EXAMENSARBETE Verifikation av process för laminering
2010:047 CIV EXAMENSARBETE Verifikation av process för laminering Johan Erik Olav Hjort Luleå tekniska universitet Civilingenjörsprogrammet Maskinteknik Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Funktionella produkter 2010:047 CIV - ISSN: 1402-1617 - ISRN: LTU-EX--10/047--SE i Förord I och med denna examens rapport har jag, Erik Hjort, för avsikt att avsluta mina 4,5 års heltidsstudier vid civilingenjörsutbildningen i maskinteknik på Luleå tekniska universitet. Genom denna sorti är min ambition att avsluta denna period, karakteriserad av trevligt umgänge, goda kamrater, bra lärare & mycket lärande, med flaggan i topp (för att låna en strof ur Mikael Wiehes ”Titanic Andraklasspassagerarens sista sång). Tillskillnad mot Wiehes text så har jag inte för intention att likt Titanic gå mot botten, även om arbetsmarknaden och konjekturen verkar gjort en rejäl grundstötning, utan att fortsätta hissa nya vimplar varthän det bär. Inga flaggor hissas dock helt solitärt, och innan denna hissas vill jag ta mig friheten att få uttrycka min stora tacksamhet till Göran Lundgren. Tack Göran för att du litat på min förmåga att genomföra detta och det förtroendet jag fick i första hand genom sommarpraktiken 2008 och allt efterföljande arbete. Likväl måste jag uttrycka ett stort tack till alla på avdelningen för funktionella produkter och särskilt tack till min handledare Peter Törlind som till att börja med tog emot en något sen anmälan till Drivhuskurs VI – där detta examensarbete har sitt ursprung och som prylintresserad handledare för examensarbetet. Jag tror även att det är påpassligt att tacka professor Tobias Larsson som högsta ansvarig och för, det jag misstänker vara, en något oortodox lösning vad det gäller vissa detaljer av de praktiska delarna rörande examensarbetet och drivhuskursen. Vidare har jag fått mycket hjälp, svar på frågor och tips angående elektronik av Johan Borg, avdelningen för systemteknik. Tore Silver, avdelningen för produktionsutveckling, har gett många handfasta råd för handhavandet av utrustning och maskiner i handverkstaden. Lennart Wallström, avdelningen för polymerteknik, har hjälpt till och svarat på frågor om allt från adhesiver till monomerer. Magnus Karlsson och Mikael Sjöberg på AluFlex Systems AB ska ha ett stort tack med all hjälp de bistått med för testutrustningen. Gustav Fredriksson och P.O Edén Wellboard Scandinavia AB är ej heller att förglömma. Slutligen måste jag tacka min kära och älskade flickvän, Camilla, som stått ut med en stundtals ensam tillvaro i lägenheten endast med tillsammans med katterna då jag varit allt för uppslukad av examensarbetet. Sundsvall, januari 2010 ________________________ Johan Erik Olav Hjort ii iii Sammanfattning Lätta material med resurs- och energioptimerade processer med hög nyttjandegrad av råvarorna är i linje med dagens och morgondagens marknadsbehov. Göran Lundgren på GeLund AB i Sundsvall har precist inringat just detta genom patentet för processen att tillverka flerskiktsskivor med en ny och unik metod. Detta examensarbete är ett steg i ledet i att kommersialisera patentet genom verifiering och utvärdering av processen. Arbetet som ligger till grund för examensarbetet inleddes redan hösten 2008 med utvecklingen av den testutrustning som färdigställdes i examensarbetets första skede. Målsättningen för arbetet har varit att beskriva processen teoretiskt och att utvärdera metoden genom praktiska tester. Arbetet genomfördes under hösten 2009 vid Luleå tekniska universitet i Luleå och efter ett antal iterationer har tillverkningsprocessens fördelar gestaltat sig genom 3,33 gånger högre produktionshastighet och 1/10 energiförbrukning jämförelsevis referensprocessen; tillverkning av Wellboardskivor på Wellboard Scandinavia AB i Söråker, strax norr om Timrå. iv Abstract Light weight materials by resource- and energy optimized processes including high efficient usage of raw material is in the line of today and tomorrows market demands. Mr. Göran Lundgren at GeLund AB in Sundsvall has just arrowed this by the unique and new method patented for manufacture of multilayer boards. This thesis is a step forward in commercialization of the patent through verification and analysis of the process. The previous work for this thesis where already initiated in the autumn of 2008 by the design and development of the testing equipment that were finished during the first period of the thesis work. The aim for the thesis has been to theoretically describe the process and to evaluate the method by practical testing. That work were executed during the autumn of 2009 at Luleå University of technology in Luleå and after some numerous iterations the manufacturing process benefits revealed by 3,33 times increasing of production speed and a decrees to 1/10 of energy consumption considering the reference process, manufacturing of Wellboard at Wellboard Scandinavia manufacturing plant in Söråker, just north of Timrå. v vi Innehåll Förord ...................................................................................................................................................... ii Sammanfattning...................................................................................................................................... iv Abstract ................................................................................................................................................... v Introduktion ............................................................................................................................................. 