Björn Arén del 25 - Uppfinnaren & Konstruktören

KONSTRUKTION<br />

Artikelserie – Del <strong>25</strong><br />

Mer om<br />

material<br />

och olika förhållanden<br />

som de påverkas av<br />

Ska man få olika material att förenas i<br />

en och samma produkt är det viktigt<br />

att förstå vilka förutsättningarna är för<br />

att det ska fungera.<br />

I det här numret fortsätter därför<br />

<strong>Björn</strong> <strong>Arén</strong> materialodyssén från förra<br />

numret. Det handlar om såväl brott,<br />

spänningar, sprickning och materialströmmar.<br />

Men först en tävlingsuppgift!<br />

Av <strong>Björn</strong> <strong>Arén</strong><br />

universitetslektor<br />

i produktutveckling<br />

vid Örebro Universitet<br />

bjorn.aren@oru.se<br />

aren@tele2.se<br />

JAHA, DÅ VAR SEMESTERN SLUT. Hustrun och jag<br />

var nere på kontinenten och drog runt det<br />

portabla huset – och digitalkameran drog batterier.<br />

Kameran tyckte så mycket om batterier att<br />

vi fick en riktig soptipp framför instrumenten,<br />

22 <strong>Uppfinnaren</strong> & <strong>Konstruktören</strong> 4/2011 | www.uppfinnaren.com<br />

