TMPT06 – Material & materialval
Del 2 av 2
Kerstin Johansen
Industriell Produktion
Baserat på kursboken ”Manufacturing Processes
for Design Professionals” av Rob Thompson
Vanliga material som ni möter
• Metaller
•
Stål, Koppar, Aluminium, Titan, Magnesium, …
•
Legeringar som ger ”konstruerade” egenskaper hos materialet
• Polymerer
•
I folkmun = plast, men se upp här!
•
Det finns många typer av polymerer! Två huvudgrupper!
• Keramer
•
Icke-metalliska material som skapas vid höga temperaturer
•
Betong, kakel, glas, …
• Naturliga material
2
•
Träbaserade material, t ex plankor, papper, spånskiva
•
Textila fibrer som baseras på naturliga fibrer, t ex ull, lin, bomull
Vad är en keram?
• Ett oorganiskt icke-metalliskt material
•
Kemisk förening mellan en metall och en icke-metall; t ex Kisel och
Kol som ger Kiselkarbid (SiC)
• Tillverkas oftast av lera eller andra mineraler
•
Keram bildas genom att tillföra hög värme länge
•
Värmen gör att materialet genomgår en irreversibel fysisk och
kemisk förändring
• Exempel på keramer:
•
3
Cement, Betong, Tegel, Kakel och Glas
Källor:
Ashby, M.F., 2009, Materials and the Environment;
Thompson, R., 2007, Manufacturing Processes for Design Professionals
och www.wikipedia.org
Keramers uppbyggnad – Struktur 1(2)
• Kristallin struktur dominerar
•
Alltså, ett fast ämne med regelbunden struktur
•
Exakt upprepning av strukturen i alla 3 dimensionerna = tät
packning kan uppnås.
•
Face Centered Cubic (kubiskt ytcentrerat):
•
Hexagonal tätpackning (HCP)
Källa/Bilder: www.wikipedia.org
•
4
Ju mer tätpackat desto högre densitet.
Keramer uppbyggnad – Struktur 2(2)
• Amorf struktur förekommer => glas är amorft
•
•
Inte ens kristallglas är kristallint
•
Kristallglas har tunga ämnen som tillsatser; t ex blyoxid
•
Ger ett relativt mjukt glas som kan slipas
•
Har högt brytningsindex vilket ger en glittrande reflex
Glasets amorfa struktur fås genom kylning av en flytande ”vätska”
Källa: Ashby, M.F., 2009, Materials and the Environment, p.328 och
www.wikipedia.org
5
Typiska egenskaper hos en keram
• Hårda och spröda
•
=> hög elasticitetsmodul
• Värmebeständiga
•
=> hög smältpunkt
• Tål inte spänningar
• Försvagas lätt av sprickor
• Bakterier kan inte reagera med materialet
• Icke elektriskt ledande
• Korroderar inte
•
6
I allmänhet kemiskt stabila
Källa:
Ashby, M.F., 2009, Materials and the Environment
www.swerea.se/sv/ivf/kunskapsområden/keramer
Tillverkning av keramer
• Val av tillverkningsmetod beror på komponentens:
•
Geometri
•
Seriestorlek
•
Krav på egenskaper
• Keramer tillverkas genom kompaktering av pulver
•
Sintring efteråt i hög temperatur
•
Sintring = process där fasta partiklar sammanfogas vid höga temp –
sintringstemp < smältpunkten
Källa: http://lotsen.ivf.se/KonsLotsen/Bok/Kap2/Materialkategorier/Keramer.html
7
Formning av keramer 1(2)
• Slamgjutning
•
Fungerar bra för komplexa geometrier
•
Ger ett material som har god homogenitet
•
Vanligtvis används gips i formen
• Tejpgjutning
•
Används vid tillverkning av tunna skikt – t ex membran eller
sensorer
•
Tjocklek 4 – 400 um
• Direktkonsolidering
•
Pulver omvandlas direkt till enkla geometrier utan
pulverkompaktering
•
Passar för små tillverkningsserier
Källa: http://lotsen.ivf.se/KonsLotsen/Bok/Kap2/Materialkategorier/Keramer.html