1 Bakgrund ............................................................................................................................................. 1 GeLund AB ..................................................................................................................................... 3 Uppgift/syfte........................................................................................................................................ 4 Kallpresslaminering......................................................................................................................... 4 Avgränsning ........................................................................................................................................ 6 Tidigare arbete..................................................................................................................................... 6 Metod och tillvägagångssätt ................................................................................................................ 6 Arbetsprocess .................................................................................................................................. 6 Teori .................................................................................................................................................... 8 Produktutveckling ........................................................................................................................... 8 Värmetransport .............................................................................................................................. 10 Testutrustning – Provrigg ...................................................................................................................... 14 Ram ................................................................................................................................................... 14 Press .................................................................................................................................................. 15 Värmare ............................................................................................................................................. 16 Styrning/Elektronik ........................................................................................................................... 17 Övrig utrustning ................................................................................................................................ 18 LabWIEV ...................................................................................................................................... 18 Persondator .................................................................................................................................... 18 Styrkort .......................................................................................................................................... 18 Temperaturgivare .......................................................................................................................... 18 Kontrollmaterial/process ....................................................................................................................... 19 Wellboard .......................................................................................................................................... 19 Kärna ............................................................................................................................................. 20 Bindemedel.................................................................................................................................... 20 Ytskikt ........................................................................................................................................... 20 Resultat .................................................................................................................................................. 21 Jämförelseberäkningar....................................................................................................................... 21 Energiberäkning enligt traditionell lamineringsmetod .................................................................. 21 Värmaren ....................................................................................................................................... 21 Värme som avgår från ytan via konvektion................................................................................... 