Bild 235. Uttjänta batterier på komihågplats framför instrumentbrädan.<br />

eftersom vi inte vet hur man kastar batterier<br />

utomlands, bild 235. Där låg batterierna stilla<br />

och snällt under resan.<br />

Nu när bilen bara används till och från jobbet,<br />

så fick batterierna nytt liv. Inte så att<br />

strömmen kom tillbaka, men de började röra<br />

sig och åkte ner på golvet både nu och då.<br />

Det var oväntat, så det får bli en tävling igen.<br />

Den som först förklarar varför batterierna<br />

blev oroliga då semestern var slut, skall få en<br />

bok ”Utveckling är att se, söka och förverkliga”.<br />

Den som ger en rolig, men rimlig förklaring<br />

skall också få en bok. Adressen är<br />

aren@tele2.se.<br />

TRASIGT GLAS<br />

I förra numret beskrevs materialegenskaper<br />

och därom finns mer att säga. Får material<br />

uppleva alltför spännande situationer, så kan<br />

de gå sönder. Det drabbade t ex glaset i bild<br />

236.<br />

Sprickorna går åt varsitt håll och avstånden<br />

mellan sprickorna och mellan en spricka och<br />

glaskanten är ungefär lika. Det stämmer med<br />

teorierna och beror på spänningsavlastningen<br />

i materialet. Att sedan avståndet mellan<br />

sprickorna ökar längre ner på glaset beror på<br />

Bild 236: Då glaset landade på ett klinkergolv,<br />

så fick det två symmetriska sprickor.<br />

att glasets väggtjocklek ökar ju närmare botten<br />

man kommer.<br />

OCH SÅ EN SKÅL…<br />

Förra artikeln visade en glasskål som hade gått<br />

sönder. Soppa hade fyllts till halva höjden i<br />

skålen, som sedan hamnade i frysen och blev<br />

rejält kall.<br />

Då jag senare tänkte äta soppan satte jag skålen<br />

i mikrougnen. Där värmdes soppan, medan<br />

glaset inte påverkades av mikrovågorna.<br />

Temperaturskillnaden mellan skålens neder<strong>del</strong>,<br />

som värmdes av soppan och den kalla<br />

över<strong>del</strong>en skapade de spänningar som spräck-

---

Bild 237 b<br />

Bild 237 a<br />

te skålen. Den erfarenheten bjuder jag på.<br />

Åke Dolk i Skogås svarade bäst och vann boken.<br />

Ni andra som svarade får varma tack för<br />

visat intresse. Något ”rolighetspris” blev det<br />

inte.<br />

MATERIAL GÅR SÖNDER<br />

Man brukar skilja mellan spröda brott och<br />

sega brott. Spröda brott, som vi ser i glas, sker<br />

då spänningen blir högre än vad materialet tål,<br />

medan sega brott inträffar då materialet töjs<br />

alltför mycket.<br />

Så länge vi har samma egenskaper i hela materialstycket<br />

så blir det någorlunda lätt att förstå.<br />

Har materialet flera komponenter med<br />

Bildsviten 237 t.v och nedan visar: dragbrott<br />

i en laminerad provkropp där två olika<br />

stål har kombinerats. bild a: sidovy i 8x<br />

förstoring, bild b: snett från brottytan 60x<br />

med den hårda komponenten underst och<br />

bild c: frontvy 16x. De parallella linjerna i<br />

bilderna a och b är repor från kroppens<br />

tillverkning. Materialet på sidorna (ljust)<br />

har hög hållfasthet, medan materialet i<br />

mitten är mera formbart, d.v.s. mera segt.<br />

Bild 237 c<br />

Nyttja den starka kronan<br />

och förverkliga Din plastidè<br />

Genom verktygstillverkning i Kina och egen formsprutning<br />

kan vi erbjuda dig den mest kostnadseffektiva lösningen.<br />

Även enbart formverktyg<br />

Vi kan också erbjuda konstruktion och prototyper<br />

Företagscentrum, Box 840, 982 28 Gällivare<br />

Tel: 0970-144 00 | sven-eric@nordpolymer.se<br />

www.nordpolymer.se<br />

olika egenskaper, så blir det mera komplicerat<br />

– och intressant.<br />

Många material består av två eller flera komponenter<br />

med något olika egenskaper. Avsikten<br />

är ofta att kombinera dessa egenskaper.<br />

Om man kombinerar ett segt; formbart, material<br />

med ett hårt och sprött material, så<br />

kommer det sammansatta materialet att börja<br />

gå sönder då den spröda komponenten blir<br />

för hårt belastad eller då den formbara <strong>del</strong>en<br />

har blivit alltför töjd. Materialet kan också<br />

brista i gränsen mellan komponenterna.<br />

Jag studerade en gång om två olika stål kunde<br />

förenas med en hållbar skarv, bilderna 237-<br />

239.<br />

KONSTRUKTION<br />

Bild 238 ovan: böjprov på kompoundstål. Ovan till höger<br />

visas principen. HV anger hårdheterna hos de båda stålkomponenterna.<br />

Nedtill visas Last-Nedtryckningskurvan.<br />

Vid den inritade pilen har den hårda komponenten börjat<br />

brista. Tack vare den sega materialkomponenten, så har<br />

kroppen inte brustit fullständigt.<br />

NOTOM AB<br />

Från råmaterial till färdig produkt.<br />

Mekanisk verkstad<br />

Konstruktion och<br />

prototyparbeten<br />

Vattenskärning<br />

Kantpressning, svetsning i<br />

stål, rostfritt och aluminium<br />

Svarvning och fräsning<br />

Ytbehandling transport<br />

och montering<br />

Tel 0156-184 40 • Fax 0156-265 10<br />

www.notom.se • info@notom.se<br />

Bild 239 ovan: Ett böjprov på ett sammansatt<br />

material med hårdhärdat stål överst och<br />

ett mera formbart, stål undertill. Brottet har<br />

startat i den hårda komponentens underkant<br />

(magentafärgad pil) och sprickan har sedan<br />

öppnat sig uppåt, medan det underliggande<br />

materialet har töjts plastiskt utan att ännu<br />

ha gått av. Lastriktning visas med gul pil.<br />

Bild 237 visar en hur en provkropp av två<br />

olika ståltyper har brustit. När det hårda materialet<br />

blev överbelastat, så brast det genom<br />

sprödbrott. Den formbara mitten<strong>del</strong>en fick då<br />

bära hela lasten och när den hade töjts alltför<br />

Forts. på sid 24<br />

<strong>Uppfinnaren</strong> & <strong>Konstruktören</strong> 4/2011 | www.uppfinnaren.com<br />

