Erstatnings plastprodukter

Side 2

Forord Dette hovedprosjektet utføres av maskiningeniør BSc avgangsstudent, Terje Måseide, og er ett av flere prosjekter som gjennomføres ved Høgskolen i Østfold som hovedoppgaver for våren 2011. Prosjektet kjøres på oppfordring av Borg Plast-Net representert ved Tor Prøitz, er i regi av Høgskolen i Østfold, og har som intensjon å gi en fremgangsmåte og bevisstgjøring for materialvalgprosessen, samt øke interessen for plast som konstruksjonsmateriale. Dette vil oppnås ved en belysing av økonomiske og materialtekniske fordeler som kan realiseres ved bytte fra gitt råmateriale og over til plast for valgte komponenter og/eller konstruksjonselementer. Arbeidet lagt inn i oppgaven tilsvarer 375 arbeidstimer, med prosjektstart og slutt henholdsvis satt til 25.mars 2011 og 7.juni 2011. Prosjektet vil så bli presentert ved EXPO 8-9.juni, Høgskolen i Østfold. Nettadresse: http://www.hiof.no/nor/avdeling-for-ingeniorfag/expo-2011 Rapporten står som ett selvstendig arbeid, delt i tre primære besvarelser. Innledningsvis gis en introduksjon til plast (og kompositt) som konstruksjonsmateriale, med generelle fordeler og begrensninger. Videre belyses materialvalgprosessen og sammenheng mellom funksjon, materiale, form og prosess, før konkrete produkteksempel dokumenteres. Fra samarbeidsbedriften Biobe er det gitt en konkret caseoppgave relatert til erstatting av skålfjærer i stål med en løsning som innebærer bruk av plastmaterialer, fortrinnsvis såkalte elastomerer. I sammenheng med dette gis en innføring og presentasjon av testmetoder som er nødvendig for å verifisere nye materialer til denne applikasjonen. Oppgaven er definert av Borg Plast-Net og Høgskolen i Østfold i samarbeid med Biobe og Fireco. Det henvises til prosjektets hjemmeside for resterende dokumenter, kontaktinformasjon, og generell fremdrift og nyheter: http://prosjektexpo.hiof.no/expo11//prosjektet.html En ekstra takk rettes til følgende samarbeidspartnerne: Roar Varildengen, Høgskolen i Østfold Tor Prøitz, Borg Plast-Net Alf Jensen, Fireco Jon Hermansen, Biobe Mads Amundsen, Biobe Øystein Persen, Jotne Side 3

Sammendrag Ulikhetene mellom metaller og plast blir stadig mindre. Mer fokus på plast og plastkompositt som erstatningsmateriale til bruk i komponenter og konstruksjonselementer gir flere og flere fordeler for både forbruker og produsent. Plast kan tilby flere egenskaper til 30-40% mindre egenvekt enn som for eksempel metall. Noe som resulterer i besparelse både i produksjon og bruk. Plast og komposittplast er ikke lenger bare ett alternativ ved vektreduksjon, og bør med dagens teknologier stilles inn i rekken blant foretrukne materialvalg for de fleste industrier og applikasjoner. De fleste bruksområder for metall krever langt lavere verdier enn det som materialet faktisk leverer, og en sikkerhet på 50 % over nødvendig styrke eller stivhet kan ofte være tilfelle for konstruksjonen. Dermed kan tilpassede plastmaterialer levere styrke tilsvarende metall legeringer og samtidig inneha karakteristikker som metaller ikke kan tilby. Det nevnes selvsmøring, stor slitestyrke og motstandsdyktighet mot korrosjon, enklere tilvirkning og gjennomsiktighet. Plast av høy kvalitet er også typisk rimeligere enn metaller av høy kvalitet. Er man oppmerksom på materialtekniske begrensinger som bruksområde når det kommer til høye temperaturer og tilfeller der komponenten blir utsatt for veldig tung belastning, kan plast tilpasses de fleste applikasjoner. Desto mer kompleks geometri og desto flere opprinnelige komponenter, jo bedre stiller plast og komposittmaterialer seg. Med muligheten for tilsetningsstoffer og fyllstoffer i råmaterialproduksjonen, kan resultatet alterneres og tilpasses til å oppfylle gitte materialtekniske kriterier. Valg av materiale henger også nært sammen med funksjon, prosess og form av komponenten. Hvor tverrsnittet av ett konstruksjonselement er like avgjørende for motstandsdyktigheten mot eksempelvis bøye torsjons krefter som selve materialvalget. Faktorer kan da beregnes eller hentes fra tabeller for bruk og fremlegging av uttrykk for effektiviteten og ytelsen til en material- og formkombinasjon. Faktorene kan brukes for grafisk materialvalg i materialdatabaser som CES EduPack. De viktigste materialtekniske forhold for fjærsystemer, er maksimal fjærkraft og fjærvandring eller deformasjon. Ett elastomer søker en likevektstilstand og nullstilling av forspenningen. Egenskaper mot deformasjon bør derfor testes for elastomerer som er tenkt brukt i fjørings applikasjoner. Overordnede tester er Compression set (ISO 815) Stress relaxation in compression (ISO 3384) Creep in compression (ISO 8013) Side 4

Innholdsfortegnelse Forord... 3 Sammendrag... 4 1.0 Innledning... 7 1.1 Bakgrunn... 7 1.2 Problemstilling... 7 1.3 Avgrensinger... 8 1.4 Mål... 9 2.0 PLAST OM ERSTATNINGSMATERIALE FOR METALL I KOMPONENTER... 10 2.1 Introduksjon til plast som konstruksjonsmateriale... 10 2.2 En kilde til kostnadsreduksjon... 15 2.2.1 Maskineringsprosessen... 15 2.2.2 Tid... 16 2.2.3 Sluttproduktet... 16 2.3 Viktige designaspekter ved plast... 17 3.0 RIKTIG VALG AV MATERIALE... 20 3.1 Materiale, form, funksjon og prosess... 20 3.2 Material klasser... 21 3.2.1 Høy modul materialer - Metall, Keramikk og glass... 22 3.2.2 Lav modul materialer Polymerer, elastomerer og kompositter... 25 3.3 Begrensninger for materialet... 26 3.2.1 Direkte relatert til materialegenskaper... 26 3.2.2 Indirekte relatert til materialegenskaper... 28 3.3 Form faktoren... 28 3.3.1 Tabell for formfaktor ved vanlige tverrsnitt... 32 3.4 Material faktor... 34 Side 5

3.4.1 Tabell for kalkulerbare uttrykk av materialfaktorer... 36 3.4.2 Manuel utledning av materialfaktor... 44 3.5 Bruk av faktorene Materialets ytelse... 45 3.5.1 Enkelt case Konstruksjon av lastbærende plate... 46 4.0 KONKRETE EKSEMPLER... 56 4.1 Elastiske egenskaper gir praktiske muligheter... 56 4.2 Utkonkurrering av metall i bilindustrien... 57 4.2.2 Tannhjul av plast i bilindustrien... 58 4.3 Selvsmørende kulelager... 60 4.4 Plast ved brann... 61 4.5 Bruksområder for kompositt... 62 5.0 MATERIALTESTING FOR SKÅLFJÆRERSTNING... 63 5.0.1 Relevante tester... 64 5.1 Innledende informasjon mekanismene bak førsteordens testmetoder... 65 5.1.1 Compression Set - ISO 815... 67 5.1.2 Stress relaxation in compression - ISO 3384... 69 5.1.3 Creep in compression - ISO 8013... 71 6.0 KONKLUSJON... 73 Figurliste... 75 Referanseliste... 77 Vedlegg 1 - s355... 80 Vedlegg 2 h321... 81 Vedlegg 3 720 M850... 82 Side 6

1.0 Innledning Under dette punkt presenteres bakgrunn, problemstilling, avgreninger og mål. 1.1 Bakgrunn Borg Plast-Net (BPN) er et åpent kompetansenettverk for plastrelatert virksomhet, dvs. bedrifter, institusjoner eller enkeltpersoner innenfor produksjon av plast- og komposittprodukter, verktøyproduksjon, utdanningssektoren, FoU og plastgjenvinning samt andre virksomheter der plast inngår som en vesentlig del av produktet eller virksomheten. De ser ett vesentlig potensial i en utskiftning av tradisjonelle råmaterialer med nye plast materialer, inkludert kompositter, i produksjon av en rekke komponenter og deler, innenfor de fleste industrier. På bakgrunn av dette ønskes det en dokumentasjon av potensielle økonomiske og materialtekniske fordeler. 1.2 Problemstilling Oppgaveformuleringen er delt i to deler. Hoveddel En generell og uavhengig hoveddel, punkt 1 og 1.1 En formulering knyttet til samarbeidsbedriften, punkt 2 1 Generelle betraktninger for fremgangsmåte til valg av materiale med fokus på plast og plastkompositter, samt betraktninger om sammenhengene mellom materiale, form og funksjon, for valg av materiale til bruk i komponenter og konstruksjonselementer. Materialtekniske egenskaper bør belyses, med en vinkling opp mot plast som erstatningsmateriale for andre tradisjonelle råvarer, spesielt stål og lettmetaller. De tekniske muligheter skal også belyses med økonomiske konsekvenser. 1.1. Det presenteres produkteksempler som belyser hvorfor bytting til plast og komposittmaterialer kan gi fordeler. Det presenteres også en tabell over prisnivåer i forhold til metaller. For samarbeidsbedriften En av Borg Past-Net s medlemmer har behov for å finne løsninger for å erstatte skålfjærer med en løsning som innebærer bruk av plastmaterialer, fortrinnsvis såkalte elastomerer. Side 7

Fjærsystemet skal monteres til en bolt hvor det skal være mulig å feste bolten med en statisk og kontinuerlig kraft. I tillegg skal fjærsystemet oppta krefter som svinger uregelmessig med uregelmessig kraft. Hensikten med å gå fra skålfjærer utført i stål til plast er mange, slik som; redusere korrosjon, bedre isolasjonsevnen gi produktet en lavere vekt. redusere produktets vibrasjon og dempe støy bedre enn det skålfjærer i stål klarer. Fjærsystemet vil bli utsatt for store klimamessige påkjenninger og belastninger. Værbestandighet som lys, temperaturforskjeller og betydelige mekaniske belastninger må det tas høyde for. 2 Det skal presenteres en oversikt over overordnede testmetoder og hvorfor disse skal gjennomføres. Testmetodene beskrives innenfor aktuelle standarder. 1.3 Avgrensinger Grunnet forsinket oppgaveformulering fra samarbeidsbedrift og videre avslag fra samarbeidsbedrift sin kunde om å gå videre med problemstillingen, for gitt produkt, ble oppgaven formulert på ett forsinket tidspunkt og avgrenses derfor til en generell besvarelse. Oppgavebeskrivelsen ble ikke fastsatt før midtveis i prosjekttiden, for så å bli avslått av oppdragivers kunde 14dager senere. Forsinkelser og beslutninger som studenten ikke har kunnet påvirke (Roar Varildengen, veileder Hiof). Avgrensinger for eksempel kapittel 3.5.1: - Forbehold om mulig feil i formel for komposittmateriale. - Man ser bort ifra effekten av effektiv flens i utregningene. - For plast settes bøyingsmodulen lik elastisitetsmodulen Men den generelle konklusjon og trend er likefullt gjeldende. Side 8

For kundebedrift i oppgaveformulering del 2, er de forbehold om at ISO standarder er beskyttede og avgiftsbelagte dokumenter. Grunnet sen oppgaveformulering avgrenses denne også til å omtale de tre førsteordens testmetoder som produktet må igjennom. Generelt: Forbehold om at bruk av materialfaktoren som beskrevet i denne rapport, muligens ikke gjelder for komposittmaterialer. Eller at verdi for E i uttrykkene må modifiseres for å tilpasses kompositt. Dette grunnet isotropi mot anisotropi og hetrogen materiale. Sen problemstiling og tidsmangel begrenset muligheten for å verifisere problemstillingen. Rapporten avgrenses til å omhandle materialstruktur og egenskaper på makro nivå. Alternering av materialstruktur og oppbygging på mikronivå har også stor betydning for materialegenskapene, dette vil ikke bli sett nærmere på. Det avgrenses til å omhandle primært plast og noe kompositt som erstatning for primært vanlig kommersielt brukte metall typer Materialvalgprosessen er avgrenset til primært material, form og funksjon. 1.4 Mål Overordnet mål: - Belyse og skape interesse for plast som erstatningsmateriale for komponenter. Underordnet mål: - Gi en tankevekkende innføring i materialvalgprosessen. - Belyse viktigheten av å tenke form. - Innøring i bruk av materialfaktorer Mål relatert til Biobe: - Gi en oversiktlig dokumentasjon av førsteordens testmetoder som materialet for bedriftens prosjekt må igjennom for å verifiseres til bruk. - Forklar testene og gi en innføring i de materialtekniske mekanismer om ligger til grunn. Side 9