23 Våglängd ....................................................................................................................................... 24 Ångtrycksberäkning ...................................................................................................................... 25 Teoretisk maximal linjehastighet .................................................................................................. 26 Konstruktion/optimering av värmare ................................................................................................ 28 Mk I & II ....................................................................................................................................... 30 Mk III ............................................................................................................................................ 31 Mk IV ............................................................................................................................................ 32 Jämförelse med traditionell lamineringsmetod ................................................................................. 34 Verkliga tester i relation till beräkningar............................................................................................... 34 Diskussion ............................................................................................................................................. 36 vii Angående utfört arbete ...................................................................................................................... 36 Fortsatt arbete .................................................................................................................................... 37 Förbättring av testutrustningen ...................................................................................................... 37 Källhänvisning/Litteraturlista ................................................................................................................ 40 Appendix A ........................................................................................................................................... 41 Appendix A.1 .................................................................................................................................... 42 Appendix B ........................................................................................................................................... 43 Appendix C ........................................................................................................................................... 44 Appendix D ........................................................................................................................................... 44 Appendix E ............................................................................................................................................ 45 Appendix F ............................................................................................................................................ 46 Appendix G ........................................................................................................................................... 47 viii Introduktion Bakgrund Material som fogas samman i flera skikt med lim och/eller genom uppvärmning och tryck benämns ofta med samlingsnamnet laminat. Laminerade material är så pass förekommande att varje människa i västvärlden dagligen på ett eller annat sätt kommer i kontakt, eller påverkas av det; i hemmet, på arbetsplatsen och vid offentliga miljöer finns det mängder av laminat. Alla laminat är inte lika uppenbara så som laminatgolv eller laminerat glas. Skrivbord, plywoodskivor, köksknivar till och med familjens husvagn eller fritidsbåt är ofta tillverkad av någon form av laminat. Varje dag bär även de flesta med sig ett flertal plastlaminat i form av kontokort och id-kort bara för att kunna klara det vardagliga livet och inköpen för hushållsbehoven. Nationalencyklopedin ger följande definition av laminat: ”lamina´t, produkt som består av två eller flera skikt av material som fogats samman, laminerats, med hjälp av lim eller genom uppvärmning och sammanpressning. Skikten kan vara förformade eller bildas på platsen. Laminat kan ha högst varierande egenskaper och används i t.ex. golvbeläggningar, livsmedelsförpackningar och konfektionsvaror eller som konstruktionsmaterial i olika sammanhang.” 1 Laminat eller adjektivet att laminera innefattar således en mängd material och möjliga processer för tillverkning av dessa. För att precisera det något vida begreppet är det vanligt att kategorisera i undergrupper beroende på uppbyggnadsmaterial och användningsområde, i. e. trä- plast- eller metall laminat och för byggnadsindustri, fordonsindustri etc. Det är även möjligt att kategorisera efter laminatets egenskaper. För laminat där låg vikt och annars goda mekaniska egenskaper efterfrågas dyker ofta sandwichlaminat upp som gemensam benämning. Ett sandwichlaminat, Figur 1, kan vara baserat på trä, plast eller metall med den gemensamma nämnaren att laminatet har en kärna av något lätt, ofta cellstrukturerat, material, i. e. honeycomb, och ett drag- & tryckhållfast material som ytskikt. Figur 1. Sandwichlaminatets uppbyggnad Fördelen med ett sandwichlaminat är att det är starkt i förhållande till vikt, särskilt är förmågan att motstå böjning god. Vid böjning, Figur 2, uppstår de största tryck och dragspänningarna i gränsskiktet, d.v.s. störst påfrestning i dessa områden. Om ytskiktet är av ett material som har god förmåga att motstå dessa deformationer blir hela laminatet förhållandevis starkt men lättare än motsvarande lika tjock homogen bit bestående av endast ytskiktet. 