23

---

KONSTRUKTION<br />

Forts. från sid 23<br />

mycket, så har den också brustit.<br />

Bild 238 visar böjprov på ett<br />

sammansatt material med ett skikt av<br />

hårt stål ovanpå ett undre skikt av ett<br />

mera formbart stål.<br />

Bilderna 237-239 visar att skarven<br />

mellan de båda stålkomponenterna<br />

höll ihop även då materialet gick till<br />

brott.<br />

Ett vanligt exempel på sådana här<br />

sammansatta material är vindrutor på bilar,<br />

där man fogar samman två härdade glasskikt<br />

med en seg genomsynlig plast emellan.<br />

Detta för att minska risken att bilister<br />

skall skära sönder sig vid en frontalkollision.<br />

MATERIALEGENSKAPER PÅVERKAS<br />

AV TILLVERKNINGEN<br />

Den förra artikeln visade att plastmolekyler<br />

orienteras då produkten formas och att<br />

det påverkar materialets egenskaper. I<br />

formsprutad termoplast uppstår även spänningar<br />

i materialet då den varma plastmassan<br />

kyls och stelnar i det kalla formverktyget.<br />

Det påverkar också materialets egenskaper.<br />

I regel blir detaljens yta tryckförspänd,<br />

medan dess inre blir dragpåkänd. Detta är<br />

för<strong>del</strong>aktigt då tryckspänningen hjälper till<br />

att hålla ihop materialet, så att eventuella<br />

ytsprickor inte skall växa och leda till brott.<br />

FORMSPRUTAD PLAST I OLÄMPLIG<br />

MILJÖ - SPÄNNINGSSPRICKNING<br />

Om det skulle uppstå dragspänningar i ytan<br />

på en plastdetalj, så försämras hållfastheten.<br />

Särskilt farligt blir det om dragspänningar får<br />

samverka med ytaktiva ämnen. Sådan samverkan<br />

kan leda till mycket snabba brott.<br />

Acetalplaster är t ex mycket känsliga för ättika.<br />

Styrenplast och vissa andra olefiner, är<br />

känsliga för olja och bensin. Metylmetakrylat<br />

(plexiglas) liksom polykarbonat är extremt<br />

känsligt för klorerade kolväten (som dock har<br />

blivit mindre vanliga av miljöskäl).<br />

Det finns också kemikalier som är aggressiva<br />

mot vissa plaster även utan inre spänningar.<br />

Ett exempel är aceton, som är mycket aggressivt<br />

mot polystyren. Skummad styren är extremt<br />

känsligt. Att droppa aceton på styrolit<br />

blir ”som att kissa i snö”. Styroliten bryts igenom<br />

nästan momentant.<br />

MOTFLUTNA MATERIALSTRÖMMAR<br />

Termoplastdetaljer med hål får ofta bindningsproblem<br />

där plast har strömmat till från<br />

två håll. Man kan då få dålig vidhäftning<br />

24 <strong>Uppfinnaren</strong> & <strong>Konstruktören</strong> 4/2011 | www.uppfinnaren.com<br />