2.0 PLAST OM ERSTATNINGSMATERIALE FOR METALL I KOMPONENTER Mer fokus på plast og kompositt som alternativt materiale til bruk i komponenter og konstruksjonselementer gir stadig flere fordeler for både forbruker og produsent. Denne delen av besvarelsen belyser noen av fordelen som plast kan ha som konstruksjonsmateriale for komponenter og konstruksjonselementer. 2.1 Introduksjon til plast som konstruksjonsmateriale Metall har lenge hvert det foretrukne materiale for mange industrier. Egenskaper som høy varmemotstandsdyktighet, modul, og allsidighet har gitt materialet en rekke fordeler. Men med økt kjennskap til polymerer og valg av kompositter, tilbys det nå spesialiserte plasttyper som erstatning til bruken innenfor de fleste applikasjoner. Vektreduksjon er ikke lenger eneste drivkraft for erstatning av metaller og andre råmaterialer til fordel for plast og kompositter. Og hvor dette tidligere bare kunne oppnås ved merkbare begrensninger spesielt innenfor ytelse og tilvirkning, har teknologien avansert, og i dag er plast i mange varianter ett stadig mer aktuelt alternativ som konstruksjonsmateriale. Nye og ulike varianter av plast har florert de siste 50årene, fra bare ett fåtall og opp til flere tusen ulike varianter i dag. Plast er ett syntetisk materiale som lages gjennom polymerisasjon og deles tradisjonelt i to hovedkategorier, termoplast og herdeplast. Termoplast kjennetegnes ved at den kan omformes på nytt ved oppvarming, mens herdeplast får endelig form når plasten er herdet (wikipedia.org). Kompositter er materialer som består av minst to kjemisk forskjellige elementer. Plastkompositter består av en eller flere kontinuerlige eller diskontinuerlige fibre; armering, innbakt i en fase; plast, kalt matrise (Isaksen, Bernt: s3). Bruk av plastmaterialet i konstruerte applikasjoner dekker bare 15 % (McCoy, Jeff) av sitt potensielle bruksområde som erstatningsmateriale for metaller, og designere og forbrukere vil merke signifikante fordeler ved en økt utnyttelse. Forbedringer kan finnes i produktets ytelse, totale kostnad, produksjonseffektivitet, holdbarhet og estetikk. Disse er alle forbedringer som ofte oppnås simultant ved en overgang til plast eller komposittplast som materiale for komponenten. Og nå også med langt færre bakdeler enn tidligere. Typiske har man sett på plast og metall som to vidt forskjellige verdener. - Plast tilbyr design frihet, muligheten til å integrere funksjoner, lav tetthet, ingen korrosjon, farge og gjennomsiktighet. Side 10

- Mens metaller innehar høy styrke og stivhet, kan bli maskinert og sveiset, samtidig som de tilbyr høye toleranser og ivaretaing av materialegenskaper også ved høye temperatur (McCoy, Jeff) Styrke er ofte en viktig og overveiende faktor for mange komponenter og konstruksjonselementer. Og metaller innehar fremdeles en høyere styrke enn plast; typisk har polymerer en E-modul på mellom 500-9.000MPa og en strekkfasthet på mellom 10og 90MPa (CES EduPack). Mens sterkt forsterkede plastmaterialer kan oppnå verdier på henholdsvis rundt 49.400MPa og 342MPa (CES EduPack), og ligger dermed fremdeles langt under verdiene for stål; 205.00MPa for E-modul og mellom 300-500MPa for strekkfastheten (McCoy, Jeff). Men faktum er det at de fleste bruksområder krever langt lavere verdier enn det som konstruksjonsmaterialet faktisk leverer. Og en sikkerhetsfaktor på 50 % (McCoy, Jeff) er ikke uvanlig for stål konstruksjoner. Vi ser imidlertid nå at teknologien utligner mer og mer disse ulikehetene, og vi har i dag termoplaster som har hvert spesielt anvendbare som metallerstatning med stor suksess. Eksempelvis nevnes (McCoy, Jeff) nylon og polyamide, PA polybutylene terephthalate, PBT acetal eller polyoxymethylene, POM polyphenylene sulfide, PPS polyarylamide, PARA polyphthalamide, PPA polyetheretherketone, PEEK Den mekaniske ytelsen til disse polymerene, som innbefatter høy strekkfasthet og tøyningsmodul, kan ytterligere forbedres ved innkomplimentering av forsterkende komponenter som glass eller karbon fiber. Dermed kan diverse polymerbaserte komposittmaterialer levere styrke tilsvarende metall legeringer og samtidig inneha karakteristikker som metaller ikke kan tilby. Plast kan tilby flere egenskaper til 30-40% mindre egenvekt enn metall (Tamshell Corp: 1). Vi har eksempelvis det mer avanserte plastmaterialet Torlon polyamide-imide, PAI, som er en av termoplastene med høyest styrke og stivhet også opp mot 275 C (527 F). Materialet har en utstående motstandsdyktighet mot krypning, slitasje, kjemikalier inklusiv sterke syrer, i tillegg til Side 11

en iboende motstandsdyktighet mot flammer (Solvay Plastics). Polymerkompositten Cyanete Ester, med E-modul på 376.000MPa, og strekkfasthet på 2530MPa (CES EduPack), kan også nevnes. Men i applikasjoner hvor særdeles høy stivhet er kritisk, vil fremdeles plast ha problemer med å erstatte metaller, hvor man kan få E-modul nærmere 700.000Mpa (CES EduPack). Langt flere muligheter kan bli funnet i tilfeller hvor strekkfasthet og holdbarhet er hovedkriteriet, spesielt hvor høye sikkerhetsfaktorer ikke er påkrevd (McCoy, Jeff). For plast og kompositt kan egenskaper og E-modul skreddersys. Dette vanskeliggjør dimensjonerings kalkulasjoner, men gir materialet utallige fordeler. Fordeler ved bruk av plast som råmaterialet er: Mekanisk Selvsmørende, se kapittel 4.3 Selvsmørende kulelager stor slitestyrke gir økt levetid for komponenten mindre følsom for vær enn metaller, med motstandsdyktighet mot korrosjon og rust tilsetningsstoffer kan introduseres for beskyttende egenskaper mot UV stråler kan designes for å motstå støt og bulkdannelser, noe som gjør materialet holdbart, sterkt og stabilt støyreduksjon mellom bevegelige deler vibrasjonsdempende Generelt redusert vekt; fører indirekte til økonomiske besparelse innen blant annet frakt Side 12

drivstoff (når brukt i komponenter i kjøretøy, fly, båt, etc) montering høy styrke/vektforhold høy stivhet/vektforhold Moderat til beskjeden innkjøpspris Kjemisk kjemisk motstandsdyktighet Kan skreddersys Montering og etterbehandling enklere tilvirkning og montering utføring av komplekse geometrier og komplimentering av funksjoner i en og samme støp redusering av nødvendige komponenter fjerner behovet for etterbehandling for enkelte komponenter kan ferdigstøpes med farger gjennomlysbarhet Side 13

Elektrisk skreddersydd elektrisk ledende eller isolerende egenskaper (McCoy, Jeff). Termisk høyere varmeisolerende evne, generelt lavere varmeledningsevne λ og høyere varmekapasitet C p enn metall Plastmateriale kan nok ikke erstatte alle komponenter, men materialet har sin plass og rolle, som øker i omfang hver dag. Historisk sett har plast hvert vanskelig å maskinere etter like stramme toleranser som er oppnåelig for metaller, men med dagens teknologier og kompetanser er forskjellen utlignet (Tamshell Corp: 2). Gjennom sprøytestøping, ekstrusjon, og standard maskinering, kan plast prosesseres til de fleste geometrier, med varierende hjørner og kanter og til en lav kostnad. Desto mer kompleks geometri (Jensen, Alf E.), og desto flere opprinnelige komponenter, jo bedre stiller plast og komposittmaterialer seg. Med muligheten for tilsetningsstoffer og fyllstoffer i råmaterialproduksjonen, kan resultatet alterneres og tilpasses til å oppfylle gitte materialtekniske kriterier (McCoy, Jeff). Side 14

2.2 En kilde til kostnadsreduksjon Materiale plast, kan være nøkkelen til å redusere kostnaden for ett produkt, eller å nå gitt budsjett for prosjektet. Som tidligere nevnt har plast gode tilvirknings og bearbeidings egenskaper, og reduserer dermed tid og kostnad relatert til produksjon og fremstilling. Brukskostnader til produktet vil også reduseres i en rekke tilfeller. Tre temaer belyses i dette kapittelet. 2.2.1 Maskineringsprosessen En god produsent vil samarbeide med ingeniører for å oppnå riktig valg av materiale til sluttproduktet, og i tillegg til plastens materialtekniske fordeler, er selve tilvirkningsprosessen også en kilde til kostnadsbesparelse. Plast av høy kvalitet er typisk rimeligere enn metaller av høy kvalitet (Tamshell Corp: 3) Den 20. april ble prisen på aluminium på metallbørsen i London (LME) notert til 2713 dollar per tonn. Det er første gang siden finanskrisen slo til vinteren 2008/2009 at prisen har vært over 2700 dollar. (auraavis.no) Plast er formbar og kan formes lett til komplekse geometrier. Enklere og raskere er ekvivalent med penger spart. Spesielt tilpassede produkter av mindre volum kan enkelt maskineres rimeligere enn ved støping som bare er økonomisk ved større produktvolum. Design modifisering er mulig uten større omstillinger av produksjonsutstyr, til motsetning av det som er nødvendig ved sprøytestøping. Ett stegs tilvirkning: Ved formstøping kreves gjerne påfølgende modifikasjoner av støpen, ved bruk av plast kan dette ekstra steget unngås (Tamshell Corp: 3). Ved støping kreves lavere temperaturer enn for metall. Tid, miljø og penger spart. Figur 1 neste side viser prisspekteret for ni materialkategorier. Tallene er hentet fra materialdatabase programmet CES EduPack, og er approksimerte verdier for storvolum innkjøp fra hovedprodusent. Signifikante høyere priser bør forventes ved lavere kvantum kjøp. Materialpriser avhenger av mange variabler som tilgjenglighet, kvantum, volatiliteten til råmaterialet som brukes til fremstillingen av materialet, og produsentsertifikater som materialet fører. Av disse grunner er generelle sammenstilling av materialpriser alltid relatert til en viss usikkerhet, og vanskelig å konkludere. Men vi ser klart fra figur 1 tendensen til ett mer beskjedent prisleie for plast og elastomerer, så vel som startprisen for kompositter. Side 15

Figur 1 Approksimerte innkjøpspriser innefor de forskjellige materialklasser, anno 01.06.11. Hentet fra CES EduPack 2010 2.2.2 Tid Tide er penger, og spesialbestilte komponenter er tidkrevende å produsere. Plast er ideelt grunnet den lave omstillingstiden som kreves. Ved presisjonsmaskinerte komponenter i plast kreves ikke nødvendigvis ytterligere etterbehandling, til motsetning av metall eller til og med formstøpt plastikk. Dette reduserer nødvendigheten av ytterlige steg i tilvirkningsprosessen, tidsfrister opprettholdes og produktet kan komme på markedet på ett tidligere tidspunkt. Noe som resulterer i tidligere salgsinntekter og snarligere påbegynnelse av ett eventuelt neste prosjekt (Tamshell Corp: 3). 2.2.3 Sluttproduktet Til og med etter endt tilvirkningsprosess, vil plast fremdeles kunne tjene penger for sluttbruker. Luftfartsindustrien har i lengre tid nå benyttet seg av komponenter i plast og kompositt materiale for redusert tilvirkning og brukskostnader. Fly bestående av større andeler plast og kompositt har en lavere egenvekt, og lavere vekt er ekvivalent med laver drivstofforbruk. Andre ting å overveie når man velger materiale for en komponent er plastens høye slitestyrke og ytelse. Motstandsdyktighet mot ting som salt, vann, UV stråler og korrosjon, så vel som selvsmørende egenskaper, holder vedlikeholdskostnadene nede. Side 16

2.3 Viktige designaspekter ved plast Ved bruk av metallisk material som stål, aluminium, titan og kobber, vil dimensjoneringen være ganske enkel. Den total spenningen som elementet er utsatt for, må være mindre enn den dimensjonerende spenningen, som regel satt lik flytespenning til material multiplisert med en sikkerhetsfaktor. Grunnet fenomenet kryping kan dimensjoneringen for plastmaterialer være litt mer komplisert. Spesielt for konstruksjoner med en lengre tidshorisont. I situasjoner der materialet blir utsatt for en vedvarende belastning, vil deformasjonen øke med tiden (Jensen, Lien: s8). Figur 2 Tøyning ε og spenning σ kurver for ett plastelement, som funksjon av tiden (Jensen, Lien: s8) Som den øverste grafen av figur 2 viser, vil tøyningen ε øke med tiden selv om belastningen ζ over tiden t, holdes konstant. Ved avlastning vil primertøyningen ε 1, den elastiske tøyningen, gjenvinnes umiddelbart. Primær sigingen ε 2 gjenvinnes over tid mens sekundær tøyningen ε 3 aldri vil gjenvinnes. Dimensjonering av plastkomponenter kompliseres derfor sammenlignet med dimensjonering av komponenter laget av tradisjonelle konstruksjonsmaterialer. Egenskapene er ikke bare avhengige av tid, da temperaturen også vil påvirke plastmaterialet i varierende grad. I likhet med mange tradisjonelle konstruksjonsmaterialer som stål og aluminium. Side 17

Stål og aluminium opplever en kraftig endring i egenskaper ved høye temperaturer, dvs. et par hundre grader, og ved temperaturer godt under frysepunktet. For plast derimot kan egenskapene endres ganske kraftig allerede når temperaturen varieres innenfor typiske bruksomtemperaturområdet, se Figur 3 (Jensen, Lien: s10). Figure 3 Spenning/tid kurve for HDPE rør, type1 (Jensen, Lien: s10) Av figur 3 ser vi at den dimensjonerende spenningen avtar lineært for økende belastningstid inntil man kommer til en kritisk grense hvor dimensjonerende spenning faller dramatisk. Både designspenning og tiden det tar før spenning faller drastisk, er ekstremt følsomt for temperatur. Figuren viser at for en brukstemperatur på 20 C faller designspenning for materiale fra 19 til 15MPa på bare en time. Og jo høyere brukstemperaturen er, jo lavere er den kritiske spenningen for materiale. Droppet i kritisk spenning vil også komme tidligere for økende temperatur. Men dette varierer sterkt fra materiale til materiale, og den fallende trenden for spenningskurven avtar med tiden. Eksempelet er dessuten ved kontinuerlig belastning, noe som i mange situasjoner ikke er tilfelle. Problemstillingen er uansett viktig, og ved dimensjonering må temperaturfaktoren tas hensyn til. Ved enkelte komponenter bør det også vurderes hvorvidt man skal sertifisere produktet både for lokale temperaturforhold eller en hel geografisk region. For maksimum og minimum service temperaturer T max og T min må det bemerkes at plast og kompositter kan skreddersys og alterneres med tilsetningsstoffer for å stadig bedre disse ytterpunktene. Som det fremkommer av figur 4, hentet fra CES EduPack 2010, har plast og elastomerer en T max på henholdsvis 290 ºC og 327ºC, ved langtidsbruk 60.000 timer. Langt under enkelte metaller med T max opp til 2480 ºC. Men for veldig mange applikasjoner vil temperaturbestandighet på under 300 ºC være mer enn tilstrekkelig. Og for spesielle tilfeller har man komposittløsninger helt opp til brukstemperaturer på 2100 ºC. Side 18