1 http://www.ne.se/laminat 1 Figur 2. Illustration av balkböjning Liknande resonemang som vid böjning gäller även för skjuvpåkänning i laminatet. Ytskiktet kan förutom vara lastupptagande även behandlas/bearbetas utefter användningsområdets krav på estetik och mekanisk/kemisk beständighet. Sandwichlaminat av trä/cellulosa tillverkas främst genom två metoder, kontinuerlig eller styckets. Stycketstillverkningen sker genom att kärna, bindemedel och ytskikt placeras i en press/ugn och värms till erforderlig temperatur. Efter att aktiveringstemperaturen för bindemedlet uppnåtts kyls laminatet innan det tas ur och processen kan starta om igen. Vid kontinuerlig laminering, Figur 3, inmatas kärnmaterial och ytskikt i en obruten linje. Laminatet värms och bindemedlet aktiveras innan alltsammans kyls för att slutligen styckekapas enligt önskad längd. Figur 3. Traditionell lamineringsprocess Trä/cellulosa baserade sandwichlaminat har ett brett användningsområde. Ett typexempel är till möbler och kontorsmaterial där ytskiktet då har en träimiterad finish föreställande en mängd olika träslag, från furu och björk till körsbär och ek. Tillverkning av sandwichlaminat enligt ovan nämnda metod innebär även vissa begränsningar. Linjehastigheten är förenklat direkt beroende av ytskiktets värmeledande egenskaper och massa, dessutom måste ytskiktet tåla den temperatur som krävs för att aktivera bindemedlet. Eftersom värmen tillförs genom ytskiktet innan den når bindemedlet medför det även att en stor del av den tillförda energin går åt till att värma ytskiktet och kan därför inte räknas som verksam. Det innebär att högsta teoretiska verkningsgrad är påpassande låg och linjen även i optimala fall måste betraktas som energiineffektiv. Laminering av tjocka ytskikt med extra goda värmeisolerande egenskaper, i. e. brandskyddsskivor, är i princip omöjlig eftersom linjehastigheten i det fallet blir ur produktionsperspektiv allt för låg. Alternativt för värmetröga ytskikt är att öka effekten på värmeelementen för att behålla en högre linjehastighet. 2 GeLund AB Är ett ungt konsult- och maskinkonstruktionsföretag med kontor i centrala Sundsvall. Företagets inriktning är mot forskning och utveckling av energiteknik samt tillverkningsprocesser och maskiner för pappers- & träfiberbaserade skivor. Företaget grundades av Göran Lundgren år 2004 för att idag vara fyra anställda och upp till totalt 10 konsulter arbetandes, helt beroende på det aktuella projektet eller projekten. Kundbasen består av bland annat Swedwood, ett av IKEA helägt möbeltillverkningsbolag, och andra företag inom energi- och träfiberindustrin. GeLund skiljer sig från många traditionella konsultbolag genom att inte enbart erbjuda konsulttjänster utan även ansvara för maskinleveranser och projektplanering. 3 Uppgift/syfte Examensarbetet ingår i ett led i att utveckla ny teknik och nya kommersiellt tillämpbara produkter inom ramarna för GeLund´s verksamhet. Arbetets syfte är att verifiera den metod för tillverkning av sandwichlaminat som beskrivs i patent SE 529 162 C2 -”Förfarande för att i ett vertikalt utförande tillverka en treskiktsprodukt” via praktiska tester utförda på befintlig testutrustning samt teoretiskt beskriva processen. Genom det kommer arbetet ligga till grund för beslut om vidare utveckling och de lärdomar som examensarbetet gett kan föras vidare till nästa generations testutrustning och slutligen vara en del i underlaget för dimensionering och konstruktion av färdig, kommersialiserad utrustning. Uppgiften delas upp i två kategorier, praktiska försök och teoretisk grund. Inom ramarna för de praktiska försöken ingår iordningställandet av testutrustningen som inkluderar konstruktion av styrkort, anpassning av programvara och mindre ändringar/komplettering av testriggen. Den teoretiska delen av arbetet avser att förklara grunderna för värmeöverföringen från värmaren till bindemedel och innefattar även jämförelseberäkningar mellan kontrollprocessen och den metod examensarbetet behandlar. Uppgiften sammanfattas i: 1. Iordningställandet av testutrustning. i. Konstruktion av styrelektronik. ii. Konstruktion av värmare. b. Utförandet av tester. c. Utvärdering av tester och testutrustning. 