torktid, hur lätt limmet är att applicera och hur vattentät fogen blir. Det finns mycket litteratur inom plast och tillverkning av plast, några av dessa skrifter har legat till grund för den teoretiska studien. Den har ugått från Carl Klason & Josef Kubáts bok Plaster – Materialval och materialdata samt Thomas Lindblads bok Bruksföremål av plast. Har även fått information från Dieter Stoye & Werner Freitags bok Paints, Coatings and Solvents. Internet har använts då större kunskap inom vissa områden önskats, då användes sökmotorn www.google.se som utgångspunkt.
1.4
Avgränsningar
Rapporten kommer att ge rekommendationer. Den kommer inte att dokumentera samtliga beslut och val som tagits för att få vattenkannan i produktion. Även om projektet också behandlar avancerade kalkylunderlag och kostnadsanalyser, kommer dessa inte att presenteras här då det är konfidentiell information. Vid testning av lim är man begränsad till vad som finns på marknaden för konsumenter. Lösningsmedel som är starka nog att smälta plast säljs enbart till vissa företag som har speciella licenser, och någon sådan licens fanns inte tillgänglig.
8
2
Tillverkning
När man ska tillverka någonting så är det en lång process som ska fungera innan man sätter igång själva produktionen. Arbetet påbörjas direkt vid skissbordet när man börjar dra de första linjerna mot en slutgiltig design. Designen påverkar nämligen hur produkten kan och kommer att tillverkas. Detta är någonting som de flesta företagen idag vet om och lägger ner stora resurser på. I det här fallet så är designprocessen redan gjord eftersom det är en reproduktion av en designklassiker. När kannan började tillverkas 1959 så formsprutade man den i två delar och sedan limmade man ihop de två komponenterna för hand. Idag hade vissa velat förändra designen så att den skulle kunna göras i ett stycke för att underlätta massproduktion. Detta är vanligt på de flesta produkter dvs. att man optimerar dess produktion för att tjäna mer pengar. I det här fallet så ska inte designen och formen förändras eftersom det är en sådan viktig och ikonisk symbol för vattenkannan.
2.1
Formsprutning
Formsprutning är en av de viktigaste av tillverkningsmetoderna för plastprodukter och den absolut vanligaste metoden för plastbearbetning. Formsprutning är en effektiv tillverkningsmetod men med en hög initieringskostnad. Maskinen består av en sprutenhet och en formlåsningsenhet samt en för varje produkt unikt formverktyg se figur 1 5. Väggtjockleken ska vara så konstant som möjligt men tjockleken kan variera kraftigt mellan 0,5 mm och upp till 10 mm. Mellan 3-4 mm är den vanligaste väggtjockleken 6. Ett tjockt gods kommer få en längre kyltid vilket medför långa cykeltider och därmed dålig ekonomi. Under formsprutningsprocessen så arbetar enheterna samtidigt för att minska cykeltiden. Samtidigt som sprutenheten fylls på med nytt material så kyls formstycket ned och produkten stelnar.
Figur 1: Formsprutningmaskinens uppbyggnad Källa: http://www.vadbetyder.net/wp-content/uploads/2010/03/injection_molding.png
5 6
C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 231 J. Nordin, AB Sundplast
9
Genom en tratt på ovansidan av sprutenheten så fylller man på med granulerad/mald plast som sedan leds till en uppvärmd cylinder. Smälttemperaturen på plasten ligger mellan 175℃ och 300℃ och beror på vilken typ av plastmaterial som används 7. Plastgranulaten drivs framåt av en skruv som dessutom även fungerar som kolv. Plasten smälter och doseras i en ojämn process. Formlåsningsenheten är stängd till dess att tillräckligt mycket plast har smält och att rätt tryck har byggts upp (50-150MPa) 8. Den två-delade formen öppnas och fylls med ”smältan” (den smälta plasten). Det är viktigt att hela formen fylls och att smältan inte stelnar längs vägen. Detta skulle innebära att plasten blir spröd och att den sedermera lätt går sönder. För att undvika detta så finns det viktiga faktorer. Dessa faktorer är smältans temperatur, trycket i sprutenheten, formens temperatur, kyltiden och utformningen av formen 9. Formlåsningsenhetens storlek uttrycks i dess maximala formlåsningskraft eller låskraft. Låskraften kan variera mellan 30 kN och 100000 kN men vanligtvis så är den mellan 300 kN till 50000 kN 10. Låskraften är summan av alla krafter som verkar på låsningsenhetens dragstänger under plastsmältans insprutning. Sprutenhetens storlek uttrycks i sprutvolym, och är beroende av diametern på skruven som plasticerar plastgranulaten 11.
7 8 9
J. Nordin, AB Sundplast Plastnet [3] Plastnet [3]
10 11
Plastnet [3] Plastnet [3]
10
2.1.1
Formen
Det viktigaste i formsprutningsmaskinen är det unika formverktyget, som utgörs av minst två delar. Formverktyget monteras i formsprutans formlåsningsenhet och dess storlek är beroende av formsprutans storlek. Varje formverktyg innehåller minst ett formrum, som fylls med smält plast och därefter kyls detaljen innan man öppnar formverktyget igen. Insprutningshastigheten är inställningsbar och tillsammans med smältans temperatur viktiga parametrar för smältans transport till formrummet. Innehåller formen flera formrum transporteras smältan från inloppsbussningen via formens fördelningskanaler till formrummen, som fylls genom sina intag. Kanalerna är utformade med hänsyn till smältans viskositet så att transporten löper så smidigt som möjligt 12. Formverktyget ska tåla ett högt tryck utan att deformeras. Det ska tåla snabba rörelser och klara av nötning under loppet av hundra tusen cykler eller mer. Formverktyget tillverkas av smidda ämnen av höglegerat rostfritt stål, som härdas efter bearbetning 13. Ritningarna på formverktyget till vattenkannan finns i bilaga 10.3.
12 13
J-O. Wilhelmssson, Tojos plast J. Nordin, AB Sundplast
11
2.1.2
Processen
14
1. Plasticering Skruven roterar och munstycket är avskilt ifrån det fasta formbordet. Via en tratt tillför man kontinuerligt plast i form av granulat ner i en uppvärmd cylinder. Den smälta plasten transporteras framåt i cylinder av den roterande skruven. Temperaturen inne i cylindern är noggrant reglerad och den del av cylindern, som är närmaste tratten måste hållas kall så att det tillförda materialet inte smälter. Materialtransporten förutsätter nämligen att oplasticerat material trycker på den smälta plasten längre fram i cylindern. Det är friktion och på grund av värmeband som plastmassan smälter. 2. Plasticeringen avslutas Längst fram i cylindern så samlas det smält plast framför skruvens spets. Det smälta plasten framför skruven växer i volym och utövar ett tryck på den roterande skruven. Skruven, som är axiellt rörligt, trycks bakåt och rörelsen motverkas av en hydaulkolv i skruvens bakre ände. När den smälta volymen kan fylla alla kaviteter i formverktyget så avstannar skruvens rotation. 3. Formen sluts Formverktyget sluts genom att det rörliga formbordet rör sig emot den formhalva som är fäst vid det fasta formbordet på insprutningssidan. 4. Insprutning Den roterande skruven fungerar nu som insprutningskolv och skjuts axiellt framåt med hjälp av hydrauliken i skruvens ände. Den smälta plasten sprutas in i formverktyget genom ett munstycke och formen fylls. Längst fram på skruven så finns det en återflödesspärr. Spärren motverkar smält plast att flöda bakåt då skruven trycks framåt medan den tidigare släppt igenom flytande material till förrådet framför skruven. 5. Eftertryck Vid insprutningen fylls formen av flytande plast. Formen är kall och plasten kommer börja stelna inne i formen. När plasten stelnar krymper den gradvis och krympningen motverkas genom att trycka in mer flytande plast, så kallat eftertryck. Man kan dock inte trycka på med flytade plast hur länge som helst. När plasten stelnar på kritiska ställen verkar inte eftertrycket längre. Det är inte möjligt att kompensera krympningen fullständigt 6. Utstötning Formverktyget öppnas då den smälta plasten har stelnat och när man kan utstöta detaljen utan att deformera den. Avkylningen tar tid och sprutenheten separeras från det fasta formbordet och börjar fyllas med nytt plastgranulat, enligt moment 1.