Figur 4 Maksimum brukstemperaturer innefor de forskjellige materialklasser, anno 01.06.11. Hentet fra CES EduPack 2010 Ingen universal standard for T min eksisterer. Det rapporteres på basis av brukererfaring og produsent anbefalinger. Men hos de fleste materialer er T min ekvivalent med første tilløp av duktil til sprø overgang i materialet når materialet kjøles til under romtemperatur (CES EduPack 2010). For fleksibel plastikk er dette gitt som Brittle eller Brittleness temperature etter ASTM D746, ISO 812 og 974. For elastomerer er det foretrukket gitt som TR-10. Temperaturen hvor materialprøven trekker seg sammen 10% etter ASTM D 1329. TR-10 gir ett bedre estimat for materialer som måles etter elastiske egenskaper. Figur 5 under viser øvre og nedre verdier for T min for de forskjellige materialklasser. Figur 5 Minimum brukstemperaturer innefor de forskjellige materialklasser, anno 01.06.11. Hentet fra CES EduPack 2010 Side 19

Plast som materiale har mange fordeler, men har også svake sider som ett begrenset bruksområde når det kommer til høye temperaturer og tilfeller der komponenten blir utsatt for veldig tung nyttelast. Ved brann kan også plast ha sine begrensninger, men etterbehandling eller tilsetningsstoffer i selve plasten kan til en viss grad gjøre materialet motstandsdyktig mot flammer (DuPont Plastics). Se produkteksempel 4.4 Plast ved brann. Er man oppmerksom på disse begrensingene kan plast som konstruksjonsmateriale bidra til mange nevnte fordeler. Innen medisinsk utstyr og flyindustrien, når nøyaktighet er ett kriteriet, blir maskinert plast ofte brukt (Tamshell Corp: 2). Og er behovet lav vekt, drivstoffeffektivitet, kompleksitet, tid og holdbarhet er plast et utmerket valg som materiale. 3.0 RIKTIG VALG AV MATERIALE Denne delen av besvarelsen tar for seg det forholdet som valg av material har direkte med funksjon, form og prosess for komponenten. Materialklassene blir definert, og med bakgrunn i denne kunnskapen gis det en innføring i fremgangsmåten for valg av materiale. 3.1 Materiale, form, funksjon og prosess Valget av materiale og prosess kan ikke holdes adskilt fra valget av form, for komponenten, både på makro og mikro nivå. Det vil si henholdsvis utvendig form, så vel som innvendig materialstrukturform på celle nivå. Funksjon, materiale, form og prosess samhandler, som det fremkommer av figur 6. Figur 6 Sammenhengen mellom form, funksjon, materiale og prosess Side 20

Funksjon dikterer både valg av materiale og form. Mens prosessen er direkte påvirket av materialet med hensyn på materialtekniske egenskaper som blant annet formbarhet, bearbeidingsegenskaper, sveisbarhet og varmebehandlings egenskaper. Prosessen samhandler også åpenlyst med formen, og i ett toveis forhold bestemmer prosessen form, størrelse, presisjon, og selvfølgelig kostnaden, og begrenser egnede materialvalg og former. Mens formspesifikasjonene på sin side setter restriksjoner for valg av materiale og prosess. Desto mer sofistikert design, jo strammere blir spesifikasjonsgrensene, og desto større blir interaksjonen. (Ashby, Michael F, s:13) Gjennom hver etappe i prosessen fra idé til ferdig produkt, vil materialvalg gjøre seg gjeldende etter en stadig strammere spesifikasjonsliste. Fra å inkludere nært alle materialer, til å ende opp med kanskje en håndfull potensielle kandidater. Oppslagsverk for materialdata og erfaring innen bearbeiding og kalkulasjoner på ett stadig mer detaljert nivå gjør seg gjeldende gjennom disse etappene. Og det vil, ofte uheldigvis, være bekvemmelig for ingeniører og ledelse, å gå for kjente, kjære og allerede utprøvde materialer til valg for endelig design. 3.2 Material klasser Et suksessfullt produkt gir valuta for pengene og imøtekommer brukerens krav. Det kan være heldig på flere områder å legge mer tid inn i materialvalgprosessen for å finne beste materiale for jobben og utnytte dets egenskaper til det fulle. Det er vanlig å gruppere materialer i seks hovedgrupper, se figur 7, hvor gruppemedlemmer har lignende materialegenskaper, fremstillingsmetoder, samt ofte lignende bruksområder (Ashby, Michael F, s:20). Figur 7 Det seks hovedgrupper av konstruksjonsmaterialer Side 21

Omtalte grupper inkluderer metaller, polymerer, elastomerer, keramikk, glass, og kompositter. Men denne grupperingen kan ha sine bakdeler. Spesielt for spesialister innenfor en gruppe, som ikke vet nok om de resterende gruppene. Og den konservative tenker som har kjørt seg fast i ett spor hvor man alltid bruker stål, fordi man alltid har brukt stål. Dette avsnittet gir en rask innføring i de forskjellige materialklassene vi har. Men når alt kommer til alt, er det ikke ett spesielt materiale vi søker, men en bestemt egenskapsprofil. 3.2.1 Høy modul materialer - Metall, Keramikk og glass Metaller har en relativt høy modul, se henholdsvis sammenstillinger av elastisitets-, kompressibilitets-, skjær-, og bøyningsmodul fra figur 8 11, og høy styrke kan oppnås ved legering, mekanisk bearbeiding, og varme behandling, samtidig som duktile egenskaper ivaretas. Dette muliggjør videre forming i senere deformasjonsprosesser. Visse legeringer av høy styrke, som fjærstål, har duktilitet så lavt som på 2 % (Ashby, Michael F, s:20), men ivaretar fremdeles egenskapen av at materialet gir etter i form av flyting ved brudd, og at bruddstedet er av en duktil karakter. Delvis på grunn av deres duktile egenskaper, er metaller offer for utmatting, og er av alle materialer det som er mest utsatt for korrosjon (Ashby, Michael F, s:20). Enkelte kompositter kan av nyere tid, se figur 8-11, også legges inn under gruppen for høy modul materialer. Duktile materialer forsøker å utligne spenningskonsentrasjoner ved deformasjon på en slik måte at spenningene opptrer mer jamt fordelt. Og grunnet dette kan de bli anvendt ved statiske laster innenfor en relativt liten margin av deres flytgrense. Dette gjelder ikke for keramiske materialer og glass. I likhet med metaller innehar keramiske materialer og glass også en høy modul, men er til motsetning sprø av natur istedenfor duktile. Styrken deres under spenn er ekvivalent med bruddstyrken, mens styrken under kompresjon, trykkstyrken, er 15 ganger høyere (Ashby, Michael F, s:20). Grunnet manglende duktile egenskaper for glass og keramikk, innehar disse materialene lave toleranser for spenningskonsentrasjoner, som ved hull og sprekker. I tillegg til lave toleranser ved høye innspenningspåkjenninger, som ved innfestningspunkter. Sprø materialer har alltid en sterkt varierende styrkeprofil, og varierer også i forhold til volumet av materiale under påkjenning, samt tid under påkjenning. Og er derfor ikke like designvennlige som metaller. Men har fordeler som høy motstandsdyktighet mot korrosjon og slitasje, opprettholding av styrke også ved høye temperaturer, i tillegg til høy stivhet og hardhet. Side 22

Figur 8 maksimum og minimumsverdier for elastisitetsmodulen E for forskjellige materialklasser. Hentet fra CES EduPack 2010, 01.06.11 Figur 9 maksimum og minimumsverdier for kompressibilitetsmodulen G for forskjellige materialklasser. Hentet fra CES EduPack 2010, 01.06.11 Side 23

Figur 10 maksimum og minimumsverdier for skjærmodulen S for forskjellige materialklasser. Hentet fra CES EduPack 2010, 01.06.11 Figur 11 maksimum og minimumsverdier for bøyningsmodulen B for forskjellige materialklasser. Hentet fra CES EduPack 2010, 01.06.11 Side 24

3.2.2 Lav modul materialer Polymerer, elastomerer og kompositter På den andre siden av spekteret har vi polymerer og elastomerer. Materialer med lav modul, nesten 50 ganger lavere enn for metaller, men som likevel kan inneha stor styrke (Ashby, Michael F, s:21). En konsekvens av dette er at elastisk defleksjon kan være stor. Krypning kan forekomme selv ved romtemperatur. Noe som vil si at en polymer under påkjenning vil forsøke å finne en likevekts tilstand, og deformere seg over tid. Material egenskapene er også temperaturbetinget. En polymer som er fleksibel ved 20 C, kan ved 4 C være sprø, og samtidig ha høy kryp verdi ved 100 C. Men dersom disse forutsetningene er tatt hensyn til og tillat i designet, er det mange fordeler ved polymer materialet som kan bli utnyttet. Når egenskaper som styrke per vektenhet er viktig, vil polymerer være like gode som metaller. Polymerer er lett formbare, og kompliserte geometrier kan støpes i en enkel operasjon. Den høye elastiske nedbøyningsegenskap som polymerer innehar, tillater design løsninger for enkel montering, se figur 12. Noe som gir enkel og billig montering, hvor komponenter enkelt kan monteres sammen. Støpeformene kan konstrueres med høy toleranse, og polymerene kan forhåndsfarges før støping. Dette gir komponenter som ikke har behov for bedyrende etterbehandling. Polymerer er motstandsdyktige mot korrosjon, og har lav friksjonskoeffisient. Gode design og løsninger, drar nytte av disse egenskapene. Figur 12 helstøpt monteringsløsning for utnytting av den elastisiteten som polymerer innehar Kompositter kan kombinere det positive fra de andre gruppene, mens det samtidig utelater en del av deres bakdeler. De er lette, stive og sterke, og kan være utholdende mot påkjenning. De fleste tilgjengelige kompositter i dag for ingeniører har en polymer matrise, bestående av epoxy eller polyester, gjerne forsterket med glassfiber, karbon, eller kevlar. Komponenter i kompositt kan være høyere priset enn alternativene, og vanskelig å forme og sammenføye (Ashby, Michael F, s:21). Og man vil derfor bare bruke disse om den økte ytelsen forsvarer prisen. Side 25

3.3 Begrensninger for materialet Ved utvelgelse og eliminering av materialer for bruk i komponenter og konstruksjonselementer, må begrensninger og fordeler tas hensyn til. Ved design har man begrensninger relatert blant annet til funksjon, kostnad, og komponentens omliggende miljø faktorer. Man har begrensninger relatert direkte og indirekte til materialets egenskaper. De indirekte egenskapene kan ha stor betydning når man begynner å se på faktorer som totalvekt og kostnader ved en installasjon. Punkt 3.2.1 og 3.2.2 tar for seg direkte og indirekte begrensninger for materialet. 3.2.1 Direkte relatert til materialegenskaper Dersom komponenten skal benyttes ved temperaturer over 500 C, må alle plast og elastomer materialer utelukkes, da materialer fra disse gruppen, har mistet sine egenskaper ved rundt 300 C. Skal materiale opptre isolerende mot elektrisitet, vil alle materialer med en resistivitet på under 10 20 µω utomatisk avvises (Ashby, Michael F, s:70). Dette leses enkelt av fra material datablad, eller hentes fra programdatabaser som CES EduPack. Påfølgende tabell 1 viser noen av de mest relevante materialegenskapene for bruk i konstruksjonselementer og komponenter. Side 26

Tabell 1: Relevante materialegenskaper for konstruksjoner og komponenter (Ashby, Michael F, s:22) Gruppering Egenskap Symbol Ending(SI) Generell Kostnad C m Kr/kg Densitet ρ Kg/m 3 Mekanisk modul (elastitet, skjær, kompressivitet, bøyning) E, S, G, B GPa Styrke (tøyning, ultimat, brudd) σ f Mpa Tøffhet G c kj/m 2 Bruddseighet K IC MPa m 1/2 Dempings kapasitet η - Utmattings grense σ e MPa Termisk Varmeledningsevne λ W/mK Termisk diffusivitet a M 2 /s Varmekapasitet C p J/kg K Smeltepunkt T m K Glassifiserings temperatur T g K Varmeutvidingskoeffisient α K -1 Termisk sjokk motstandsdyktighet ΔT K Motstandsdyktighet mot krypning - - Slitasje Slitasje konstant k A MPa -1 Korrosjon Korroderings rate K mm/år Oksidasjon Parabolsk hastighetskonstant k p m 2 /s For ytterligere definisjon og forklaring henvises det til Ashby, Michael F, side23. Side 27