Bild 240. Svaghetsställe där två flöden av varm<br />

plastmassa möts i samband med tillverkningen. Pilarna<br />

visar plastmassans flytriktningar.<br />

Bild 241: Tvättställsblandare av förkromad plast!<br />

Notera den extra vattenstrålen.<br />

Erfarenhet – det är inte bara att ”vara med”. Man måste också ha<br />

varit engagerad och ha reflekterat över det man sett, hört och upplevt!<br />

Bild 242. Det är min förhoppning att bjuda läsaren på<br />

inläst erfarenhet.<br />

mellan de mötande plastmassorna, vilket ger<br />

svaghetsställen i den färdiga detaljen. Gradskivan<br />

i bild 240 är ett exempel.<br />

När flera gradskivor gick sönder på samma<br />

ställe för en klass T-elever, så var det ingen<br />

tillfällighet. Gradskivorna hade framställts<br />

genom att varm, trögflytande termoplast har<br />

sprutats in i en kyld stålform. Plasten har där<br />

<strong>del</strong>at sig i två strömmar, och där dessa strömmar<br />

möttes vid vinkeln 29°, så uppstod ett<br />

bindningsfel, som gjorde det lätt att bryta<br />

gradskivan just där.<br />

Plaster som lätt oxiderar; t ex polypropen,<br />

PP, är särskilt känsliga för sådana här problem,<br />

eftersom oxiderade plastytor får särskilt<br />

svårt att bindas samman. Men även molekylernas<br />

orientering vid sprutningen har en stor<br />

bety<strong>del</strong>se.<br />

Bild 241 visar en tvättställsblandare som ger<br />

en extra vattenstråle. Man kunde tro att<br />

blandaren var gjord av förkromad mässing,<br />

men – det var förkromad plast ! Fenomenet är<br />

precis detsamma som i de trasiga gradski-<br />

vorna. Åtskruvning av kranens sil<br />

spräckte plastnosen.<br />

LÄTTA KONSTRUKTIONER<br />

I ett kommande nummer av <strong>Uppfinnaren</strong><br />

& <strong>Konstruktören</strong> behandlas<br />

lätta konstruktioner, så jag funderar<br />

lite kring det.<br />

Lätta konstruktioner kan ju betyda<br />

lätta att konstruera, lätta att tillverka, kanske<br />

lätta att byta ut, tänker jag. Ändå är nog inte<br />

det tanken. Det gäller konstruktioner med<br />

låg vikt. Man skall då jämföra med konstruktioner<br />

som har samma krav på funktion<br />

och hållfasthet.<br />

OM ORD OCH SPRÅKBRUK<br />

Det var ett akademiskt hårklyvande kan<br />

man tycka. Ändå bör man nog se vad orden<br />

egentligen betyder och hur man förstår vad<br />

som menas.<br />

Vi var inte så noga i gamla tider. Vad som<br />

menades fick ofta framgå av sammanhanget<br />

och lokala uttryck och yrkesjargong skapade<br />

svårigheter att förstå vad som menades.<br />

En uppstramning kom med dataåldern.<br />

Det språk man pratade med<br />

datamaskinen måste bli rätt<br />

till ”punkt och pricka”, så att<br />

bokstäver, punkter och<br />

prickar hamnade på precis<br />

rätt ställe. Man blev också<br />

tvungen att skilja på bokstaven O och siffran<br />

0 genom att skriva siffran som ett<br />

danskt Ö.<br />

Man bör vara tydlig, så att alla förstår; gärna<br />

så tydligt som datorer kräver. I datavärlden<br />

kan man ännu inte av sammanhanget förstå<br />

vad som menas – tror jag?<br />

LÅGVIKTSKONSTRUKTIONER<br />

För att inte hamna fel, så väljer jag ordet<br />

”Lågviktskonstruktion” för att markera att det<br />

handlar om att ge konstrukturen* låg vikt för<br />

en given funktion. För en mekanisk funktion<br />

och krav på mekanisk hållfasthet, så finns tre<br />

olika sätt:<br />

• Gör konstruktionen liten och nätt,<br />

• Välj material med låg densitet, eller<br />

• Använd ett materialbesparande<br />

byggnadssätt<br />

Det är grundprinciperna, sen kommer det<br />

mer… i nästa nummer !<br />

<strong>Björn</strong><br />

* Ordet är nyskapat och tillkom av misstag. Det betyder konstruerade<br />

strukturer, men jag låter ordet stå kvar till glädje för våra konstruktörer.