2.1.3
Kostnader
Den stora kostnaden vid formsprutning är formverktyget. Det kan kosta olika mycket beroende på kvalitet, var det tillverkas och vem som tillverkar det. Formsprutningsföretag i Sverige tar mellan 250000 - 500000 kr för ett verktyg till vattenkannan, och då innebär det att de som tar 250000 kr tillverkar verktyget i Kina. Risken med att tillverka ett verktyg i Kina är att det eventuellt tillverkas två verktyg och sedan kommer vattenkannan att kopieras 15. Vattenkannan formsprutas i Tjeckien hos Ivan Sokol16 som 3d scannade kannan och tillverkade verktyget för ungefär 100000kr. Utöver verktygskostnad så tillkommer även tilllverkningskostnader när man formsprutar kannan. Denna kostnad varierar inte lika mycket utan ligger mellan 15-20 kr/st. 16,50kr/st hos Allingsås formplast17 och 15kr/st hos ABAARSANI18.
14 15 16 17 18
Plastnet [3] H. Stenberg, Stebro plast AB Ivan Sokol, Tjeckien Allingsås formplast AB, Allingsås, Sverige ABA-ARSANI, Malmö, Sverige
12
2.2
Formblåsning
Formblåsning är en av de vanligaste metoderna för tillverkning av föremål som innehåller hålkroppar 19. Vid formblåsning utgår man ifrån en extruderad slang. Formblåsning (extrusion blow moulding) är en relativt ny metod för tillverkning av hålkroppar med termoplaster. Metoden används till flaskor, behållare och leksaker etc. Materialen PE-HD och PET som är två vanliga termoplaster är dominerande när de gäller behållare och flaskor. Utrustningen består av en extruder med vinkelhuvud, en tvådelad form och en anordning för uppblåsning av den mjuka extruderade slangen se figur 2. Termoplasten värms upp i den horisontella extrudern och smältan får vertikal flytriktning i vinkelhuvudet. Munstycket formar smältan till en rörformig mjuk slang. Formhalvorna sluts kring den vertikalt hängande slangen och knips åt i övre änden och kring en blåspinne i den nedre. Slangen blåses upp mot formväggen, den blåsta hålkroppen avkyls och plockas sedan ur formen. Blåstrycket är oftast under 4–8 bar och kravet på formmaterialets hållfasthet är mindre än vid formsprutning 20. Aluminium är ett lämpligt formmaterial pga dess goda termiska konduktivitet.
Figur 2: Princip för formblåsning av flaska Källa: C. Klason & J. Kubát - Plaster, materialval och materialdata sid. 230
Metoden att använda formblåsning var inte möjlig för vattenkannan då det är alldeles för tjockväggiga väggar på vattenkannan (ca 3 mm) och vid formblåsning är de mindre än 1 mm. Resultatet skulle bli alldeles för ojämt, med varierande godstjocklek och lång kyltid 21.
19 20 21
C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 230 Plastnet [5] J. Sundin, AB Sundplast
13
2.3
Resultat
Vattenkannan produceras med formsprutning, och den formsprutas i två delar så som den gjordes 1959, med en vänsterhalva och en ”spegelvänd” högerhalva. Att formspruta hela kannan i ett enda stycke visade sig dessvärre inte vara möjligt 22, däremot så hade man kunnat formspruta botten för sig och resten av kannan för sig (se figur 3 alternativ 1) 23. Då hade man fått en betydligt lättare sammanfogning. Detta verifierades dock för sent i processen och verktyget var redan beställt. Därför har tester vid sammanfogning skett med alternativ 2, i figur 3.
Figur 3: Alternativ formsprutning
Figur 4: Vattenkannan (detalj)
22 23
H-E. Strömvall samt J. Nordin, AB Sundplast H-E. Strömvall samt H. Stenberg, Stebro plast AB
14
Figur 5: Originalkanna T.V och nyproducerad T.H
15
3
Material
När man ska välja material finns det en rad faktorer att ta hänsyn till. I fallet med vattenkannan så är uppdraget att göra den så lik originalet som möjligt. När den tillverkades 1959 så formsprutades vattenkannan i slagtålig styrenplast. Plast har ofta komplicerade egenskaper som är starkt beroende av temperatur, tid och vilken typ av bearbetning. Dessutom så finns det inga beräkningsmetoder när det gäller kemiska faktorer som påverkar produktens användning 24. Polymerer är kemiska föreningar som består av mycket långa kedjor uppbyggda av mindre repeterande enheter (momomerer). Dominerande grundämnena är kol och väte. Reaktionen som sker när monomererna blir en polymer kallas polymerisation 25. Med plaster menar man konstruktionsmaterial som är baserade på polymerer med olika tillsatser se figur 6.
Figur 6: Indelning av polymer Källa: Plastnet [1]
Man använder sällan en ren polymer utan i regel tillsätter man olika tillsatsmedel för att ge materialet önskade egenskaper 26. Vanliga tillsatser är: • • • • •
Ytsmörjmedel (underlättar utstötning) Värmestabilisatorer Färgpigment Slagseghetstillsatser Utomhusstabilisatorer (UV)
Jämfört med t.ex. trä och metall har plasterna bl.a. följande fördelar: • Enkla att forma och masstillverka till komplicerade detaljer • Låg densitet • God korrosionsbeständighet • Bra elektriska isolationsegenskaper • Hög värmeisolerande effekt • Goda ljud- och svängningsdämpande egenskaper • 24 25 26
Plastnet [1] C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 10 C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 21
16
Plasternas nackdelar: • • • • • • •
Formförändring vid belastning Viskoelastisk deformation Hög värmeutvidgning Låg värmebeständighet Varierande kemikalieresistens Temperaturberoende egenskaper Åldringsbenägenhet
Figur 7: Botten på en originalkanna
17
3.1
Termoplaster
Plaster som är uppbyggda av linjära eller förgrenade kedjemolekyler kallas termoplaster. Den sammanhållande kraften mellan molekylerna är svaga sekundära bindningar, s.k Van der Waals-bindningar 27. Vid uppvärmning så släpper bindningarna och molekylerna får en ökad rörlighet och materialet börjar smälta. En termoplast kan smältas om ett obegränsat antal gånger, dock med en viss kemisk nedbrytning. Termoplaster kan bearbetas med de vanligaste bearbetningsmetoder såsom formsprutning, formblåsning, extrudering och rotationsgjutning 28. Polymerer som är delkristallina innebär att de består av symmetriskt uppbyggda kedjor se figur 8b). Polymerer som inte har en ordnad struktur kallas för amorfa, och deras kedjor är helt oregelbundna se figur 8a) 29 .
Figur 8: A) Amorf struktur B) Delkristallin struktur Källa: Plastnet [1]
Tabell 1: Fördelar och nackdelar för Delkristallina respektive Amorfa plaster Källa: C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 18
Delkristallina plaster
Amorfa plaster
Fördelar: Utmattningshållfasthet Kemikalieresistens Hög formbeständighet Goda flytegenskaper hos smältan
Fördelar: Formstabilitet, låg formkrymp
Nackdelar: Kryptendens över !! Temperaturberoende styvhet Hög formkrymp Opakt material
Nackdelar: Begränsad kemikalieresistens Risk för spänningssprickbildning
27 28 29
C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 15 Plastnet [1] C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 16
18
Rapporten kommer behandla ett urval av basplasterna (se figur 9), både amorfa och delkristallina. De plaster som kommer behandlas är PS, ABS, HD/LD-PE och PP, Tabell 2 visar deras respektive teknisk data.