3.2.2 Indirekte relatert til materialegenskaper Begrensinger relatert til stivhet, styrke, og mange andre komponentkarakteristikker er ikke så direkte ekskluderende, og må overveies på andre og mer innfløkte måter. Dette er fordi karakteristikkene kan oppnås på mer enn bare en måte for ett gitt konstruksjonselement. En egenskap som stivhet kan oppnås ved å velge materialet med høgest modul, men også ved å øke tverrsnittet for komponenten. Dermed er relativ stivhet en kanskje enda mer interessant material- og form karakteristikk. Det vil si stivhet i forhold til mengde brukt materiale. Ett fylt tverrsnitt har en lavere relativ stivhet enn en uthullet geometri (Ashby, Michael F, s:168), og alternering av tverrsnittet til en form som utnytter materialets egenskaper bedre og reduserer nødvendig materialbruk er en høyst fordelaktig metode. En mer formeffektiv design kan dermed redusere vekt og materialbruk for komponenten. Desto slankere design, jo høyere formfaktor og formeffektivitet. Men det er her også fysiske limitasjoner på hvor tynt ett konstruksjonselement kan være, for ett gitt materiale, eller hvilke geometrier som fysisk kan fremstilles. Maksimal mulig oppnålig materialeffektivitet for gitt materiale, begrenses dermed av oppnåelig formeffektivitet (Ashby, Michael F, s:172). Ofte er problemstillingen relatert til produksjonsbegrensninger; kostnad eller vanskeligheten ved og utforske den ultimale formeffektiviteten for materialet blir for stor. Eller mer vanlig er det relateres direkte til materialets egne begrensninger. Neste kapittel vil gå mer inn på formeffektivitet. 3.3 Form faktoren Kapittelet gir en innføring i formfaktoren. En faktor som sier noe om hvor effektivt formen utnytter materialets egenskaper. Ved effektivt menes det at, for en gitt last situasjon, blir det brukt så lite materiale som mulig. Og man oppnår dermed lavest mulig vekt for konstruksjonselementet. For optimalisering av ytelsen for en bærende konstruksjon, har ingeniører to relaterte variabler å alternere mellom. Selve egenskapene for materialet og tverrsnittet eller formen av komponenten, til en mer materialeffektiv form. Det vil si en form som utnytter materialets potensial til det fulle. Beste valg av materialet, for en gitt applikasjon, avhenger av formen materialet er tilgjengelig i, eller potensielt kan bli formet til (Ashby, Michael F, s:188). Side 28

Stivheten ved bøying for en bjelke eller ett panel, med arealet A, er gitt av materialets modul E og annet arealmoment I, ved sammenhengen IE. Formede konstruksjonselementer bærer bøyemoment, torsjonskrefter og aksial last mer materialeffektivt enn fylte elementer. Ved formede elementer menes uthullete mer eller mindre komplekse geometrier. Og konstruksjonselementer kan dermed gis tverrsnittsutforminger som forbedrer materialeffektiviteten ved bending; mindre bruk av materiale ved samme stivhet. Ved forming av tverrsnittet kan man altså øke I uten å endre A. Dette oppnås ved å distansere materiale så langt vekk fra nøytralaksen som mulig. Figur 13 viser dette med utgangspunkt i en solid kvadratisk bjelke med annet arealmoment I 0 og areal A 0. Produserer vi heller ett tykkvegget rør med samme tverrsnittsareal som ved kvadratisk tverrsnitt, vil annet arealmoment (og stivheten) øke med 2.5, mens massen holdes ekvivalent med det opprinnelige kvadratet. Stivhetsligningen økes dermed med 2.5. Den tynnveggede løsningen tilbyr samme stivhet som det opprinnelige kvadratet, men redusere tverrsnittsareal med 4. Røret gir dermed samme stivhet, men til en fjerdedel av vekten som ved kvadratisk tverrsnitt. Figur 13 effekten av tverrsnittsforming for stivhet ved bøyning. Det tykkveggede tverrsnittet tilbyr 2.5 ganger stivheten av kvadratet, men til samme areal og masse. Den tynnveggede løsningen gir samme stivhet som kvadratet, men til en fjerdedel av arealet, og dermed en fjerdedel av massen. Side 29

Størst formeffektivitet oppnås ved sandwich panel; tynn lastbærende hud med indre skum eller bikubestruktur, se figur 14 og 15. Eller ved strukturer som Warren truss, se figur 16 (Ashby, Michael F, s:162). Figur 14 Transonite sandwich panel, med bikube kjerne. Nøkkelegenskaper er ekstrem lav vekt, høy styrke og lav kostnad (ebertcomposites.com) Figur 15 PVC sandwich med skumkjerne (made-in-china.com) Figur 16 Prinsippet for Warren truss designet. Definisjonen av en Warren struss konstruksjon er en rekke diagonale elementer som ett W design, relativ til horisontalen. (aetn.org) Likesidede triangler. Enkelte ganger er geometrien til gitt komponent satt, og man trenger da ikke gå veien om form faktorer. Materialegenskaper blir enkelt sammenstilt opp mot hverandre, da geometrien uansett må være den samme og ikke er en mulig variabel. Men i tilfeller hvor geometrien fullstendig eller til en viss grad ikke er fastsatt, vil materialeffektiv produksjon ha stor betydning for vekt og da også økonomi og andre praktiske aspekter. Besparelse kan oppnås eksempelvis som redusert materialbruk både for aktuelle komponent og til ringvirkninger som redusert materialbruk i andre underliggende bærende konstruksjoner. Monteringskostnader blir følgelig redusert da behovet for Side 30

arbeidskraft og løfteanordninger også potensielt reduseres. Transportkostnaden synker ved redusert fraktvekt, og behovet for lagringsareal reduseres ved mer intelligente komponent utforming. En lastsituasjon for en komponent er som regel aksial, bøyemoment, eller torsjonal påkjenning. Beste form og materialkombinasjon bestemmes av gitt last situasjon: Ved aksial spenningstilstand, er arealet av tverrsnittet viktig, men ikke formen; alle seksjoner med samme tverrsnittsareal vil kunne bære den samme last. Ved bøyemoment, vil som tidligere nevnt rør tverrsnitt, eller IPE snitt være mer effektive enn solide bjelker av samme tverrsnittsareal. Ved torsjon vil man også se at sirkulære rørtverrsnitt er bedre enn fylte tverrsnitt og diverse andre geometrier. Så for å kunne finne beste kombinasjon av materiale og formtverrsnitt, definerer vi form faktoren ф, for hver av last situasjonen. To for elastisitet, e, når stivhet er kriteriet. Og to for failure, f, når styrke er kriteriet, det vil si ved første antydning til flyting eller brudd. elastisitet failure Ф e B elastisk bending Ф f B failure bending Ф e T elastisk torsjon Ф f T failure torsjon Som nevnt er ikke formen av tverrsnittet av relevans ved aksiale spenningstilstand, og vi har derfor ingen formfaktor for denne spenningstilstanden. Formfaktoren er ett uttrykk for effektiviteten av ett formet tverrsnitt under gitt belastningssituasjon, og er en dimensjonløs faktor som definerer formens effektivitet uavhengig av komponentens størrelsesorden. Det fire formfaktorer er definert slik at de har verdien 1 for en sirkulær, solid stav. Ligninger for kalkulering av verdier for de fire tilstandene ved noen vanlige tverrsnitt fremkommer fra tabell 2 kapittel 3.3.1. Desto høyere verdi desto mer effektiv form. Side 31

3.3.1 Tabell for formfaktor ved vanlige tverrsnitt Tabell 2: Verdier for de fire formfaktorene ф (Ashby, Michael F; s164) Tabell 2: fortsettelse, Verdier for de fire formfaktorene ф (Ashby, Michael F; s165) Side 32

Faktoren ф er hva man forsøker å øke for effektiv design av stive og sterke strukturer. For mer informasjon om hvordan man kommer frem til formfaktor for frie geometrier, henvises det til boken Material Selection in Mechanical Design, av Michael F. Ashby, kapittel 7; Selection of material and shape. Figur 17 under, viser intervall for mulig formfaktor ved bøying for de forskjellige materialklasser. Figur 17 intervall for mulig formfaktor ved bøying for de forskjellige materialklasser. Hentet fra CED EduPack 01.06.11 Tabellen refererer til maksimal formfaktor som en materialkategori kan oppnå. Mange vanlige brukte og brukbare tverrsnittsløsninger har formfaktor langt under det oppnålige for materialet, noen ganger grunnet produksjonsbegrensninger, andre ganger grunnet konservativ tenking (CES EduPack 2010). Side 33

3.4 Material faktor Hver kombinasjon av funksjon, hensikt, og begrensinger for komponenten, fører til en materialfaktor. Som vi ser av figur 18 under, er funksjonene hvilken funksjon (function) vi vil at komponenten skal utføre. Her en bjelke som bærer lasten F. Med hensikten (objektive) menes intensjonene med å utføre kalkulasjonen. Her ønskes det å minimere vekten av bjelken. Begrensningene (constraints), her gitt ved stivhet og styrke, tar for seg hvilke begrensinger konstruksjonen har til konstruksjonsmateriale. En viss stivhet må opprettholdes og bjelken må også stå imot lasten F. Figur 18 Eksempel på kombinasjon av funksjon, objekt og begrensing, som fører til to karakteristiske materialfaktorer for denne kombinasjonen (Ashby, Michael F; s212) Materialfaktoren er følgelig en kombinasjon av relevante materialegenskaper for ett gitt materiale, som karakteriserer materialets ytelse for aktuelle komponent (Ashby, Michael F, s:162). Formålet med faktoren er å kunne enkelt rangere materialer etter hvordan de yter under gitt kombinasjon av funksjon, objekt og begrensing. Beste materiale er de av høyest verdi av M, og hver faktor er karakteristisk for gitt kombinasjon. Side 34

De fleste lastsituasjoner eller funksjoner for en komponent, kan generelt dekomponeres til en av det fire grunntilstander som fremkom av figur 18, eller en kombinasjon av disse. De fire grunntilstandene vi har forklares ytterligere av figur 19 med virkende kraft F og resulterende forandring i geometri δ og θ. Med etterfølgende forklarende punktliste. Figur 19 De fire primære lastsituasjoner ett element kan utsettes for med virkende kraft F og resulterende geometriendringen δ og θ (Ashby Michael F: s70). Tension: Tie -> strekk: elementet er under strekk Bending: Beam -> bøyemoment: elementet er under påkjenning av en last Twisting: Shaft -> torsjon: elementet er utsatt for torsjonskrefter Compression: Column -> kompresjon: elementet er utsatt for trykkraft Side 35

3.4.1 Tabell for kalkulerbare uttrykk av materialfaktorer Kalkulerbare uttrykk for material faktorene kan enkelt leses fra påfølgende tabeller 3-9, eller utledes manuelt med tilstrekkelig forkunnskap, se kapittel 3.4.2. Standard tabellform er med hensyn på minimering av masse. Men uttrykkene kan enkelt modifiseres med hensyn på kostnad, energi og miljøaspekter. Man erstatter da massetettheten, ρ, med følgende faktorer. For kostnad: C m ρ hvor C m er materialkostnader pr kilo. For energiinnhold: ρq hvor q = energiinnhold pr kilo materiale [verdi/kg]. For miljøpåvirkning: I e ρ hvor I e = øko-indikator [verdi/kg] verdien for materiale, For enkelte tilfeller som kostnadsestimering er det ikke alltid riktigst å rangere materialene etter måleenhet pr kilo, som oppgitt i tabellene. Tilfeller med konstruksjonsmaterialer som betong, hvor materiale skal fylle ett gitt område, kan kostnaden bedre rangeres pr volumenhet som materiale fyller. Leddet C m ρ, endres da til kostnad pr kubikkmeter materiale, multiplisert med tettheten -> C m 3 ρ. Side 36

Tabell 3: Design med stivhet som begrensing og minimering av masse (kostnad, energi, miljøpåvirkning*) som hensikt (Ashby, Michael F, s:408) For tabell 3 gjelder G = skjærmodul E = E-modul for spenningstilfeller, bøyingsstivhet for bøying og knekking *Ytterligere informasjon, se innledningen av kapittelet. Side 37

Tabell 4: Design med styrke som begrensing og minimering av masse (kostnad, energi, miljøpåvirkning*) som hensikt (Ashby, Michael F, s:409) For tabell 4 gjelder ζ f = designstyrke i. flytgrensen for metall og duktile polymerer ii. iii. Strekkfasthet for keramikk, glass, og sprø polymerer utsatt for strekk. Bøyestyrken for materialer utsatt for bøyemoment For design med uendelig utmattingslevetid erstattes ζ f med utholdenhetsgrensen ζ e. *Ytterligere informasjon, se innledningen av kapittelet. Side 38

Tabell 5: Design av fjøring, hengsle, etc., med styrke som begrensing og maksimering av ytelse som hensikt (Ashby, Michael F, s:410) For tabell 5 gjelder ζ f = design styrken i. flytgrensen for metall og duktile polymerer ii. iii. Strekkfasthet for keramikk, glass, og sprø polymerer utsatt for strekk. Bøyestyrken for materialer utsatt for bøyemoment For design med uendelig utmattingslevetid erstattes ζ f med utholdenhetsgrensen ζ e. H = hardhet *Ytterligere informasjon, se innledningen av kapittelet. Side 39

Tabell 6:Vibrasjons begrenset design (Ashby, Michael F, s:410) For tabell 6 gjelder G = skjærmodul E = E-modul for spenningstilfeller, Bøyningsstivhet for bøying η = demping koeffisienten *Ytterligere informasjon, se innledningen av kapittelet. Side 40

Tabell 7: Skadetolerant design (Ashby, Michael F, s:411) For tabell 7 gjelder K lc =bruddtøffhet E = E-modul ζ f = design styrke i. flytgrensen for metall og duktile polymerer ii. iii. Strekkfasthet for keramikk, glass, og sprø polymerer utsatt for strekk. Bøyestyrken for materialer utsatt for bøyemoment *Ytterligere informasjon, se innledningen av kapittelet. Side 41