8
Formning av keramer 2(2)
• Pressning
•
Mycket vanlig industriell metod för enkla geometrier i stora serier
•
Används ofta till dentalprodukter
• Formsprutning
•
Optimal för stora serier av små produkter
•
Det polymera bindemedlet bränns bort innan sintring
• Friformsframställning (FFF) – Rapid Prototyping
•
Komponenten byggs upp lager för lager
Källa: http://lotsen.ivf.se/KonsLotsen/Bok/Kap2/Materialkategorier/Keramer.html
9
Naturliga material - Trä
• Tillverkningsprocesser
•
CNC bearbetning (s.182 – 189)
•
Laminering av trä (s.190 – 197)
•
Ångböjning (s. 198 – 201)
•
Pappersmassegjutning (s. 202 – 205)
Källa: Thompson, 2007
10
Trä – Många olika materialtyper
Exempel på materialtyper
• Träplanka
Exempel på träslag
• Ek
• Spånskiva
• Körsbär
• MDF-board
• Al
• Medium-Density Fiber
• Plywood
• Gran
• Massonite
• Furu
• Papper
• Bambu
• Pappersmassa
• …
• Cellulosafiber
11
• Björk
CNC-bearbetning av trä
• Används för svarvning, fräsning, borrning mm.
• Har en låg verktygskostnad
•
Ger en låg kostnad per producerad komponent
• Är en väldigt flexibel maskin
• Passar alla typer av produktionsvolymer
• Tiden i maskinen beror på hur komplex komponenten är
• Bra ytfinish som kan förbättras genom t ex slipning
• Maskinen är väldigt automatisk
• CNC kan användas till i stort sett alla material – så också trä!
Källa: Thompson, 2007
12
Montering av träprodukter
• Denna process betydligt mindre automatiserad
• Här dominerar hantverket och den manuella processen
•
Det kräver tid => högre lönekostnader
•
Automation kostar i maskininvestering
• Ofta fogar man med vitlim i träprodukter
•
Plugg eller pluggliknande form på t ex ett ben eller en ”ryggpinne”
på en pinnstol
Källa: Thompson, 2007
13
Laminering av trä
• Låg verktygskostnad
• En lagom kostnad per producerad produkt
• Allt från en-stycks-tillverkning till medium-stora volymer
• Cykeltid: Medium – långa cykeltider
• Ger väldigt hög kvalitet
Källa: Thompson, 2007
14
Finns 3 huvudtyper av laminering
• Kerfing
•
Här gör man skåror i trät som möjliggör böjning vid laminering
• Böjträ laminering
•
Här limmar man plankor till stora limträbalkar
• Fanér laminering
•
Här limmar man tunna fanér-skivor mot varandra och böjer
Källa: Thompson, 2007
15
Ångböjning
• Låg verktygskostnad
• Relativt hög till hög tillverkningskostnad
• Väldigt lång cykeltid – upp till 3 dagar!
• Ger väldigt bra kvalitet och hög styrka
• Allt från en-stycks-tillverkning till hög volym
Källa: Thompson, 2007
16
Metoden ångböjning
• Liknar väldigt mycket rörböjning
• Hårda träslag är mer lämpade för ångböjning än mjuka.
• Man förbereder komponenterna till rätt form t ex svarvning
• Sen badar man dessa i 24 timmar i 60-gradigt vatten
• Därefter ångtrycker man de i 1-3 timmari 104-gradig vattenånga
•
Detta medför att ligninet plasticerar lagom mycket för böjning
• Sen böjer man trät runt en fixtur till önskad form
• Därefter torkar man komponenten i 2 dygn i sin fixtur i ca 80
gradig värme.
Källa: Thompson, 2007
17
Gjutning av pappersmassa
• Låg till mellankostnad för verktygen
• Låg till mellanhög kostnad per produkt
• Snabb cykeltid men kräver ca 15 minuter torktid
• Väldigt varierande kvalitet
• Ger äggkartongsstruktur på produkterna!
Källa: Thompson, 2007
18