Figur 9: Klassifiering av termoplaster Källa: Plastnet [1]
Tabell 2: Tekniska data för plasterna PS, ABS, HDPE, LDPE och PP Källa: C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 408-409
Längdutvidgning Glastemperatur Smälttemperatur Max. anv. i luft Max. anv. i vatten Linjär formkrymp (%) E-modul (GPa) Draghållfast (MPa) Vattenupptagn. 24h (%)
PS 5,0 - 8,5 100
ABS 6,0 - 13,0 110
55 - 85
60 - 90 65 - 90 0,4 - 0,9 2,1 45 0,2/0,45
0,2 - 0,6 3,3 50 0,03/0,1
HDPE 11,0 - 20,0 -120 117 - 145 80 - 100 70 - 100 2,0 - 5,0 0,8 30 <0,01
LDPE 10,0 - 22,0 -120 100 - 120 50 - 80 50 - 70 1,5 - 5,0 0,2 10 <0,01
PP 5,8 - 11,0 -18 160 - 168 90 - 120 90 - 100 1,0 - 2,5 1,5 - 2 37 0,01/0,03
19
Figur 10: E-modul/Slagseghet hos utvalda plaster Källa: C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 220
Kravspecifikation för material till vattenkanna: • • • • • • • • • • •
Reptålig Hög ytfinish, ythårdhet Lågt pris Icke vattenabsorberande God fuktresistens Liten formkrymp Bra dimensionsstabilitet Infärgningsmöjligheter Resistent mot kemikalier (diskmedel/blomnäring - kväve i amoniumform) Likvärdig densitet med polystyren (så lik original som möjligt) Möjlig att limma/svetsa ihop
20
3.2
Polystyren (PS)
Amorf termoplast Polystyren eller styrenplast är den plast som användes i vattenkannan vid produceringen 1959. Polystyren är ett hårt och styvt material som har väldigt låg vattenabsorption 30. Materialet har en densitet på 1,05 g/cm³. Materialet har en låg formkrympning, ett lågt pris och har obegränsade infärgningsmöjligheter. Styrenplast har en glasomvandlingstemperatur på ungefär 100℃ 31. Några nackdelar med styrenplast är att det är sprött, och har en låg resistens mot oljor och lösningsmedel 32. Materialet gulnar och blir sprött utomhus pga. UVstrålningen. PS kan formsprutas, svetsas och limmas. Prisindex är 1,25 33
Figur 11: Miljömärkning Källa: http://www.easy-green-living.org/images/plastic-recycling-codes.jpg
Tabell 3: För- och nackdelar med PS Källa: C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 96
Fördelar
Nackdelar
Slagtålig Hårt och styvt Låg vattenabsorption Liten formkrympning Obegränsade infärgningsmöjligheter Lågt pris Låg densitet
Spröd Låg resistens mot oljor och lösningsmedel Begränsad väderbeständighet
Figur 12: Polymeriseringsreaktion av polystyren Källa: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/87/Polystyrol.png
30 31 32 33
C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 96 Plastex [11] Prplast [7] C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 333
21
3.3
Styrenbaserad plast (ABS)
Armorf termoplast ABS är en sampolymer med olika mängd akrylnitril-, butadien- och styren-monomerer, se figur 15. ABS har en god kombination av mekaniska och kemiska egenskaper. ABS har en densitet på ca 1,05 g/cm³, har hög slagseghet, ythårdhet, ytfinish och relativt god kemisk beständighet 34. ABS har även obegränsade infärgningsmöjligheter. ABS har en glasomvandlingstemperatur på ungefär 100 − 120℃ beroende på kvalitet 35. Nackdelen med ABS är att det har en begränsad väderbeständighet (gulnar och blir sprött), och är dessutom ganska dyrt i förhållande till polystyren och andra plaster. ABS har låg resistens mot vissa lösningsmedel 36. ABS kan formsprutas, svetsas och limmas. ABS kan armeras med glasfiber och får då en ökning av styvheten (E-modulen) med 2-3 ggr. ABS kan elektropläteras (förkromas). Prisindex är 2,1 - 2,8 37
Figur 13: Miljömärkning Källa: http://www.easy-green-living.org/images/plastic-recycling-codes.jpg
Tabell 4: För- och nackdelar med ABS Källa: C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 98
Fördelar
Nackdelar
Slagtålig Ythårdhet Kemiskt beständig Liten formkrypning Lätt att limma och svetsa Beständig mot vatten Obegränsad infärgning
Dyrast Begränsad väderbeständighet Låg resistens mot vissa lösningsmedel
Figur 14: De A- B- och S-monomererna som ingår i ABS Källa: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/82/ABS_resin_formula.PNG
3.4 34 35 36 37
Polyeten (PE)
C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 98 Plastex [11] Prplast [8] C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 333
22
Kristallin termoplast Polyeten är en vit till färglös termoplast som finns i några varianter med olika egenskaper, de vanligaste är: LD (low density)-polyeten: Densitet 0,910 - 0,940 g/cm³ HD (high density)-polyeten: Densitet 0,940 - 0,965 g/cm³ HD polyeten är styvare och har en hårdare yta än LD-polyeten. "Etenplast är relativt beständig mot kemikalier 38, har låg vattenabsorption och kan användas tillsammans med livsmedel 39. Den är dessutom lätt, har god slagseghet och ett lågt pris. PE brinner lätt, har dålig väderbeständighet i opigmenterad form och begränsad värmebeständighet. Den är dessutom mycket svårlimmad och svår att förse med grafiskt tryck 40. PE har obegränsade infärgningsmöjligheter. PE har hög längdutvidgningskoefficient och låg resistens mot krypning. De mekaniska egenskaperna är dessutom starkt temperaturberoende. PE har en glasomvandlingstemperatur på ungefär −120℃ och smälttemperatur på ungefär 115 − 140℃ för HDPE och ungefär 105 − 125℃ för LDPE. HD/LD-PE kan formsprutas och svetsas. Prisindex är 1,0 41
Figur 15: Miljömärkning Källa: http://www.easy-green-living.org/images/plastic-recycling-codes.jpg
Tabell 5: För- och nackdelar med PE Källa: C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 107
Fördelar
Nackdelar
Billigast Beständig mot kemikalier Låg vattenabsorption Slagtålig Låg densitet Obegränsad infärgning
Svår att limma Bergränsad väderbeständighet Hög formkrympning Låg reptålighet
Figur 16: Struktur för polyeten Källa: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c5/Polyethylene-repeat-2D.png
3.5 38 39 40 41
Polypropen (PP)
Prplast [9] C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 107 Plastex [11] C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 333
23
Polypropen är utan tillsatser vitt till färglöst som oftast används i delkristallin form, och är liknande etenplast men styvare 42. Bra mekaniska egenskaper även vid höga temperaturer. Hög utmattningshållfasthet, låg densitet (0,90 g/cm³), goda elektriska egenskaper, god kemikalieresistens 43 och goda mekaniska egenskaper gör propenplast användbart i en mängd olika sammanhang, speciellt där höga krav på temperaturresistens och mekanisk hållfasthet ställs 44. PP bryts lätt ned av UV-strålning och måste stabiliseras för utomhusbruk. PP är en “fet” plast och är mycket svår att limma. PP har en glasomvandlingstemperatur på −10℃ och smälttemperatur på ungefär 165℃. PP kan formsprutas och svetsas. Prisindex är 1,1 45
Figur 17: Miljömärkning Källa: http://www.easy-green-living.org/images/plastic-recycling-codes.jpg
Tabell 6: För- och nackdelar med PP Källa: C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 110
Fördelar
Nackdelar
Låg densitet Hög utmattningshållfasthet God kemikalieresistens Billig Obegränsad infärgning
Begränsad väderbeständighet Svår att limma med sig själv
Figur 18: Struktur för polypropen Källa: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f9/Polypropylen.svg
42 43 44 45
C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 109 Prplast [10] Plastex [11] C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 333
24
3.6
Resultat
Vid val av material så föll det ganska naturligt på polystyren. Det var det materialet som användes vid produktionen 1959. Polystyren är också det materialet som följer kravspecifikationen bäst. Materialet har utmärkta egenskaper vid kontakt med vatten och har en låg vattenabsorption. Styren är basråvaran för polystyren. I januari 2009 var priset på styren 555 €/ton. Idag 2011 så ligger priset på 1150 €/ton [4].