Tabell 8:Termisk og termomekanisk design (Ashby, Michael F, s:411) For tabell 8 gjelder λ = termisk ledeevne a = termisk diffusivitet C p = spesifikk varmekapasitet C m = materialkostnad pr kilo T max = maksimum brukstemperatur α = termisk utvidningskoeffisient ζ f = design styrke i. flytgrensen for metall og duktile polymerer ii. Strekkfasthet for keramikk, glass, og sprø polymerer utsatt for strekk. *Ytterligere informasjon, se innledningen av kapittelet. Side 42

Tabell 9: Elektromekanisk design (Ashby, Michael F, s:412) For tabell 9 gjelder C m = materialkostnad pr kilo ρ e = elektrisk resistivitet ζ f = flytgrense ζ e = utholdenhetsgrense *Ytterligere informasjon, se innledningen av kapittelet. Side 43

3.4.2 Manuel utledning av materialfaktor Skal materialfaktoren fremstilles manuelt, kan følgende fremgangsmåte benyttes. Her vist ved en veldig enkel situasjon. Funksjonen, hensikten og begrensingene fastsettes for aktuelle komponent. 1. Funksjon vil som regel være en av de fire vist i figur 19, kapitel 3.4. Tension: Tie -> strekk: elementet er under strekk Bending: Beam -> bøyemoment: elementet er under påkjenning av en last Twisting: Shaft -> torsjon: elementet er utsatt for torsjonskrefter Compression: Column -> kompresjon: elementet er utsatt for trykkraft 2. Hensikten er hva man ønsker å oppnå. For eksempel lavest mulig vekt eller masse (m). Man finner da en ligning som beskriver dette. For en forenklet bolt, hvor man også ser bort fra volumet av bolthodet, er funksjonen strekk, og massen uttrykt ved m = ρla (ρ = masse tetthet, L = lengde, A = tverrsnitt areal) (1) 3. Begrensingene er en design egenskap som må tilfredstilles, for den samme bolten kan dette være arealet, lengden eller forspenningskraften F som bolten skal holde. På samme måte fremstilles ett matematisk uttrykk for begrensingen. For kraften F, vil ligningen bli F/A ζ f (2) Hvor normalkraften over komponenten, ζ = (F/A), må være mindre eller lik bruddstyrken ζ f for materialet. 4. Videre settes (1) inn i (2) ved å eliminere felles faktor A, arealet. Og løses med hensyn på den faktor man ønsker å optimalisere. Her massen. Vi får da ligningen FL(ρ/ζ f ) m (3) Komponentene F og L er her relatert til struktur faktoren, en faktor som ikke kommer inn under rammen av denne rapporten. Men alle ligninger avledet på denne måten, er skrevet på en måte som isolerer struktur faktoren, og fremkommer oftest etter denne oppstillingen.. Strukturfaktoren gitt ved komponentene F og L strykes, og vi sitter igjen med følgende ligning med bare hensikt på materialegenskaper m (ρ/ζ f ) (4) Side 44

Den letteste bolt som motstår spenningen F, er den av materialet som innehar den laveste verdien av forholdet p/ζ f. Det vanlige er å spørre hva som må maksimeres for å maksimere ytelsen. Vi inverterer derfor uttrykket og ender opp med følgende material faktor M M = (ζ f /ρ) (5) Som kan finnes igjen i tabell 4 fra kapittel 3.4.1 under Tie for strekk situasjon. For å minimere massen må vi følgelig finne største verdi for M. Dette er en generell fremgangsmåte som kan være langt mer innfløkt enn den av dette eksempelet. Men oppskriften er den samme. 3.5 Bruk av faktorene Materialets ytelse Vi har nå sett på materialegenskaper, og fordelen ved å tenke form. Elementer i en struktur er altså komponenter som ufører en fysisk funksjon, de tilfredsstiller med andre ord ett funksjonsmessig krav. Dette kan være å bære en last, overføre varme, stå imot ett trykk. Det funksjonsmessige kravet står sterk i relasjon til det to nylig gjennomgåtte faktorer: Geometrien eller formfaktoren (G) Materialegenskapene eller materialfaktoren (M) (Ashby, Michael F, s:71) Ytelsen, P, av disse elementene sammenlagt for komponenten, kan beskrives ved ligningen P = ƒ [ G, M ] (6) Hvor P gir en faktor for foreksempel denne komponentens masse, kostnad eller levetid, ved en funksjon, ƒ, for gitt sammensetning av faktorene G og M. Optimalt design vil da vises ved den kombinasjon av materialvalg og geometri, som gir lavest eller høyest verdi av P, alt etter funksjonsønske. Dersom faktorene er separate variabler, skrives ligningen på følgende form P = ƒ 1 (G) ƒ 2 (M) (7) Her er ƒ 1 og ƒ 2, separate funksjoner som man multipliserer sammen. Materialvalget blir under disse forutsetningene uavhengig fra detaljene rundt designet, noe som forenkler situasjonen drastisk. Faktoren for M blir da den samme for alle verdier av G, og optimalt materialvalg kan identifiseres uten å løse hele designligningen. Maksimering av ytelsen for alle geometrier G, oppnås ved en maksimering av verdien for materialfaktoren ƒ 2 (M) Side 45

3.5.1 Enkelt case Konstruksjon av lastbærende plate Man kan sammenstille fire plater henholdsvis i stål, aluminium og komposittplast, hvor man ønsker samme stivhet for disse. Følgende kalkulasjoner viser her betraktelig vektbesparelser for platen i komposittplast, dersom man tillater ett større tverrsnitt. Kalkulasjoner er gjort med den hensikt å understreke den generelle trend for sammenhengen. Mindre forenklinger og tilpassinger har følgelig blitt gjort for kompositt beregningene, men den generelle konklusjon er like fullt gjeldende. Se avgrensinger kapittel 1.3. 1. Funksjon: Beam 2. Hensikt med kalkulasjonen: Finne alternativet med lavest vekt, innenfor gitte begrensninger. 3. Begrensninger: Stivhet o Platen skal ha en nedbøyning δ 29.2mm, o ved en brukslast på 90kg. F 900Newton dette gir en stivhet S = F/δ = 900/29.2 = 30.8 Dimensjer o Bredde o lengde o tykkelse 70> b < 170mm L = 500mm (mellom opplagrene) h < 15mm Stivheten S av denne bjelken er gitt av sammenhengen S = F/δ = C 1 EI/L 3 (Ashby, Michael F, s:380) (8) Hvor δ = maks nedbøyningen av bjelken i millimeter ved lastsituasjon midt på bjelken. Som vist i kapittel 3.3 avhenger av E-modulen for materiale E, og annet arealmomentet I. Faktoren C 1 er relatert til last situasjonen og kan hentes fra tabeller. For vårt beregningseksempel ser vi på en enkeltlast plassert midt på en fritt opplagt bjelke. Verdien for C 1 leses av til 48 fra tekniske tabeller. L refererer til lengden av bjelken mellom opplagrene. Side 46

Fra tekniske tabeller, se figur 20, finner vi at I x = bh 3 /12 Figur 20 utklipp fra tekniske tabeller, viser annet arealmoment I, for platen ved bøying (Johannessen, Jarle: s63). Dermed har vi følgende faste faktorer: Stivheten S = F/δ = 900/29.2 = 30.8 Lengden L = 500mm Lastfaktoren C 1 = 48 Og følgende variabler: - E-modulen, E, følger materiale og er gitt av materialtekniske tabeller. - Arealet A gitt ved bh, da det for dette designproblemet var tillat med 70 > b < 170mm, og h < 15mm Formelen for stivheten for aktuelle plate blir dermed S = C 1 E (bh 3 /12) /L 3 (9) Som løst med hensyn på høyden blir h = (10) og med hensyn på bredden b = (11) Stål og aluminium finnes tilgjengelig etter standardiserte platetykkelser, aktuell verdier for h sees av materialdataene under. Platene i kompositt kan formstøpes fritt innenfor oppgavens dimensjonsbegrensinger. Materialdata for beregningseksempelet er som følger: Side 47

Stål: s355 j2 N (materialsertifikat, se vedlegg1) E-modul: 205GPa h = 3mm, 4mm, 5mm ρ = 7850kg/m 3 bøyingsstivhet G = 205Gpa Aluminium: h321 (materialsertifikat, se vedlegg2) E-modul: 70GPa h = 5mm, 6mm, 8mm ρ = 2660kg/m 3 bøyingsstivhet G = 70Gpa Sandwich: balsa kjerne, glassfiber armert hud Total E-modul: settes til 14.5GPa h balsakjerne = 9.53 ρ = 100kg/m 3 h hud settes til 1.41mm, 2.7mm (ganges med to for to hudlag topp og bunn) ρ 1650kg/m 3 NORPOL 720-M850 (materialsertifikat, se vedlegg3) E-modul: 18GPa h settes til 9mm ρ = 1680kg/m 3 Ligning (9) kan for metaller brukes til å gi ett grafisk overblikk over hvilke stivheter de forskjellige kombinasjoner av bredde og høyde for hvert materiale, vil gi. Eller man kan velge å sette verdien for maksimal stivhet, 30.8, inn i ligning (11) og få nødvendig bredde for denne kombinasjonen direkte. For sandwich strukturer, ligger det en annen dimensjoneringsteori til grunne. Her må det tas hensyn til skjærkrefter og det faktum at E-modul og tykkelser for både kjernemateriale E c og t c, så fremt som for hud E 1,2 og t 1,2, kan skreddersys. Den resulterende nedbøyingen [mm] for sandwichbjelken under påkjenning av kraften F, er gitt av sammenhengen δ = (FL 3 /6D) b (Zenkert, Dan: s69) (12) hvor bøyestivheten D, i vårt eksempel grunnet svakt kjernemateriale kan forenkles til D = E 1 t 1 3 /12 + E 2 t 2 3 /12 + (Zenkert, Dan: s46) (13) Og stivheten ved skjær, S, er gitt ved S = Gh/k (k = skjærkonstanten) (Zenkert, Dan: s50) (14) (G=skjærmodul) Side 48

h = høyden av materialet som tar skjær. Kan settes lik høyden av kjerne, eller høyden av kjerne + halvparten av total hud tykkelse. For videre innføring i dimensjoneringen henvises det til boken An Introduction to Sandwich Construction av Dan Zenkert. Det ønskes å gi en oversikt av potensielle kombinasjoner. Øvre og nedre grenser for bredden for hvert av materialene og hver av platetykkelsene settes etter tur inn i ligning (9), og Excel for sandich platen. Resultatet vises grafisk i ett diagram for stivhet med hensyn på bredden. Se følgende utregninger og resultat av figur 21. Maksimal bredde for s355 h=5, h321 h=8, og balsa h=1.53, begrenses for å unngå for høye verdier. s355 j2 N S = C 1 E (bh 3 /12) /L 3 (9) h=3 1.8 = 48x205000(10x3 3 /12)/L 3 30.1 = 48x205000(170x3 3 /12)/L 3 h=4 4.2 = 48x205000(10x4 3 /12)/L 3 71.4 = 48x205000(170x4 3 /12)/L 3 h=5 8.2 = 48x205000(10x5 3 /12)/L 3 90.2 = 48x205000(110x5 3 /12)/L 3 h321 S = C 1 E (bh 3 /12) /L 3 (9) h=5 2.8 = 48x70000(10x5 3 /12)/L 3 47.6 = 48x70000(170x5 3 /12)/L 3 h=6 4.8 = 48x70000(10x6 3 /12)/L 3 82.3 = 48x70000(170x6 3 /12)/L 3 h=8 11.5 = 48x70000(10x8 3 /12)/L 3 126.0 = 48x70000(110x8 3 /12)/L 3 Balsa Kjernematerial har tykkelsen 9.53mm. Tykkelsen av huden varieres for å oppnå høyere stivhet. Kalkulasjon løst i Microsoft Excel. S h =12.35 4.5 b= 10mm h= 9.53+2x1.41 72 b=170mm h= 13.53 10.0 b=10mm h= 9.53+2x2.7 109.8 b=110mm NORPOL 720-M850 h=9 4.2 = 48x18000(10x9 3 /12)/L 3 71.4 = 48x18000(170x9 3 /12)/L 3 Side 49

Stivhet S = F/δ 130 125 120 115 110 105 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Stivhet for fritt opplagt plate av forskjellige tykkelser h [mm] med hensyn på bredden (stål, aluminium og komposittplast) 8mm h321 13.53mm Balsa 5mm s355 6mm h321 4mm s355 9mm M850 12.35mm Balsa 5mm h321 3mm s355 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 s355 j2 N h=3 s355 j2 N h=4 s355 j2 N h=5 h321 h=5 h321 h=6 h321 h=8 Balsa h=12.35 Balsa h=13.53 720 M850 h=9 b [mm] Figur 21 viser resultater for utregningene av stivheten for fritt opplagt plate av forskjellig materiale og tykkelse. Ser bort ifra effektiv flens. Lineære funksjoner. Lengde mellom opplagrer = 500mm Av figur 21 ser vi nå enkelt hvilke tilgjenglige dimensjoner som gir ønsket stivhet. Ved en last på 90kg, eller avrundet 900Newton, og hvor ønsket nedbøying δ = 29.2mm, vil alle kombinasjoner av h og b, langs linjen for stivhet S = 30.8, fylle dette kriteriet. Alle kombinasjoner over denne linjen vil ha en høyere stivhet, og dermed gi en lavere nedbøying enn 29.2mm, ved en kraft F = 900N. Side 50