2. Teoretiskt grund för processen. a. Teoretiskt förklara processen. i. Värmetransport. ii. Ångtrycksdimensionering. b. Jämförande energi- och kapacitetsberäkningar. Kallpresslaminering Den process som beskrivs i patentet ”Förfarande för att i ett vertikalt utförande tillverka en treskiktsprodukt”, Figur 4, skiljer sig från traditionell laminering främst genom att värmen tillförs innan ytskikten och kärnmaterialet pressas samman, jämfört med den traditionella där värmen tillförs efteråt. När väl ytskikten och kärnan pressas samman har då all erforderlig värme tillförts och pressens funktion är endast att hålla samman delarna tills det att bindemedlet härdat/stelnat. Därav har processen namngetts i rapporten som kallpresslaminering. För att uppnå bästa möjliga resultat med kallpresslaminering är det av vikt att värmaren placeras så nära pressen som möjligt. För att det ska vara realiserbart kräver det en slank och optimerad värmare. Den huvudsakliga kylningen av processen sker genom att värmen sprids i laminatet, på grund av att bindemedlets uppvärmda massa är liten i förhållande till massan av kärnmaterial och ytskikt. Jämför med traditionell lamineringsteknik där även ytskiktet värms upp och värme kan inte spridas i laminatet på så sätt som beskrivs för kallpressning. 4 Figur 4. Lamineringsprocess beskrivet i patent SE 529 162 C2 Fördelarna med kallpresslaminering är inte enbart att värmen tillförs på ett effektivare sätt, utan det erbjuder även användandet av andra ytskikt som traditionellt inte kan användas. Det kan vara värmekänsliga ytskikt som inte klarar av den upphettning som krävdes tidigare men också kraftigt värmeisolerande ytskikt som med andra processer inte kan användas. På så sätt kan helt nya typer av sandwichlaminat introduceras och nya marknader öppnas för laminattillverkarna. 5 Avgränsning Arbetet avgränsas till användning av den testutrustning som finns tillgänglig, med smärre modifikationer och med jämförelsematerialet Wellboard (se nedan). Den teoretiska utvärderingen och jämförelsen avgränsas till endast behandla statisk analys av processerna. Kallaminering är ännu under utveckling, även om teorin och den bakomliggande fysiken är intressant bidrar en djup analys (dynamiska simulationer etc.) inte till marknadsrealisering i förhållande till den resursinvestering som krävs. En dynamisk värmeledningsanalys är så pass omfattande att den i sig själv kan utgöra ett examensarbete2. Tidigare arbete Arbetet som ligger till grund för examensarbetet initierades hösten 2008, då till form av produktutvecklingskursen Drivhus IV – M7002T. Målsättnigen för kursen var att få tillstånd en fungerande testutrustning/prototyp för kallpresslaminering. Det visade sig var en lite väl optimistisk målsättning med tanke på kursen längd, motsvarande 20 h/veckan under tio veckor. Arbetet drog ut på tiden och i juni 2009 var komponenterna som behövdes på plats eller på väg till Luleå tekniska universitet och examensarbetet kunde påbörjas. Metod och tillvägagångssätt Testerna och utvecklingen av tekniken för kallpresslaminering har utförts i universitets lokaler på Porsön, Luleå. Själva teknikutvecklingen har varit iterativ där tester har utförts och analyserats varefter ändringar av utrustningen gjorts. Arbetsprocess Arbetsprocessen illustreras i Figur 5. Det tidigare arbetet, Drivhus M7002T, är den rymd som begränsas från vänster till origo på tidsaxeln. Testutrustningens utvecklingskurva börjar i och med att drivhuskursen inleds och pekar mot målsättningen, en fungerande och realiserad produkt. Innan examensarbetets start symboliseras testutrustningen av en pall, ej iordningställd utrustning, för att i examensarbetets inledning illustreras av en färdigställd utrustning. Arbetets bredd belyses vertikalt. Litteraturstudien innefattar även det teoretiska arbetet medan testerna representerar fysiskt arbete och utveckling av testutrustningen. 2 Exempelvis Sofia Larssons examensarbete “Kiln aerodynamics: influence of from turbulence models and boundary conditions” ISSN 1402-1617 / ISRN LTU-EX--09/022--SE / NR 2009:022. 6 Figur 5. Arbetsprocessen 7 Teori Följande kapitel behandlar teorin kring examensarbetet och de fysikaliska grunderna vilket kallpressning basseras på. För ytterligare djupdykning i respektive ämne rekommenderas en genomgång av den facklitteratur som finns inom varje specifikt ämnesområde. Teori rörande testutrustningen funktionalitet behandlas i den mån det är relevant för examensarbetet i kapitlet som beskriver utrustningen, se nedan. Produktutveckling I följande stycke görs en kort sammanfattning av produktutvecklingsteori och hur det står i relation till utvecklingen av kallpresslaminering. Ett sätt att betrakta och relatera till produktutvecklingsteori är att utgå från upphovet till en produkt; en ny teknik eller ett behov, en marknadsmöjlighet, jämför i Figur 6. Skillnaden mellan dessa är enkelt beskrivet att; utgångspunkten är antingen en ny teknologi som utvecklas för att hitta marknader där den är tillämpar eller att hitta behov/marknadsmöjligheter som kan fyllas av ny teknologi/produkt. Figur 6. Utgångspunkter för produktutveckling En vanlig benämning för dessa två utgångspunkter är generisk- (Market-pull) eller tekniktryckande(technology-push) produktutveckling. Benämningarna och innebörden varierar beroende av teknikoch tillämpningsområde och även andra definitioner förekommer. Andra namn för marknadsdragande produktutveckling är även användarcentrerad eller