Figur 19: Visar prisförändringen på Styren från 2009 - 2011 Källa: Polymervärlden nr 3, april 2011, sid 15
I januari 2009 var priset på GP-PS (General Purpose-PS) 8.15 SEK. Idag 2011 så ligger priset på 14.40 SEK beroende på höga styrenpriser.
Figur 20: Visar prisförändring på PS från 2009 – 2011 Källa: Polymervärlden nr 3, april 2011, sid 17
25
4
Sammanfogning av plastkomponeter
Sammanfogning av plast behövs då man inte kan producera detaljen i ett enda stycke, utan måste tillverkas i flera delar. Det finns olika sätt att sammanfoga plastdetaljer med varandra. De vanligaste metoderna är limning, svetsning, nitning, snäppning och skruvning 46. Vilken metod som lämpar sig bäst beror på komponenternas storlek, material, krav på mekaniska egenskaper, arbetstemperatur och i vilken miljö produkten kommer att användas i 47. Om två plasthalvor ska svetsas ihop måste de bestå av termoplaster, så att fogen kan smältas ihop 48. Om halvorna består av härdplast fungerar inte svetsning utan man måste tillämpa limning eller mekanisk fogning med skruv- eller snäppförband. Limning och mekaniska förband används också för fogning av termoplastdetaljer 49. I fallet med vattenkannan krävs en metod som är snabb och kostnadseffektiv. Fogen måste också vara vattentät, därför kommer vi endast att titta på svetsning och limning.
4.1
Svetsning
Svetsning av detaljer i termoplast innebär att man smälter ihop två komponenter i en gemensam smältfog, som bildas genom friktions- och skjuvkrafter eller annan uppvärmning. Det finns olika typer av svetsning, vanligast förekommande är varmlufts-, ultraljuds-, rotations-, spegel- och lasersvetsning 50. Tabell 7: För- och nackdelar med svetsning Källa: C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 281
Fördelar
Nackdelar
Ger starka fogar Tillförs inget främmande material till detaljen Fogen tål samma temperatur som grundmaterialet Snabb metod Ytorna blir släta
Härdplaster kan inte svetsas Kan uppkomma obehagliga ljud Dyr
4.1.1
Ultraljudssvetsning
Ultraljudssvetsning är en mycket vanlig metod för fogning av plastdetaljer. Metoden används främst vid tillverkning av vitvaror, komponenter till bilar och till leksaker. Ultraljudssvetsning använder låga vibrationsamplituder med hög energi som höjer temperaturen i kontaktytan mellan två plastkomponenter på grund av friktion. På grund av molekylernas rörlighet under friktionen så smälter materialet ihop inom en smältzon. Den ena komponenten sitter fast monterad i en fixtur (se figur 21) och den andra komponenten utför en sinusformad vibration 51 .
46 47 48 49 50 51
C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 280 C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 280 Plastnet [25] C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 280 C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 281 Plastnet [25]
26
Figur 21: Utrustning vid ultraljudssvetsning Vid ultraljudssvetsning så alstras det mekaniska svängningar som har så hög frekvens och därmed en liten våglängd vilket gör att det inte uppfattas av det mänskliga örat. Frekvensen på ultraljudsvetsning ligger mellan 20 kHz och 50 kHz 52. Unga människor som oftast har bäst hörsel har sin högsta gräns vid ungefär 20 kHz. Högfrekvent ljud (så kallat ultraljud) används vid en rad olika tillämpningar, bl.a vid medicinska diagnoser. Den höga intensiteten i svängningarna används även för att åstadkomma kemiska och fysikaliska förändringar och utnyttjas bl.a vid lödning och rengöring av metall (så kallad ultraljudsrengöring) 53. En maskin som utför ultraljudssvetsning kan foga ihop ca 30 detaljer per minut och ibland även upp till 60 detaljer i helautomatiska anläggningar 54. När man svetsar ihop stora detaljer brukar flera maskiner samverka. Delkristallina plaster som har snäva smältintervall fogas med en så kallad klämfog, se figur 22. Amorfa termoplaster har brett smältintervall och fogas vanligen med en så kallad stumfog. En stumfog innebär att fogytorna ligger mot varandra, se figur 22".
Figur 22: Utformning av svetsfogar Källa: Plastnet [24]
52 53 54
C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 281 Plastnet [23] H. Stenberg, Stebro plast AB
27
De delkristallina termoplasterna är svårare att ultraljudssvetsa än de amorfa termoplasterna. Detta beror på att de delkristallina materialen dämpar svängningarna mer än vad de amorfa gör och detta ger en sämre överföring av vibrationer 55. För att undkomma detta problem kan man höja energinivån och förkorta avståndet mellan horn och fog, där hornet är en halvvågsresonator som avger rätt anpassade ultraljudsvibrationer. Goda svetsfogar kan åstadkommas om komponenterna är gjorda av samma material och om fogytorna är rätt uformade. Nackdelarna med ultraljudssvetsning är att obehagliga ljud kan uppkomma och att det endast är vissa plastmaterial som kan fogas ihop. Andra besvärligheter är dyrbar utrustning samt löpande kontroll av den 56. Efter att ha pratat med Henrik Stenberg på Stebro plast så kom vi dock fram till att denna metod inte skulle kunna fungera för att vattenkannan är för stor. Detta verifierades också av Johan Sundin på AB Sundplast.
55 56
Plastnet [24] C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 282
28
4.1.2
Spegelsvetsning
Spegelsvetsning eller värmesvets är en av de enklaste metoderna vid plastsvetsning. Spegelsvetsning (Hot plate welding) består av elektrisk upphettad platta som är uppvärmd till cirka 300℃. Själva plattan är täckt med teflon som fungerar som släppmedel 57. De två plastkomponenterna monteras fast i fixturer och trycks sedan mot den upphettade plattan så att plasten börjar smälta i de ytor som skall sammanfogas, se figur 24. Därefter så tar man bort den uppvärmda plattan och trycker ihop de två plastkomponeterna med ett litet tryck (0,1 – 0,3 MPa) 58. Själva ihopsmältningen tar ungefär 5 sekunder medan sammanfogningen tar ungefär 10-30 sekunder och hela förloppet med att fästa komponenterna i fixturerna och svetsa tar totalt cirka 1 minut 59. Spegelsvetsning kan användas för att foga både små och stora detaljer som är tillverkade i termoplastiska material. De två plastkomponenterna måste vara av samma materialtyp för en optimal sammanfogning. Metoden lämpar sig särskilt för delkristallina material som polyeten och polypropen, som är svåra att svetsa med andra metoder. Verktygskostnaden för ett sådant verktyg till vattenkannan skulle vara cirka 250000 kr 60.