Egenvekten av platene er gitt av sammenhengen m = ALρ hvor A = bh, og ρ = densiteten (15) Lavest vekt har vi da av laveste kombinasjon av tverrsnittsarealet A og massetettheten ρ for aktuelle materiale. Og fra kapittel 3.3 Formfaktoren, husker vi at formeffektiviteten av tverrsnitt ved elastisk bending (stivhet ved bøying), øker ved økt materialavstand til nøytralaksen. For ett rektangulært tverrsnitt oppnås dette følgelig ved en maksimering av h og minimering av b. Noe som også kommer frem av forholdet mellom h og b for formfaktoren Ф e B = пh/3b, for elastisk bøying, tabell 2 kapittel 3.2.1. Vi ser derfor på plater av størst forhold mellom tykkelse og bredde innenfor vårt begrensningsområde, da dette vil være ekvivalent med minst mulig tverrsnitt. En for høy stivhet for platen vil fort si en overdimensjonering. Stål s355, treffer akkurat på stivhetslinjen for 30 med dimensjonene 4x73mm = 292mm 2 For aluminium h321, ser vi to mulige kandidater En stivhet på 30 for 5x110mm = 550mm 2 En stivhet på 34 for 6x73mm = 438mm 2 For aluminium bekrefter dette en økt formeffektivitet ved økt tykkelse og redusert bredde. Formfaktoren for elastisk bending viser det samme: Ф e B for 5mm h321 = пh/3b = пx5/3x110 = 0.0476 Ф e B for 6mm h321 = пh/3b = пx6/3x73 = 0.0861 For plast 720 M850, og sandwichplaten Balsa, ser vi at stivhetslinjene ligger tilnærmet likt med stålplaten h = 5mm. Noe som gir den samme bredden ved samme stivhet for alle disse tre platene. M850, med stivhet 30, får dimensjonene 9x73 = 657mm 2 Balsa, med stivhet 30, får dimensjonene 12.35x73 = 901.55mm 2 Setter vi inn for densiteten ρ og lengden L, får vi følgende rangering etter nødvendig vekt for bjelken For sandwichplaten gjelder 901.55ρ-> b((h 1 xρ 1 )+(h 2 xρ 2 )) = 73((9.53x0.0001)+(2.82x0.00165)) = 0.409 Side 51

Sandwich 0.409L = 0.409x500 = 204.6 [gram] M850 657ρL = (657x0.00168x500 = 551.9 [gram] s321 438ρL = (438x0.00266x500 = 582.5 [gram] s355 292ρL = (292x0.00785x500 = 1146.1 [gram] Ved nøyaktig dimensjonering av aluminiumsplaten kan bedre materialeffektivitet oppnås. Fra ligning (10) finner vi h = = 5.7mm m = 5.7x73x500x0.00266 = 553.4 [gram] Men egenvekten av platen blir likevel høyere enn av alternativet i sandwich. 170% tyngre enn sandwichplaten. Og dette til en høyere tilvirkningskostnad grunnet nødvendigheten for nedsliping av platetykkelsen fra 6mm. Disse konklusjonene kunne enkelt finnes ved bruk av materialfaktorer fra tabell 2-9 kapittel 3.4.1. For en stiv, lett bjelke, når høyden er en fri variabel finner vi faktoren M = E 1/3 /ρ. Høyeste verdi av M vil gi høyest stivhet til lavest mulig vekt. Og en rask kalkulasjon bekrefter utregningene: Sandwich E 1/3 /ρ = 14.5 1/3 /1.66 = 1.46 Plast E 1/3 /ρ = 18 1/3 /1.68 = 1.56 Aluminium E 1/3 /ρ = 70 1/3 /2.66 = 1.55 Stål E 1/3 /ρ = 20.5 1/2 /7.85 = 0.57 Med kunnskap om at formeffektiviteten øker med høyden, kunne vi direkte fulgt fremgangsmåten av kapittel 3.4.2 for manuell utledning av materialfaktoren. Her får vi formler for massen med gitt begrensning, hvor vi setter inn for minst mulig tillatt designbredde. Løses ligning (15) med hensyn på høyden og settes inn i ligning (9) som videre løses med hensyn på massen, får vi direkte ett uttrykk for vekten av en plate som fyller stivhetsbegrensingen. Felles faktor for de to ligningene er arealet. inn i (9) gir m = ALρ -> m = (bh)lρ -> h = (15) Side 52

S = C 1 E (b /12) /L 3 (16) Løst med hensyn på massen m = (17) For plast av type 720 M850, vil absolutt laveste oppnålige vekt for platen når minimumsbredde er satt lik 70mm, være m = = 537.5 [gram] Ved situasjoner hvor man har flere begrensninger, som for eksempel en viss styrke eller kostnad, endres ligning (9), som er ett uttrykk for stivheten, til ett uttrykk ekvivalent med eksempelvis styrken. Denne nye begrensningsligningen settes så på samme måte inn i masseligningen (15), eller ligningen for ett hvilket som helst annet objektiv. Begrensningsligningen for styrken av en plate er F f = C 2 (Iζ y /y m L) (18) og for hver begrensing som konstruksjonen må overkomme, settes det opp en ligning som består av begrensingen og objektivet. Disse løses med hensyn på objektivet, som i eksempelet for plast fra ligning (17). Det mest restriktive svaret som beregnes er dimensjonerende. Er objektivet lavest mulig vekt, vil masseligningen som krever høyest masse for å møte sin begrensning, være dimensjonerende. Man kan så søke konkurrerende materialer med høyere materialfaktor M. Er materialene tilgjengelig etter forskjellige tverrsnitt, multipliseres materialfaktoren Ф inn i egenskapen for telleren i materialfaktoren. Eksempelvis settes inn i Ф e B = пh/3b (19) M = E 1/2 /ρ, (20) og vi får M = (EФ e B) 1/2 /ρ (21) Høyest verdi er beste kombinerte løsning (Ashby, Micheal F: s199). Side 53

Grafisk kan vi bruke materialfaktoren ved å sette opp ett diagram i programvarer som CES EduPack 2010. Vi setter da y-aksen lik telleren og x-aksen lik nevneren. Materialfaktoren for gitt materiale regnes ut, og en linje med denne stigningsgraden tegnes inn, Gradient line selection. Alle materialer på linjen vil yte likt med aktuelle materiale. De til venstre og over yter bedre, de under yter dårligere. Her vist av materialfaktoren for stivhet til lavest vekt. For Aluminium h321 får vi M = E 1/3 /ρ = 70 1/3 /2.66 = 1.55 (22) Figur 31 viser dette for materialklassene metall, polymerer, og polymerbaserte kompositter. Figur 32 Bruk av materialfaktoren M grafisk. Alle materialer over linjen vil yte bedre eller tilsvarende med materiale brukt for å kalkulere stigningen av linjen. CES EduPack kan også enkelt gi grafisk oversikt over aktuelle materialer ved bruk av to materialfaktorer. Materialfaktor M 1 langs x-akse, materialfaktor M 2 langs y-aksen. Side 54

Materialfaktoren for stivhet til lavest kostnad for en bjelke er M = E 1/3 /C m ρ hvor C m = [kostnad/kg materiale] (23) M 1 x-aksen -> M 2 y-aksen -> stiv bjelke til lavest mulig vekt, hvor høyden er fri M = [E-modul (1/3) ] / [densitet] stiv bjelke til lavest mulig kost, hvor høyden er fri M = [E-modul (1/3) ] / [kostnad pr. kg] x[densitet] Figur 32 viser dette grafisk for materialgruppene metall, polymer, og polymerbaserte kompositter. Høyere verdi langs y-aksen tilsier stivhet til rimelig pris. Mens materialer lengre til høgre langs x-aksen vil ha høy stivhet i forhold til vekt. Figur 32 materialfaktor mot materialfaktor i CES EduPack. Side 55

4.0 KONKRETE EKSEMPLER De generelle fordelene ved bruk av plast har nå blitt belyst, og en bevisstgjøring er skapt ved en gjennomgang av fremgangsmåten for materialvalget. Denne delen av besvarelsen belyser konkrete fordeler for komponenten og industrien som ett bytte til plast har oppnådd. 4.1 Elastiske egenskaper gir praktiske muligheter Polymerenes elastiske egenskaper baner vei for nye løsninger innenfor både husholdningen og veinettet. Figur 33 viser ett nytt norsk designet lokk NX-Cap, hvor man enkelt kan lukke og åpne krukker ved et enkelt trykk. En forenklende nyvinning hvor man slipper å bruke muskler for å åpne dagligdagse kjøkkenartikler. Figure 33 Norskdesignede NX-Cap, ett krukkelokk som forenkler hverdagen for mange forbrukere(plastforum) Siden 2007 har det svenske vegvesenet gjennomført forsøk med vegstrekninger hvor de blandes inn varierte mengder gummi fra oppmalte bildekk. Foreløpige resultater viser til en selvlegende effekt, grunnet elastisiteten motstandsdyktighet mot piggdekk mindre sprekkdannelse enn for vanlig asfalt Noe som direkte fører til lavere vedlikeholdskostnader forlenget levetid Så selv om kostnadene foreløpig er estimert til 20-25% høyere enn for konvensjonell asfalt, regner vegvesenet med å tjene inn igjen dette på levetid og redusert vedlikehold (Plastforum: s 38). Side 56

4.2 Utkonkurrering av metall i bilindustrien Utskiftingen av metall til fordel for plast har pågått innenfor bilindustrien i lengre tider. Primært for reduksjon av vekt, bensinforbruk og utslipp. Men også forenkling av tilvirkningsprosesser hvor tradisjonelle metoder med metall krever flere produksjons trinn, og deler, enn hva som kan oppnås ved helstøpte plastmoduler, hvor one-step løsninger og one-shot støping er kjente begrep. Plast er ett sterkere material over metall av mange grunner. Eksempelvis høyere varmemotstand ved friksjon og høyere motstandsdyktighet mot olje. Dette oversettes direkte til motoreffektivitet, og motoren forbruker mindre energi for å holdes i gang (Feliza Mirasol). Plast representerer videre rundt 50% av materialvolumet i bilindustrien, men star for bare 20% av vekten (Gambade, Wilfrid). Nye plastmaterialer kan utvide mulighetene for metall erstatning i bilindustrien, og tilby høyere stivhet og temperaturtoleranse til en lavere vekt enn eksisterende deler. For bilindustrien har fordelene ved en plastovergang hvert: Vektbesparelse Utslipps reduksjon Redusert bensinforbruk Lavere vedlikeholds kostnader Forlenget levetid av komponenten Eliminering av komponenter; helstøping Redusert etterbehandling Redusert produksjonstrinn Amerikanske SABIC Innovative Plastics, som verdensledende innen tilbyding av termoplastløsninger, står for mange nye materialer og teknologier som frembringer forandringer i design og bruk hos forbrukeren (sabic-ip.com). Selskapets familie av Noryl GTX resin, sluppet november 2010, har redusert den termiske utvidingskoeffisienten med 20-40% (Feliza Mirasol) sammenlignet med tidligere termoplaster, og gir designere mer frihet for konstruering av større høykvalitets, høypresisjons bodypanel enn tidligere mulig. Materialet er en blanding av polyamide og polyphenylene ether, og muliggjør signifikante ekspansjoner for bruk av termoplast for karosseridesign. Ved design av en ny frontfanger for den kinesiske sportsbilprodusenten Chery Automobile, har materialet ført til en reduksjon i vekten på mer en 50%, 1.37kg mot tidligere 2.80kg ved bruk av stål. Det nye materialet tilbyr også større holdbarhet mot støt ved lavere hastigheter (Feliza Mirasol). Ett annet prosjekt bedriften har jobbet igjennom er utviklingen av ett komplett ratt og styresystem i termoplast. Noe som i tillegg til vektbesparelsen også reduserer utslippene relatert til produksjonen med 80% (Gambade, Wilfrid) opp mot den tidligere varianten av formstøpt magnesium. Side 57

4.2.2 Tannhjul av plast i bilindustrien Med det riktige designet kan polymertannhjul overgå sine motparter av metall på flere områder. Følgende case er hentet fra amerikanske Kleiss Gears, som med over 20års erfaring har avansert den tradisjonelle vitenskapen relatert til tannhjul mot en optimalisering mot polymerer. http://www.kleissgears.com/ En nylig publisert studie bekrefter fordelene ved en metall til plast konvertering, hvor polymere PEEK, polyether ether ketone, ble brukt som produksjonsmaterialet for ett tannhjul innenfor bilindustrien. Den formstøpte PEEK løsningen viste til nøkkelfordeler som redusert støy, vekt, kostnad og kraftforbruk (Kleiss, Rod: s33). Materialet har tidligere vist gode egenskaper til å motstå ekstremt høyt tempererte omgivelser, samt høy styrke og kjemisk motstandsdyktighet, og stiller seg dermed i rekken for godt egnede metallerstatnings materialer. Figur 34 viser strekkfasthet for materialet opp mot konkurrerende alternativer for lettvekts konstruksjonsdeler. Imidlertid krevde dette prosjektet mer enn bare ett direkte skifte av produksjonsmaterialet for tannhjulet, og over til polymer, for å realisere alle fordelene. Vesentlige modifikasjoner av metalltannhjulets originale design viste seg her også nødvendig for å oppnå optimal utnyttelse av materialegenskaper. Noe som gjelder generelt for de fleste konverteringer, men vi ser at fordelene overveier kostnaden ved redesignet. Figure 34 Strekkfasthet for polymeret PEEK mot en rekke materialer brukt til lettvekts konstruksjonsdeler Side 58