Figur 23: Beskrivning av spegelsvetsning Källa: Plastnet [25]
57 58 59 60
Plastforum [21] Plastnet [25] H. Stenberg, Stebro plast AB H. Stenberg, Stebro plast AB
29
4.1.3
Lasersvetsning
Laser är en förkortning för Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 61. Metoden infördes i mitten av 1990-talet. Tidigare var lasersvetsning en dyr metod då det var ont om erfarenhet och verktygen kostade väldigt mycket pengar men idag börjar metoden bli allt vanligare. Lasersvetsning är en snabb metod med hög noggranhet, som ger minimal värmetillförsel och därmed en liten värmepåverkad zon. Oftast behöver man inga tillsatsmaterial till fogen. Lasersvetsning använder sig av en laserstråle för att smälta plasten och metoden används både för svetsning och skärning/bearbetning av materialet. Laserstrålen fokuseras med hjälp av speglar och ger en koncentrerad uppvärmning av materialet. Strålen kan transporteras lång väg i luft utan att förlora energi. Detta innebär att man inte behöver montera lasersvetshuvudet i laserns omedelbara närhet. Lasersvetsning kan utföras på två sätt, antingen genom så kallad värmeledningssvetsning eller genom nyckelhålssvetsning (keyhole welding). Värmeledningssvetsning överför laserenergin till materialet genom en punktformig källa som rör sig över materialets yta. Laserstrålen värmer upp materialets yta och värme leds in i materialet. Den smälta som bildas är halvcirkelformad. Vid nyckelhålssvetsning så blir uppvärmningen av materialet mycket snabb pga en fokuserad stråle med hög effekttäthet. Detta leder till att materialet smälter och förångas. När materialet förångas bildas ett hålrum som tränger djupt ned i materialet. För att skydda känsliga delar används en skyddsgas, vanligen Helium eller Argon 62. Lasersvetsning utförs i huvudsak som stum- eller överlappsfog, se figur 25.
Figur 24: Utformning av svetsfogar Källa: Plastnet [24]
Två lasersystem användes inom industrin: CO2-laser och Nd: YAG-laser (Neodymium: Yttrium-Aluminium-Garnet) 63. CO2-lasern använder speglar för att rikta strålen från lasern till arbetsstycket. Normaleffekt som användes inom industrin är 5-12 kW (max möjlig effekt 45 kW). Nd: YAG-lasern använder antingen speglar och/eller fiberoptik för att leda laserstrålen. Användandet av optisk fiber i kombination med robot gör Nd: YAG lasersvetsning till en mycket flexibel process. Maximaleffekt är 4 kW.
61 62 63
Svetskommissionen [22] Svetskommissionen [28] Svetskommissionen [22]
30
4.2
Limning
När kannan började produceras 1959 så använde man sig av metoden att limma ihop de två komponenterna. Detta var en ganska mödosam process då det tog väldigt lång tid och det frigjordes farliga gaser från limmet/lösningsmedlet. Därför krävs det väldigt bra ventilation vid limning. Det är svårt att få till jämna bra limfogar, men om man är noggrann vid genomförandet så kan man ändå uppnå ett gott resultat. För optimalt resultat så är förbehandling av plastytan nödvändig för de flesta plaster vid limning. Förbehandlingen består i grunden av att avlägsna ämnen, som är förödande för limmets vidhäftning till komponenten 64. Sådana ämnen är formsläppmedel, vatten, oljor och mjukgörare, som tränger ut genom plastens yta och ger en svag fog vid limning. De avlägsnas med lösningsmedel, genom slipning eller lätt upphettning. Hållfastheten i en limfog kan snabbt sjunka om temperaturen stiger. Det är viktigt att limfogen utformas korrekt för optimal hållfasthet (se figur 21). Därför måste man lära sig konstruera för limning" och inte bara anpassa sin limfog för limning. Ofta testas limning som sammanfogningsmetod i ett sent skede som ersättning när andra metoder inte fungerar. För att verkligen kunna utnyttja limningens fördelar gäller det att redan från början anpassa konstruktionen för limning 65. Det är också väldigt viktigt att veta vilka material man skall limma innan man kan välja lim.
Figur 25: Utformning av limfog Källa: C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 288
64 65
Limguide [20] A. Dingizian, ABA-ARSANI
31
Styrkan hos en limfog beror på mekanismer som adhesion och kohesion 66. Med adhesion så menas den molekylära vidhäftning som finns mellan två kroppar vid nära kontakt och kohesion innebär bindningen mellan molekyler och atomer inom ett material. Kohesiva krafter förekommer i både limmet och i respektive komponent. De adhesiva krafterna verkar för vidhäftningen mellan limmet och en komponent. Man skiljer mellan mekanisk och specifik adhesion. Mekanisk adhesion uppstår då limmet är mekaniskt förankrat i komponentens porer. Den specifika adhesion eller renodlade adhesionen är ett resultat av intermolekylära krafter dvs. sekundära bindningar mellan makromolekyler i form av dispersionskrafter (van der Waals krafter) eller polära krafter. Både de adhesiva och kohesiva krafterna är av detta slag och verkar inom korta avstånd av några nanometer. Limmet måste således vara i omedelbar kontakt med komponenten för att verka effektivt. Därför måste komponentens ytor vara noggrant rengjorda från smutspartiklar, fett, smörj- och släppmedel, som annars reducerar vidhäftningen. När man pressar två fasta ytor mot varandra så uppstår det ingen intim kontakt. Anledningen är att strukturen på ytan är grov i mikroskala. Grovheten på ytan hos en maskinbearbetad plastdetalj är ungefär 2-4 µm och efter polering av ytan ungefär 0,02-0,25 µm 67. Strukturen i en komponents yta har en stor betydelse vid limning. Man brukar skilja på den verkliga ytan, som är betydligt mindre och motsvarar kontakten mellan limmet och komponenten enligt figur 27.
Figur 26: Beskrivning av kontakten mellan lim och komponent Källa: Plastnet [27]
När man limmar så ska limmet appliceras i en så flytande eller mjuk form som möjligt som möjliggör att sprickor i ytan fylls igen. God vätning får man då attraktionen mellan limmet och komponentens molekyler är större än mellan molekylerna i limmet 68. Lim kan klassificeras på olika sätt - efter sin kemiska sammansättning eller efter sitt sätt att bindas. Limmets övergång, från flytande till fast form kan grovt indelas i tre sätt 69: • • •
66 67 68 69
Kemiskt stelnande lim - härdande lim Fysikaliskt stelnande lim - torkande lim Avsvalnande lim
C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 286 Plastnet [27] Plastnet [27] Plastforum [21]
32
De kemiskt stelnande limmen binder genom en kemisk reaktion och ger i regel god beständighet mot hög temperatur, vatten, kemikalier och långa belastningar. De härdande limmen är antingen 2-komponentslim, där ett harts blandas med en s.k. härdare, varvid den kemiska reaktion börjar eller 1-komponentslim som börjar härda först vid pressning av fogen och genom uppvärmning. Härdande lim är vanligast vid höga krav på fogens hållfasthet och beständighet mot krypning, kemikalier, vatten och värme. De torkande limmen innehåller ett lösningsmedel som försvinner när limmet stelnar. När lösningsmedlet försvinner krymper limmet ihop och blir porigt. Ett torkande lim kan försvagas eller upplösas vid kontakt med det ursprungliga lösningsmedlet, som exempelvis kan vara vatten. De avsvalnande limmen binder när de svalnar 70. En prototypprovning strax efter limningen ger visserligen ett värde på fogens styrka på kort sikt. Men på längre sikt kan fukt och andra effekter påverka resultatet på ett sätt som är svåra att bedöma. Vanligast vid provning är skjuvprov och fläkning enligt ISO och ASTM, det är även vanligt med ultraljud där en dålig fog ger ett kraftigare eko 71. Efter att ha pratat med Lars Johansson och Jan Sterge på Limtek så fann vi att lösningsmedelslim är det bästa valet till vattenkannan. Lösningsmedelslim är egentligen inget lim utan ett slags lösningsmedel som löser upp plasten och ”kallsvetsar” ihop en tät fog. Tabell 8: För- och nackdelar med lim Källa: C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 286
Fördelar
Nackdelar
Olika materialslag kan sammanfogas Lösningsmedelslimmade fogar är starka Ytorna blir släta Fogen får bra utmattningshållfasthet Väderbeständiga, fukt- och gastäta förband Billig metod Går att applicera snabbt
Vissa material kan inte limmas Ökad risk för kemiska angrepp Tid att stelna eller härda Måste förbehandlas Limmet åldras i olika miljöer Kräver god ventilation Miljöfarligt
70 71
Karlebo handbok, sid 733 L. Johansson, LIMTEK AB
33
4.3
Resultat
Sammanfogningen kommer utföras med lim, pga. att det är den metod som är relativt snabb och billigast i ett så tidigt skede av produktionen. Svetsning kan bli aktuellt ju längre in i produktionen man kommer. Resultat och försäljning påverkar om man eventuellt ska investera i ett spegelsvetsverktyg. För att optimera limfogen så har utformningen gjorts enligt figur 28.
Figur 27: Utformning av limfog
Tabell 9: Lim som fungerar att limma PS med PS Källa: C. Klason & J. Kubát, Plaster - Materialval och materialdata, sid 290 & Karlebo handbok, sid 736
Lim Uretangummi Styren-butadiengummi Akrylplast Epoxi Fenol-polyvinylbutyral Polyester Metylenklorid Etylendiklorid Trikloretylen Etylketon Toluen Xylen Polyuretan Cyanoakrylat Polyvinylacetat Metylmetakrylat
Typ av lim Elastormerlim, kontaktlim på gummibas Elastormerlim, kontaktlim på gummibas Termoplastiskt lim – smältlim Härdplastlim – härdbara lim Blandlim – harts Blandlim – harts Lösningsmedelslim Lösningsmedelslim Lösningsmedelslim Lösningsmedelslim Lösningsmedelslim Lösningsmedelslim 1 el. 2-komponent, fukthärdande 1-komponent, fukthärdande Torkande 2-komponent
34
5
Lim
5.1
Lösningsmedelsbaserade lim
Ett lösningsmedel är en vätska som kan lösa upp ett fast ämne eller blanda sig med en vätska och därigenom bilda en homogen lösning. Hälsorisken med lösningsmedel bör uppmärksammas.
Brandfarligt
Giftigt
Hälsovådligt
Miljöfarligt
Trikloretylen - !! !"#! Trikloretylen (även kallat tri) är vid rumstemperatur en vätska med karakteristisk eterliknande lukt. Ämnet är obrännbart, kokar vid 87,5 °C och har en densitet på 1,47 g/cm³ 72. Trikloretylen löser vissa plaster, och kan därför användas för limning ("kallsvetsning") av dessa. Mot polystyren reagerar trikloretylen skadligt, genom att inte lösa, utan i stället initiera sprickbildning 73. Se bilaga 10.1 och 10.2
Metylenklorid - !"! !"! Metylenklorid (diklormetan) är en lättflyktig tung vätska med svagt söt doft 74. Ämnet har en densitet på 1,325 g/cm³. Diklormetan är ett synnerligen gott lösningsmedel som är lösligt i de flesta andra organiska lösningsmedel 75. Dock är det förenat med en mängd risker. Mer än 70 % av inandad diklormetan tas upp direkt av blodet och sprids i kroppen. En del bryts ned till kolmonoxid som förstör de röda blodkropparna. Diklormetan har visat sig ge cancer i lungor, lever och bukspottkörtel hos försöksdjur 76. Vidare har den visats vara mutagen och fosterskadande. Se bilaga 10.1 och 10.2
Etylendiklorid - !! !! !"! Etylendiklorid är nu mer känd som 1,2-dikloretan som är en organisk förening. Den huvudsakliga industriella användningen av etylendiklorid är att producera vinylklorid och används för tillverkning av polyvinylklorid (PVC) 77. Det används också för att göra polystyren. Dessutom används den som ett industriellt lösningsmedel för att avlägsna olja och fett. Etylendiklorid är en färglös vätska, med en kloroformliknande lukt och har en densitet på 1,25 g/cm³ 78. Se bilaga 10.2
72 73 74 75 76 77 78
Swed handling [14] Ytforum [29] D. Stoye & W. Freitag, Paints, Coatings and Solvents, sid 352 Kemikalieinspektionen [30] Fisher scientific [15] G. Petersson, Chalmers [31] Labservice [32]
35
Toluen - !! !! eller !! !! !"! Toluen eller metylbensen är vid rumstemperatur en klar och färglös vätska som luktar petroleum 79. Toluen har, liksom andra lätta aromatiska ämnen, bra lösande förmåga och används som lösningsmedel i färger, bilvårdspreparat och lim 80. Användningen av toluen som lösningsmedel minskar sedan flera år i Sverige. Toluen har en densitet på 0,865 g/cm³. Se bilaga 10.2
Figur 28: Fog limmad med lösningsmedel
79 80
Kemikalieinspektionen [33] Nationalencyklopedin [34]
36
5.2
Övriga limmer
UHU plus epoxi 81 Epoxilim är den mest spridda limtypen bland härdlimmerna och betraktas som ett "allround lim". Epoxilim är tillgängligt både i flytande och i fast form och som 1- respektive 2komponentslim. Limmet är klart och kan blandas med färg för färgsättning. Adhesionen är god mot de flesta material. Epoxilim delas in i rumstemperaturhärdande (flytande) och högtemperaturhärdande (fasta och flytande). Sortimentet är stort varför man oftast kan få ett lim med exakt de önskade egenskaperna. Hållfastheten är beroende av temperaturen. Samtliga epoxilimmer, med undantag av de extremt snabbhärdande versionerna, bör värmehärdas för att erhålla optimala slutegenskaper. Som härdare används oftast polyamid, aminamid eller alifatiska aminer för rumstemperaturhärdande, och dicyandiamid eller aromatiska aminer för högtemperaturhärdande limmer. Slutlig hållfasthet uppnås efter 20 min. Limfogen står bra emot slag, åldrande och fukt.
UHU allplast 30g 82 UHU allplast är färglös, klar syntetisk harts lim för allmän tillämpning i hemmet. UHU allplast uppnår en bra vidhäftning på många typer av plaster som polystyren och typer av polystyren (ABS, SAN, SB, ASA). Begränsad tillämpning på plexiglas (PMMA) och polykarbonat (PC). UHU allplast bildar en hård men flexibel limfog med en termoplastisk karaktär. Den limfogen är resistent i temperaturområdet från -30℃ till ca + 90℃ samt mot vatten, olja och alkohol. Ytorna skall vara rena, torra och fria från olja, fett och damm. En initial hållfasthet uppnås efter 5 - 10 minuter. Slutlig hållfasthet uppnås efter 24 timmar.
81 82
UHU plus [19] UHU allplast [17]
37
UHU plast spezial 31 83 Ett särskilt lim för limning av polystyren och många andra plaster. Hög vidhäftning pga lösningsmedel för upplösning av plast (”kallsvetsning”). Limmet bildar en vattentät, hård och kristallklar limfog. En viss hållfasthet uppnås efter ca 5-10 minuter, slutlig hållfasthet uppnås efter 24 timmar.