Standard fremgangsmåte for tannhjuldesign er å designe etter standardiserte alternativer for pitch og modul med trykkvinkel på 20º og 25º. Metoden åpner for veldig lite modifikasjonsmuligheter for ingeniøren. Velging av tanntykkelse etter standardiserte parametre forhåndsbestemmer en rekke størrelser, og hindrer en optimalisering ved nydesign. For dette eksempelet ble det foretatt tre primære alterneringer redusert helix vinkel for redusert tannslingring øking av tanndybde for øking av kontakt ratio endring av trykkvinkel for å optimalisere ytelse innenfor toleransene Ved nytenking og avviking fra standardiseringen, oppnådde designerne på denne måten ett design optimalisert for materialet, og nevnte fordeler som: redusert støy vekt kostnad kraftforbruk For militæret har bedriften produsert miniatyrtannhjul i materialet, som motstår høyt dreimoment og omdreining på 80.000RPM for korte perioder. For medisinsk bruk har bedriften produsert tannhjul for bruk ved 200.000RPM, med eksepsjonell slitestyrke og motstandsdyktighet mot gjentatt sterilisering. Andre dokumentert fordeler er forbedret mekanisk effektivitet lavere vekt redusert treghetsmoment -> lengre levetid høy slitestyrke og kjemisk motstandsdyktighet -> lengre levetid Studier i Europa viser at plastmaterialer som alternativ til metall reduserer bensinforbruk i Europeiske biler med 750liter over en forventet levetid på 150.000km pr bil (Plastemart.com). Dette alene understreker en sterk forbedring i CO 2 utslipp. Enda viktigere ser vi at mengden plastmateriale som er nødvendig er signifikant mindre enn for hva som er tilfelle ved bruk av metall. 100kg plast er nødvendig for å erstatte komponenter for 200-300kg konvensjonelt metall. Potensialet for redusert oljeforbruk er på 12x10 6 tonn og innebærer en årlig reduksjon i CO 2 utslipp på 30x10 6 tonn i vestlige Europa alene (Plastemart.com). Side 59

4.3 Selvsmørende kulelager Det amerikanske selskapet Igus, som tilbyr sprøytestøpte kulelager i polymer viser til flere fordeler med en overgang til deres produkter fremfor tradisjonelle kulelager i bronse. http://www.igus.com De selvsmørende kulelagrene iglide tilbyr lengre brukstid til en lavere kostnad og er totalt vedlikeholdsfritt. De innehar en lav slitasje og er fullstendig motstandsdyktig mot korrosjon, skitt, smuss og kjemikalier. Over 20 forskjellige blandinger av polymer med forsterkende tilsetningsstoffer og faste smøremidler er tilgjengelig til å møte de fleste kulelager applikasjoner. Allerede tusener av bronselager har blitt byttet ut innenfor alle industrier fra medisinsk, til matvareindustrien, pumper og marine utstyr. Følgende fordeler har blitt oppnådd for erstatting av metall, bronse og teflonbelagte kulelager: Selvsmørende Vedlikeholdsfri Lang levetid til en lav kostnad Lav friksjonskoeffisient Høy slitasjestyrke Høy lastkapasitet Høy temperatur toleranse Skitt, smuss og UV toleranse Ingen korrosjon Selvjusterende Kjemisk motstandsdyktighet Vibrasjonsdemping Lav vekt 40% kostnadsbesparelse mot metall Harriston Industries har implementert 144 iglide kulelager i sin potetplanter, og økt servicetiden med 600% (Igus.com). Side 60

4.4 Plast ved brann Ett produkt som mye mulig kan revolusjonere komposittmarkedet, er franske Saertex sitt nye konsept for optimal brannhemming av komposittpaneler, LEO Lightweight with Extreme Opportunities, som er ett svellende belegg når det utsettes for brann. http://www.saertex.com Panel bygges opp med kjernemateriale av PVC, balsa eller singellaminat, med fiberarmert utvendig sjikt i glass eller karbon og ett modifisert brannhemmende resin. For så å overflatebehandles med LEO. Tilvirkning skjer etter standard vakuumprosess med vanlig utstyr, og ingen spesialisert kompetanse er nødvendig. Materialet er uten halogener eller andre skadelige stoffer, og oppfyller alle krav nedfelt i REACH - det nye regelverket i EU om registrering, vurdering, godkjenning og restriksjoner av kjemikalier anno EØS-avtalen 14. mars 2008. Tester viser til stor motstandsdyktighet mot brann med god ivaretaing av mekaniske egenskaper. Av figur 35under, ser man resultatet av en branntest utført på to sandwichpaneler med kjerne av PVC og biaksialt glassfibersikt på begge sider. Testens varighet er en time ved en temperatur på 900 C. Elementet til høgre med LEO belegg er strukturelt upåvirket. Materialet oppfyller en rekke branntekniske normer og krav. Teknologien baner vei for bruk av kompositt i skipsoverbygg offshoremoduler jernbanevogner busser bygg og anlegg bekledning av tuneller jernbanestasjoner undergrunnsbaner Figure 35 Sandwichpaneler med kjerne av PVC og biaksialt glassfibersikt på begge sider utsatt for branntest. Varighet en time og temperatur på 900 C. Elementet til venstre med LEO belegg er strukturelt upåvirket. (Plastforum) Side 61

På det energitekniske skal man kunne spare 10-15% av totalvekt bare på isolasjonsaspekteter mot standard paneltyper. Og i Norge er det stadig større behov for lette, sterke og brannsikre tunellkledninger for bruk i planlagte lengre undersjøiske tunellprosjekter (Isaksen, Asle). 4.5 Bruksområder og potensialet for kompositt Kompositt industrien utvikler seg raskt. Og nyskapingen er stor innen fire sektorer miljøvennlige fult resirkulerbare materialer avansert formstøping konstruksjon av infrastrukturer i det sivile bilindustrien (Mutel, Frédérique) Muliggjøring av produksjon av platelengder på 22meter med nesten usynlige skøyter, kombinert med den iboende kvaliteten og overflatefinishen som kompositt materiale innehar, reduseres signifikant kostnaden relatert til produksjonen og konstruksjonstid. Kombinering av flere steg til ett enkelt produksjonssteg for produksjon av fiberforsterkede termoplastkompositter, er også en energieffektiv og høyst automatisert prosess, som gir gode økonomiske fordeler for produsenten. Anvendelsesområder for kompositt er Marine anvendelser: Båtskrog Propellakslinger Propellblader Overbygg Sport- og fritid: Tennisracketer Golfkøller Sykkelrammer og hjul Ski og skistaver Offshore: Rør Tanker Beskyttelsestrukturer Side 62

5.0 MATERIALTESTING FOR SKÅLFJÆRERSTNING For å erstatte skålfjærer i stål med en løsning som innebærer bruk av plastmaterialer, fortrinnsvis såkalte elastomerer, har samarbeidsbedriften utarbeidet en liste potensielle materialalternativer. Enkelte kandidater er her av nyere dato og ikke testet for tenkt bruksområde. Fjærsystemet skal erstatte festeanordninger for jernbaneskinner, og forspennes med en statisk og kontinuerlig kraft. I tillegg skal fjærsystemet oppta krefter som svinger uregelmessig med uregelmessig kraft. De er derfor viktig å verifisere om materiale opprettholder forspenningen og den fjærende og støtdempende egenskapen, som er objektet. Del 5 gir en presentasjon og innføring i de førsteordens testmetoder som materialene må gjennomgå for å verifiseres til tenkt bruk. Relevante tester fremkommer av listen kapittel 5.0.1. Figur 36 Dagens arrangementløsning. (Biobe) Figur 37 anbefalt geometri for erstatning av skålfjærene (disk springs) (Biobe) Figur 36 viser dagens arrangement med bruken av skålfjærer i stål for boltsystemet. Fra figur 37 ser vi foreløpig løsning for en elastomer erstatningen. Gummi er praktisk talt ukomprimerbart og volumelastisiteten er dermed lik null. Det vil si at dersom materialet belastet den ene retningen, vil det utvide seg tilsvarende i en annen retning. Ett termoplastisk elastomer TPE holdes derfor innkapslet av en skive, PA66-GF for hindring av overekspansjon i horisontal retning, og direkte motvirking av elastomerets søken etter en likevektstilstand og nullstilling av forspenningen. Skiven bør også ha elastiske egenskaper. Side 63

De viktigste materialtekniske forhold for fjærsystemer, er Maksimal fjærkraft Fjærvandring eller deformasjon (Dalhvig: s433) For ett elastomer for tenkt applikasjon i ett fjøring og dempingssystem, kan en uforutsett deformasjon eller spenningsutligning forringe tenkt egenskaper og bør testes opp mot. Test temperaturer Testing bør for dette produktet foregå i begge ytterpunkter av brukstemperaturene, og ved vanlige temperatur. En test ved alternerende temperatur innenfor naturlige temperatur svingninger bør også vurderes. Last situasjon For best resultat bør både statisk og dynamisk lastsituasjoner utprøves. Kompresjon Kompresjon for testmateriale bør sette lik forspenningen for bolten, og lik maks kompresjon under bruk. Geometri for test prøven Geometrien bør for dette forsøket sammenfalle i størst mulig grad med reel geometri. Generelt Dynamisk last og vibrasjoner øker kryping og spenningsutligningen, grunnet varmeutviklingen. 5.0.1 Relevante tester Compression set (ISO 815, ASTM D 395) kapittel 5.1.1 Stress relaxation in compression (ISO 3384) kapittel 5.1.2 Creep in compression (ISO 8013) kapittel 5.1.3 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Flex cracking test (ISO 132) Tension fatigue (ISO 6943) Tension set (ISO 2285, ASTM D 412) se avgrensninger se avgrensninger se avgrensninger Side 64

5.1 Innledende informasjon - mekanismene bak førsteordens testmetoder Kryp testing, spenningsutlignings test og varig deformasjon i kompresjons test er alle metoder for resultatet dokumentasjon av en påført belastning for ett materiale som en funksjon av tiden. Kryp, spenningsutligning, og varig deformasjon, er alle tidsavhengige unike viskoelastiske egenskaper for materiale: Kryp er øking av deformasjonen under påkjenning av en konstant kraft over tid. Spenningsutligning er nedgangen i indre spenninger for materialet under konstant deformasjon. Varig deformasjon er den permanente deformasjonen som vedvarer i materialet etter avlastning, og består hovedsakelig av sekundertøyningen ε 3 definert i kapittel 2.3, se figur 2. Vanligvis tillates det en innhentingsperiode for primærsigingen ε 2, som tidligere nevnt, gjenvinnes over tid. Kryping og spenningsutligning er motsetninger ved at for kryping holdes en påført kraft konstant, og deformasjonene av materialet øker med tiden, mens ved spenningsutligning avtar kraften med tiden når deformasjonen holdes konstant (ISO 8013: s2). For hvert av de nevnte tre fenomenene finnes det to distinkte årsaker, fysisk og kjemisk: i. Den fysiske er grunnet materialets viskoelastisitet. ii. Den kjemiske er grunnet aldring av materialet som følge av kjemiske reaksjoner. (Dick, John S: s55) Det er oftest vanskelig å determinere hvem av disse mekanismene som er skyldig i resultatet. Men typisk er fysiske effekter dominerende ved kort tids testing, mens kjemiske effekter gjør seg mer gjeldende ved en lengre tidshorisont. Fysisk kryping er direkte proporsjonal med logaritmisk tid Kjemis krypning opptrer lineært med tiden (ISO 8013: s2) Høyning av temperaturen akselererer begge mekanismene (Dick, John S: s55). Foruten å teste det overstående, kan disse testen også være med på å karakterisere materialets aldringsegenskaper, motstandsdyktighet mot kjemikalier, samt motstandsdyktighet mot eleverte og senkede temperaturer (Creep-Relaxation-and-Set: s 201). Side 65

Testene kan utføres både i kompresjon, skjær, og strekk tilfeller, og man velger test situasjon for å speile mest mulig den reelle brukssituasjonen for komponenten. Figur 38 viser prinsippet bak spenningsutligning i viskoelastiske materialer ved maxwell modellen (Dick, John S: s55), hvor seriekoblingen fører til at konstruksjonene får sin tenkte forlengelse momentant etter påført kraft F. Men med en rask initial utligning av spenningen i fjøren (materialet), før spenningen utlignes videre ved stadig en avtagende hastighet. Total forlengelse av systemet holdes konstant. Figur 38 Maxwell modell viser her stress relaxation prinsippet for viskoelastisk materiale Den seriekoblede Voight modellen (Dick, Jonh S: s55) figur 39 under, viser følgelig prinsippet bak kryping. Etter påført kraft F, øker her forlengingen raskt til å begynne med, for så å forlenges ytterligere ved en stadig stagnerendes hastighet. Figur 39 Voight modell viser her krypings prinsipp for viskoelastisk materiale Side 66

5.1.1 Compression Set - ISO 815 Den permanente deformasjonen som opprettholdes etter kompresjonen har opphørt. Viktig egenskap for elastomerer og dempende materiale Varig deformasjon i kompresjon er uttrykt som en prosent del av den opprinnelige deformasjon. Og er definert som den gjenværende deformasjonen i materialet etter avlastning, og etter at avsatt innhentingstid for materialet er utløpt. Ved ISO 815 er dette satt til 30minutter (ides.com). Test prøven komprimeres eller forspennes, ved en spesifisert temperatur over en gitt tidsperiode mellom to (eller tre) stålplater. Kompresjonsbegrensere mellom stålplatene fastsetter maksimal kompresjon av prøvestykke. Se figur 40 under. Kompresjons setting C er gitt av formelen C = [(h o - h i ) / (h o - h n )] * 100 (ides.com) (24) h o = prøvens opprinnelige tykkelse h i = tykkelsen av prøven etter testing h n = høyden på avstandsetterne Figur 40 permanent deformasjonstest (ides.com) Ved behov for nærmere retningslinjer henvises det til ISO 815. Standarder er beskyttede dokumenter. Side 67