UHU por 40g 84 UHU por är ett snabbtorkande kontaktlim, som är speciellt utvecklat för limning av polystyrenskum. UHU por ger ett snabbhärdande, segt självhäftande lim. UHU por är lämplig för limning av hårt plastmaterial. Limmet är nästan färglöst och vattentätt. Ytorna för limning skall vara rena, torra och fria från olja och fett. Det appliceras normalt på båda ytorna. Perioden för vidhäftning beror på mängden lim och absorptionsförmågan i materialet. Fast vidhäftning uppnås mellan 5 och 20 minuter efter applicering.
83 84
UHU plast spezial [35] UHU por [18]
38
5.3
Tester
Vid testning av lim så var en begränsning vad som finns på marknaden till konsumenter. Lösningsmedel som är så starka så att de löser upp plast säljs enbart till företag med speciella licenser. Vid testning så testas följande: Tid – appliceringstiden och torktid Täthet – vattenbad
Figur 29: Limning på rätt sida (insidan) av fogen UHU allplast Att limma på med UHU allplast gick väldigt snabbt och smidigt. Själva limningen tog cirka 3 minuter. Limmet hade en viss tendens att ”tråda” sig men inte så att det störde själva processen. Det var väldigt enkelt att applicera med hjälp av pipen till limmet. Efter att ha limmat den ena komponenten så tryckte man ihop de två komponenterna och spände fogen med vanlig hushållstejp. Fogen och limmet fick torka i spänt läge (med tejpen på) i ca 3-4 timmar. Limmet och fogen var tät även vid påfyllning av vatten i kannan. Vid vattenbadet så såg man någon enstaka bubbla som kom upp från nederdelen av vattenkannan. UHU por Limning med UHU por var betydligt svårare än med allplast. Själva processen tog ungefär lika lång tid, ca 3 minuter. UHU por snabbtorkade dock väldigt snabbt så det hann få en liten hinna på sig innan vidhäftning med den andra komponenten. Fogen spändes på likadant sätt som med UHU allplast och limmet fick torka i spänt läge i ungefär lika lång tid (3-4 timmar). Vid påfyllning av vatten i kannan så började man se små droppar som trängde sig igenom och till slut släppte fogen rejält på baksidan av kannan så det började rinna kraftigt. Detta kan bero på att vid appliceringen av limmet så började jag på denna del av kannan och detta medförde en sämre vidhäftning pga hinnan som bildades.
39
UHU plast spezial Att applicera plast spezial limmet var oerhört smidigt då det var ganska lättflytande och på limflaskan fanns en monterad metallpip som var smal och passade perfekt i skåran för limfogen. Själva appliceringen av limmet tog ungefär 1-2 minuter. Själva limmet var som sagt ganska lättflytande och såg ut som vatten när man applicerade det. Fogen spändes på liknande sätt som de övriga limmen och lossades efter 3-4 timmar. Limmet och fogen var tät efter påfyllning av vatten och även i vattenbadet så såg man inga luftbubblor, se figur 31.
Figur 30: Testar tätheten i vattenbad
40
5.4
Resultat
Efter testerna så visar det sig att det kanske inte krävs så avancerade lim som lösningsmedel. UHU plast spezial limmet höll tätt och var dessutom väldigt enkelt att applicera. En flaska plast spezial kostar 51 kr på Matton och vid appliceringen så förbrukades inte mycket av flaskans totala innehåll på 31g 85. Det som talar för lösningsmedel istället för ett vanligt konsumentlim är att lösningsmedelsfogen antagligen kommer hålla tätt betydligt mer frekvent än vad ett konsumentlim kommer göra när man börjar producera i större volymer. Vid plastmässan den 5 maj 2011 kontaktades företaget LIMTEK i Bromma. De fick ett par exemplar av kannan och ska nu göra tester av vilka lim (lösningsmedel) som fungerar för vattenkannan. Företaget hade även en maskin (en slags robot av typ Janome jr 2500N) där man programmerade en bana där sedan roboten applicerade limfogen. Själva banan för vattenkannan skulle ta 1-2 minuter att gå för roboten. Fördelen med att använda en robot är att man får rätt mängd och en jämn limfog och att det sker med automatik. En annan avgörande fördel är att man inte behöver vara i närheten av alla farliga ångor eller gaser som kan uppstå. Vad denna beredning kommer kosta är tyvärr inte möjlig att redovisa vid det här stadiet utan beror på i vilka seriestorlekar som beräknas produceras.
Figur 2831: 32: Kannan Limfogen till vänster T.V är är med limmad plast med spezial UHU ochPlast T.H med spezial lösningsmedel och den till höger med lösningsmedel 85
Matton [39]
41
6
Förpackning
Vid framställande av kartong så har fokus legat på ett attraktivt yttre och ett snyggt artwork. Själva kartongen är en standardlåda och ser ut som en vanlig skokartong, med ett lock och en botten. Själva kartongen ska vara neutral och innehålla den informationen som behövs och inget mer. I kartongen ska det finnas en folder som ska innehålla mer information om vattenkannan och ev. skötselråd.
Figur 33: Kartong, lock T.V och botten T.H
Figur 34: Grafiskt koncept till vattenkannan
42
7
Försäljning
När man börjar tillverka en produkt så gör man ofta en liten mindre serie för att kolla så att produkten fungerar som den ska och uppfyller de krav man har ställt på produkten. Vattenkannan är ingen produkt som kommer att massproduceras, det ska vara en liten begränsad mängd vattenkannor som säljs. Första året räknar man med en produktion på ungefär 1000 kannor, och därefter ungefär 10000-20000 kannor/år. Detta innebär en dyr startprocess, när man måste inhandla ett verktyg för 100000 kronor. Därefter så måste man fatta beslut huruvida man ska gå vidare med de två komponenterna, om man ska svetsa eller limma ihop. Svetsverktyget skulle kosta ungefär 250000 kr och det är en stor utgift i ett så tidigt skede av processen. Därför väljs med stor sannolikhet att använda lim som sammanfogningsmetod. Distributionen av vattenkannan ska ske selektivt och till en begränsad kundkrets. Inga större designkedjor utan mer åt utvalda designbutiker som exempelvis Asplunds, Nordiska Galleriet eller Moderna museets shop. Pris till slutkonsument kommer hamna i närheten av 500kr/st.
43
8
Slutsatser och vidareutveckling
Nästa steg i vidareutvecklingen för vattenkannan är att testa olika lösningsmedel som kan användas för att sammanfoga vattenkannans två komponenter. Detta utförs av LIMTEK som har tillgång till en rad olika lösningsmedel och hjälpmedel. Att använda lösningsmedel som sammanfogningsmetod är förmodligen den bästa metoden för att få en så bra och vattentät fog som möjligt. Dock är det belagt med vissa risker när man handskas med lösningsmedel. Alla lösningsmedel är mer eller mindre farliga. Vid val av lösningsmedel ska man välja de som är minst farliga. För att återlansera Carl-Arne Bregers vattenkanna från 1959 så används de metoder och de material och sammanfogningsmetoder som var aktuella och användes då. Formsprutning i 2 delar som sedan sammanfogas ihop, med antingen lim eller via svetsning. Materialet i kannan är polystyren som användes 1959, pga dess låga vattenabsorption och andra fördelaktiga egenskaper. En eventuell vidareutveckling hade kunnat vara att titta på hur man minimalt skulle kunna förändra formen för att förbättra produktionen och att hoppa över hela sammanfogningsprocessen.
44
9
Källförteckning
9.1
Litteratur
C. Klason & J. Kubát, Plaster – Materialval och materialdata (2001), Liber AB, utgåva 5 ISBN 91-7548-618-0 T. Lindblad, Bruksföremål av plast (2008), Signum ISBN 91-87896-61-3 D. Stoye & W. Freitag, Paints, Coatings and Solvents (1998), Wiley-VCH, utgåva 2 ISBN 3-527-28863-5 Polymervärlden nr 3, april 2011, Polyinfo AB ISSN 1401-5595 Karlebo handbok (2005), Liber AB, utgåva 15 ISBN 91-47-01558-6
9.2
Internet
[1] - Plast - 2011-05-03 http://www.plastnet.se/iuware_files/user/plastnet.se/pdf/Vart_att_veta.pdf [2] - Limning - 2011-05-11 http://www.limprojekt.se/ [3] - Formsprutning - 2011-04-10 http://www.plastnet.se/iuware_files/user/plastnet.se/pdf/bearbetning_a-o/04_07.pdf
[4] - Formverktyg - 2011-04-10 http://www.plastnet.se/iuware_files/user/plastnet.se/pdf/bearbetning_a-o/04_09.pdf
[5] - Formblåsning - 2011-04-12 http://www.plastnet.se/iuware_files/user/plastnet.se/pdf/bearbetning_a-o/05-10_82_87.pdf
[6] - Carl-Arne Breger - T. Gordon - 2011-04-04 http://www.skonahem.com/inredning/design/carlarne_breger/Breger.pdf
[7] - Resistenstabell för PS - 2011-04-27 http://www.prplast.se/media/resistenstabell_f_r_ps_styrenplast.doc
[8] - Resistenstabell för ABS - 2011-04-27 http://www.prplast.se/media/resistenstabell_f_r_abs.doc [9] - Resistenstabell för PE - 2011-04-27 http://www.prplast.se/media/resistenstabell_f_r_pe_polyeten.doc [10] - Resistenstabell för PP - 2011-04-27 http://www.prplast.se/media/resistenstabell_f_r_pp_propenplast.doc
45
[11] - Material - 2011-04-27 http://www.plastex.se/teknik/material.html [12] - Materialinformationsblad om Polystyren - 2011-04-27 http://www.plastinformation.com/2006_PDF/mtrlinfo_ps.pdf
[13] - Säkerhetsblad epoxi - 2011-05-09 http://www.stp.nu/filarkiv/494.pdf
[14] - Säkerhetsblad trikloretylen - 2011-05-09 http://www.swedhandling.com/pdf/297.pdf
[15] - Säkerhetsblad diklormetan - 2011-05-09 http://www.fishersci.se/safenet/pdf/04635734.pdf
[16] - Dispenser för vissa lösningsmedel - 2011-05-09 http://www.kemi.se/templates/Page.aspx?id=3470
[17] - UHU allplast tekniskt blad - 2011-05-09 https://www.uhu-handel.biz/infos_content/download/tds/files/tds_allplast_engl.pdf
[18] - UHU por tekniskt blad - 2011-05-09 http://devicemart.co.kr/mart7//upload/pdf/UHU-Por(50ml).pdf [19] - UHU plus tekniskt blad - 2011-05-11 http://www.supermagnete.de/docs/uhu_plus_endfest_300_eng.pdf [20] - Limguide - 2011-05-09 http://home.no/plastsiden/limguide.htm
[21] - Sammanfogning av plast - 2011-05-09 http://www.c-m.se/Dok/Lathund06.pdf
[22] - Lasersvetsning - 2011-05-09 http://www.svets.se/tekniskinfo/svetsning/metoder/lasersvetsning.4.ec944110677af1e8380 0010079.html
[23] - Ultraljudssvetsning del 1 - 2011-04-24 http://www.plastnet.se/iuware_files/user/plastnet.se/pdf/bearbetning_a-o/05-04_50_56.pdf [24] - Ultraljudssvetsning del 2 - 2011-04-24 http://www.plastnet.se/iuware_files/user/plastnet.se/pdf/bearbetning_a-o/05-07_41_43.pdf
46
[25] - Övriga svetsmetoder - 2011-04-24 http://www.plastnet.se/iuware_files/user/plastnet.se/pdf/bearbetning_a-o/05-08_53_61.pdf [26] - Limning del 1 - 2011-04-24 http://www.plastnet.se/iuware_files/user/plastnet.se/pdf/bearbetning_a-o/0603_98_100.pdf
[27] - Limning del 2 - 2011-04-24 http://www.plastnet.se/iuware_files/user/plastnet.se/pdf/bearbetning_a-o/0603_102_108.pdf [28] - Lasersvetsning - 2011-04-25 http://www.svets.se/4.ec944110677af1e83800010079.pdf?properties=70.56b8d98510eec 17014d800012861
[29] - Trikloretylen - 2011-05-09 http://www.ytforum.com/artiklar/notiser.asp?sDo=getNotisDoc&sNotisID=153&sNotisCateg ory=1 [30] - Diklormetan - 2011-05-09 http://apps.kemi.se/flodessok/floden/kemamne/diklormetan.htm
[31] - Dikloretan - 2011-05-11 http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/72647.pdf
[32] - Säkerhetsblad dikloretan - 2011-05-11 http://www.labservice.se/varuinfoblad/131286.pdf
[33] - Toluen - 2011-05-11 http://apps.kemi.se/flodessok/floden/kemamne/toluen.htm
[34] - Toluen - 2011-05-11 http://www.ne.se/toluen
[35] - UHU plast spezial - 2011-05-10 http://www.uhu-profishop.de/products/de/Spezialklebstoffe/UHU-plast-spezial-Flasche-mitFeindosierspitze-30g.html
[36] - Lösningsmedel - 2011-05-14 http://www.av.se/dokument/publikationer/adi/adi_104.pdf
[37] - UHU Plast spezial - 2011-05-18 http://www.mattonbutiken.se/index/product/id/UHUPLASPE/UHU_PLAST_SPECIAL_31G.h tml
47
[38] - Carl-Arne Breger - 2011-05-30 http://www.ne.se/carl-arne-breger
[39] - UHU Plast spezial - 2011-05-30 http://www.mattonbutiken.se/index/product/id/UHUPLASPE/UHU_PLAST_SPECIAL_31G.h tml
9.3
Intervju
Lars Johansson – LIMTEK AB - www.limtek.com Jan Sterge – LIMTEK AB - www.limtek.com Johan Sundin – AB Sundplast - www.sundplast.se Jan-Olof Wilhelmsson – Tojos plast - www.tojos.se Henrik Stenberg – Stebro - www.stebro.se Annika – Allingsås formplast - www.alingsasformplast.se Aram Dingizian – ABA-ARSANI - www.aba-sys.se Hans-Erik Strömvall - PolyInvent AB - http://www.polyinvent.com
48
10
Bilagor
10.1
Dispenser för vissa lösningsmedel 86
Trikloretylen och metylenklorid Sedan den 1 januari 1996 är det förbjudet att i Sverige använda trikloretylen och metylenklorid yrkesmässigt. De svenska bestämmelserna prövades av EG-domstolen 2000, som i sin dom meddelade att förbud och villkorade individuella dispenser för yrkesmässig användning av trikloretylen befanns vara motiverade med hänsyn till skyddet av människors hälsa. Generella undantag från förbudet är forskning och utveckling m.m. Dispenser i enskilda fall Kemikalieinspektionen får medge dispens från förbudet att använda trikloretylen eller metylenklorid om det finns synnerliga skäl. Normalt anses det föreligga synnerliga skäl om: • • •
Företaget fortlöpande undersöker tänkbara alternativ. Något användbart alternativ ännu inte har blivit tillgängligt för att lösa företagets behov. Företagets användning inte medför oacceptabel exponering.
För att en dispensansökan ska kunna prövas måste det vara väl dokumenterat i vilken grad det föreligger synnerliga skäl. Det är sökanden som ska styrka att kriterierna för att få dispens är uppfyllda.
86
Kemikalieinspektionen [16]
49
10.2
Tidningsutklipp
50
51
10.3
Ritningar
52
53
54
55