For eldre og allerede verifiserte materialer kan materialdata som varig deformasjon i kompresjon finnes fra material datablader og programdatabaser som CES EduPack 2010, fra Granta Designs. Figur 41 under, viser ved rød sirkel, data for compression set ved 23ºC og 70ºC for materialet Hytrel - TPC-ET, produsent DuPoint. Figur 41 CES EduPack 2010 - Avlesing av materialdata, compression set, for materialet Hytrel For data hentet fra CES EduPack 2010 gjelder følgende: Prosentandelen er ett mål på innhenting og demping for materialer etter kompresjon. 0 % = perfekt innhenting 100% = ingen innhenting Verdier er gitt for kompresjon ved konstant deformasjon på 25% av opprinnelig høyde av materialprøven. Verdien er gitt som den andel permanent deformasjon som fremdeles er tilstedeværende i materialet 30minutter etter avlastning, og er en prosent del av opprinnelig deformasjon. Velg lav compression set for bedre fjøringsegenskaper og forseglings egenskaper Utøv forsiktighet ved valg av materialer til bruk ved høyere temperaturer, da elastomerer som innhenter seg bra ved romtemperatur, ikke yter like bra ved høyere temperaturer. Side 68

5.1.2 Stress relaxation in compression - ISO 3384 Spenningsreduksjonen i materialet under konstant deformasjon med hensyn på tiden. God metode for aldringstesting Når en konstant deformasjon skal påføres ett elastomer, vil spenningen som trengs for å holde denne deformasjonen ikke være konstant, men avta med tiden. Den indre spenningen for materialet avtar med andre ord med tiden. Vi får en spenningsreduksjon under kompresjon. ISO 3384 1997 viser til to metoder for test av spenningsutligningen, A og B, som både kan utføres i væske og i luft (Spetz, Göran: s1). Metode A: Kompresjonene blir påført, og alle motkrefter i materiale blir målt ved test temperaturen. Metode B: Kompresjonene blir påført, og alle motkrefter i materiale blir målt ved standard laboratorium temperatur, 23ºC. Materialprøvene lagres ved denne temperaturen. To geometrier for materialprøven benyttes: Ring med kvadratisk tverrsnitt Tverrsnitt b x h = 2 x 2mm Indre diameter d i = 15mm Sylindrisk plate diameter =13mm, høyde = 6.3mm For nærmere retningslinjer henvises det til ISO 3384. Standarder er beskyttede dokumenter. Spenningsutlignings tester er ideelle for estimering av levetiden for produktet ved hjelp av Arrhenius diagram. Henviser til ISO 11346 for fullstendig beskrivelse av denne fremgangsmåten for gummi. Side 69

Livstidsestimering ved spenningsutlignings test og Arrhenius diagram Tester blir gjort ved kritiske situasjoner over tre forskjellige varigheter, og for minst tre forksjellige temperaturer. Testens varighet er normalt satt til å avsluttes når materialegenskapene er redusert med 50%, her vist ved figur 42 ved 70 ºC, 85ºC og 100 ºC som funksjon av tiden (Spetz, Göran: 5). Figur 42 Diagram for spenningsutlignings test ved tre forskjellige temperaturer. Avsluttes når Relaxation index er halvert til 0.5 (Spetz, Göran: s5) Figur 43 Eksempel på livstidsestimering ved bruk av Arrenhius diagram (Spetz, Göran: s5) Tiden det tar å nå 50% grensen, for endt livstid, plottes inn i Arrhenius diagrammet, figur 43. Som er ett diagram med ln tid langs y-aksen og temperatur 1/T langs x-aksen. Hvor T er temperaturen i Kelvin = Celsius + 273. En rett linje trekkes gjennom de tre kjente punktene og ekstrapoleres til resterendes brukstemperaturer, for å oppnå estimat av livstid for materialet. Side 70

5.1.3 Creep in compression - ISO 8013 Øking av deformasjon eller kryp i materialet under konstant kompresjon. Relevant hvor materialet skal brukes for å støtte opp under en gitt last Når ett elastomerer blir utsatt for en konstant kraft, vil ikke deformasjonen holdes konstant, men øke som en funksjon av tiden. Kryping uttrykkes som en % del, ekvivalent med total deformasjon minus initial deformasjon delt på initial deformasjon multipliser med 100 (polyprod.com). Ved ekstrapolering av verdier for beregning av krypning for materialet ved tidsspekter vesentlig lengre enn ved testingen, bør forsiktighet utøves, selv om det innledningsvis i kapittelet generelt bemerkes at kjemisk kryping fremgår lineært med tiden (ISO 8013: s2). Dette grunnet uvissheter relatert til materialets fortid og fremtid med tanke på elementer som kjemiske påvirkninger og temperatursvingninger. Ved testing skal testutstyr og materialprøver være i termisk likevekt. Materialprøven skal holdes ved test temperatur i minimum 30minutter før testing. Den totale kraften som prøven skal testes mot, skal påføres på under 6sekunder og holdes konstant gjennom hele testen forløp. For kompresjons og skjært testing, skal kraften velges sånn at initial deformasjon for materialprøven er på 20% ± 2% (ISO 8013: s3). Eksempelvis skisse over en testenhet for kryptesting ved kompresjon, kommer frem av figur 44 under. Figur 44 eksempelvis skissering av en testenhet for kryptesting ved kompresjon (ISO 8013: s9) Side 71

Deformasjonen av materialprøven måles ved forskjellige tidspunkt etter påført kompresjonskraft. Og kryp økningen ved kompresjon ε er følgelig gitt av sammenhengen hvor ε = ε 2 ε 1 ((δ 1 δ 2 ) / δ 0 ) (ISO 8013: s4) (25) ε 1 = (δ 0 δ 1 ) / δ 0 og ε 2 = (δ 1 δ 2 ) / δ 0 (ISO 8013: s4) (26) ε 1 = kompresjonsdeformasjon ti minutter etter påført kraft ε 2 = kompresjonsdeformasjon etter endte testperiode δ 0 = tykkelsen av materialprøven ved start, i millimeter, ved test temperaturen δ 1 = tykkelsen av materialprøven ti minutter etter påført kraft, i millimeter δ 2 = tykkelsen, i millimeter, av materialprøven etter endte testperiode Figur 35 typisk oppsett av materialprøven i testapparaturen Fra figur 45 fremkommer ett typisk oppsett av materialprøven i testapparaturen, ved kompresjonstesting av kryping. Det er anbefalt at tidshorisonten for hver test settes til tall på en tilnærma logaritmisk tidsskala; eksempelvis 100, 1.000, 10.000, 100.000 minutt eller dager (ISO 8013: s4). For ytterligere informasjon og kalkulasjoner, også for skjærtesting ved kompresjon, henvise det til ISO 8013. Side 72

For dette bytte av konstruksjonsmateriale vil Biobe oppnå følgende forbedringer: redusere korrosjon bedre elektrisk isolasjonsevne gi produktet en lavere vekt redusere produktets vibrasjon bedre støydemping Og regner dermed med å stille seg i rekken av suksesshistorier som satsningen på plast har frembrakt. 6.0 KONKLUSJON Utviklingen av plast og plastprodukter fortsetter. Og med et høyere fokus på valg av materiale, og en kunnskap om begrensninger og fordeler for materialet, vil plast kunne tilpasses de fleste applikasjoner. Nye polymerbaserte materialer som hva Seartex viser med sitt fiberarmerte PVC, balsa eller singellaminat, sandwich panel, som motstår direkte flammer ved 900ºC i en time, baner stadig nye veier for plast som materialgruppe. Teknologien utligner dermed mer og mer ulikhetene mot metall, og plast og kompositter kan nå gi flere egenskaper til 30-40% mindre egenvekt enn metall. Og bør med dagens teknologier derfor stilles inn i rekken blant foretrukne materialvalg for de fleste industrier og applikasjoner. Plast utnytter bare 15% av sitt potensial er dermed ett enormt satsingsområde. Men i applikasjoner hvor særdeles høy stivhet er kritisk, vil fremdeles plast ha problemer med å erstatte metaller. Langt flere muligheter kan bli funnet i tilfeller hvor strekkfasthet og holdbarhet er hovedkriteriet, spesielt hvor høye sikkerhetsfaktorer ikke er påkrevd. Det er bedre å ha fokus på høypotensial muligheter enn å forsøke å finne metall erstatning på alle nivåer. Fallgropen kommer i å ikke ha fokus på høy profitt områder, og å ikke forstå mulighetene og begrensningene. Suksess for plast er mest sannsynlig i erstatning av støpjern og legeringer som aluminium, bronse, sink, og magnesium, fremfor stål. For kompositt vil satsningsområde strekke seg mot stadig større skall elementer. Side 73

Valg av materiale henger også nært sammen med funksjon, prosess og form av komponenten. Hvor for eksempel tverrsnittet av ett konstruksjonselement er like avgjørende for motstandsdyktigheten mot bøye torsjons krefter som selve materialvalget. Faktorer kan da beregnes og brukes for fremstilling av uttrykk for effektiviteten og ytelsen til gitt material- og formkombinasjon. Materialfaktoren kan med fordel også benyttes i materialdatabaser under utvelgingsprosessen. Jo tidligere i designprosessen man vurderer materialer jo bedre. Plast komponenter kan overgå metall i ytelse, men det er ikke så enkelt som å skifte materiale. For plast er alt viktig, og re-design for å imøtekomme det nye materiale er ofte nødvendig. Terje D. Måseide HIOF, Fredrikstad 06.06.2011 Side 74

Figurliste aetn.org http://www.aetn.org/programs/historicbridges/types_of_bridges Ashby Michael F. 1999 Butterworth-Heinemann Material Selection in Mechanical Design, second edition Biobe AS 05.2011, Fredrikstad Dick, Jonh S 2001 Carl Hanser Verlag Rubber Technology compounding and testing for performance ebertcomposites.com http://www.ebertcomposites.com/transonite.html Icis.com http://www.icis.com/articles/2011/01/17/9425406/plastics-outperformmetal-in-automotive-applications.html Ides.com http://www.ides.com/property_descriptions/iso815.asp Side 75

ISO 8013 1988 http://doc.isiri.org.ir/c/document_library/get_file?p_l_id=18496&folderid= 20319&name=DLFE-27121.pdf Jensen, Lien Johannessen, Jarle 30.11.05 Sintef Risiko designlaster og sikkerhet http://www.tekmar.no/tema/ns9415/faglig%20underlag%20ns%209415% 20Risiko%20 %20designlaster%20og%20sikkerhet%20SFH80 %20A0640 59.pdf 2002 J.W. Cappelens Forlag Tekniske Tabeller made-in-china.com http://zyconstruction.en.made-in-china.com/product/nbdjqilyrtrd/china -PVC-Sandwich-Panel.html Plastforum nr3 2011 http://project.vbook.no/project.asp?version_id=800&page=36#zp12 Side 76

Referanseliste Ashby Michael F. 1999 Butterworth-Heinemann Material Selection in Mechanical Design, second edition Auraavis.no 21.04.11 http://www.auraavis.no/lokale_nyheter/article5579760.ece Creep-Relaxation-and-Set http://www.scribd.com/doc/13729758/creep-relaxation-and-set Dahlvig 1993 PDC Printing Data Center Konstruksjons-elementer (Dahlvig, Christensen, Strømsnes) DuPont Plastics http://www.engineeringpolymers.com/epbb/ch04.html Feliza Mirasol 14.01.2011 http://www.icis.com/articles/2011/01/17/9425406/plastics-outperformmetal-in-automotive-applications.html Ides.com http://www.ides.com/property_descriptions/iso815.asp Igus.com http://www.igus.com/wpck/default.aspx?pagenr=6410 Side 77

2011 Isaksen, Asle Plastforum nr.3, side 12 http://project.vbook.no/project.asp?version_id=800&page=36#zp12 Isaksen, Bernt EAC Engineering Analyses Consultant ISO 8013 1988 http://doc.isiri.org.ir/c/document_library/get_file?p_l_id=18496&fo lderid=20319&name=dlfe-27121.pdf JEC Composites Jensen, Alf E. 12.03.11 http://www.newmaterials.com/customisation/news/advanced_com posites/advanced_composites_general/14_companies_rewar ded_f or_their_composite_innovations_in_the_2011_jec_innovation_awa rds_programme.asp 04.06.11, Fireco AS, 1610 Fredrikstad Jensen, Lien McCoy, Jeff Plastemart.com 30.11.05 Sintef Risiko designlaster og sikkerhet http://www.tekmar.no/tema/ns9415/faglig%20underlag%20ns%2094 15%20Risiko%20%20designlaster%20og%20sikkerhet%20SFH80%2 0A064059.pdf 01.01.11, Applaiant Designs, http://www.appliancedesign.com/articles/feature_article/bnpguid 9-5-2006_A_10000000000000966629 Jan. 31. 2011 http://www.plastemart.com/plastic-technical-article.asp?literaturei D =1559 Side 78

Plastforum Nr.3 2011 http://project.vbook.no/project.asp?version_id=800&page=36#zp39 Polyprod.com http://www.polyprod.com/eng-creep.html Solvay Plasticks http://www.solvaysites.com/sites/solvayplastics/en/specialty_polymers/ Spire_Ultra_Polymers/Pages/Torlon.aspx Spetz, Göran Feb. 1999, Elastocon AB Stress Relaxation Test http://www.axelproducts.com/downloads/relax.pdf starstreak.net http://typhoon.starstreak.net/eurofighter/structure.html Tamshell Corp. http://www.tamshell.com 1. /use-plastic-machining-helps-reduce-weight-improve-project-productivity.html 2. /benefits-of-plastic-fabrication-over-metal-for-precision-components.html 3. /ways-to-reduce-costs-using-precision-plastic-components-in-your-projects.html wikipedia.org http://no.wikipedia.org/wiki/plas Zenkert, Dan An Introduction to Sandwich Construction Side 79

Vedlegg 1 - s355 Side 80

Vedlegg 2 h321 Side 81

Vedlegg 3 720 M850 Side 82