behovscentrerad utveckling, inom programvaruutvecklingen är ”agile software development” en populär och förekommande benämning. Agile software development bygger på ett tolvpunkters manifest med samma namn3. Manifestet sammanfattar i stort för vad som utgör grunderna för framgångsrik ”produktutveckling” ur användar- och behovsperspektiv; fokus på användare och användarbehoven, produktutveckling är en iterativ process, vikten av att använda multidisciplinära team och reflektion & utvärdering av det åstadkomna arbetet. Om det generiska perspektivet utgår från ett behov och fyller behovet börjar det som benämnts som tekniktryckande med en ny teknik och försöker hitta marknader och behov för denna. Generellt är chanserna mindre i att lyckas ur ett ekonomiskt perspektiv för technology-push -utveckling, i. e. om ingen behöver din nyutvecklade kombinerade tandborste och rakapparat finns det därför ingen marknad och produkten måste anses som misslyckad ur ett marknadsekonomiskt perspektiv. Enligt ovanstående definitioner tillhör Kallpresslaminering kategorin technology-push teknikutveckling, eftersom det startade och utgår med en teknik (patent SE 529 162 C2). Därför är det också besläktat med de problem och risker som finns för tekniktryckande utveckling. Technology-push produktutveckling har sina begränsningar och hinder men riskerar inte alltid att misslyckas per automatik. Ulrich & Eppinger menar att det finns exempel på mycket lyckad sådan, GoreTex, 3M mfl., och uttrycker sig enligt nedan: 3 http://agilemanifesto.org/principles.html 8 “Many successful technology-push products involve basic materials or basic process technologies. This may be because basic materials and processes are developed in thousands of applications, and there is therefore a high likelihood that new and unusual characteristics of materials and processes can be matched with an appropriate application”4 Med det i åtanke är utveckling av kallpresslaminattekniken inte utdömd på förhand att bli en misslyckad produkt. Produkten, maskiner som tillverkar sandwichlaminat, är en basprocess som dessutom producerar ett basmaterial, sandwichlaminat. Ulrich & Eppinger har även redovisat kriterier för lyckad tekniktryckandeutveckling och tillägger: ”The [Technology-push] product is unlikely to succeed unless (1) the assumed technology offers a clear competitive advantage in meeting costumers needs, and (2) suitable alternative technologies are unavailable or very difficult for competitors to utilize.”5 Även i kontrast mot detta citat finns det inget uttryckligen som avvisar och utdömer utveckling av kallpresslaminering. Kunderbjudandet är att tillverka laminat på ett resurs- och kostnadseffektivt vis och konkurrensen till tekniken är begränsad till den traditionella metoden och de möjliga processer som ännu inte uppfunnits/utvecklats. Dessutom kan det inte uteslutas att nya tillämpningsområden kan exploateras med hjälp av den nya tekniken. Oavsett ingångsvinkel för produktutvecklingsprojektet finns det vissa återkommande egenskaper som karakteriserar en framgångsrik produktutvecklingsprocess. En viktig ingrediens är att utvecklingsteamet ska ha en viss spridning, s.k. multidisciplinärt team, och att hela ansatsen till arbetet ska vara utav en tvärvetenskaplig karaktär med inslag av ekonomi, juridik, sociologi, teknik etc. Detta beroende på det enskilda projektets inriktning. Vidare bör hela processen vara iterativ, reflekterande och beslutsgrunderna vara väl redovisade. En examensrapport kan därför ses som en del av det reflekterande arbetet samtidigt som den redogör beslutsgrunderna. 4 5 Ulrich, Karl T., Eppinger Steven D., (2007) Product Design and Devlopment, s. 18. Ibidem. 9 Värmetransport Den del av fysiken som studerar och redogör överföring av termisk energi, värme, har getts samlingsnamnet värmetransport i det svenska språket. Värmetransport mäts i energimängd per tidsenhet [J/s] och grunden för värmetransporten kommer ur termodynamikens huvudsatser: 0. Nolte huvudsatsen: Om två system förs i kontakt med varandra kommer de att utbyta energi eller materia tills de är i jämviktsläge. 1. Första huvudsatsen, energiprincipen: Energi kan varken skapas eller förstöras utan bara omvandlas. 2. Andra huvudsatsen, entropiprincipen: Värme flödar aldrig spontant från en kallare kropp till en varmare. 3. Tredje huvudsatsen: Entropin för en ren kristallin substans är noll vid absoluta nollpunkten. Värmetransport inkluderar tre typer av värmeöverföring; [1] värmekonduktivitet, [2] konvektion och [3] värmestrålning. Skillnaden mellan dessa är i fall [1] och [2] sker den termiska energitransporten i eller via ett medium, värmestrålningen är däremot helt kontaktlös. Nedan redogörs de tre typerna av värmetransport mer detaljerat. 10 Värmekonduktivitet Värmeledning som det också kallas är transport av termisk energi genom ett medium. När en del av ett ämne har högre temperatur än övriga kommer värmen spridas i ämnet. Detta på grund av ämnets entropi (grad av oordning) ökar enligt andra termodynamiska huvudsatsen. På atomnivå, eller molekylnivå är det energidistribution från partiklar med högre energiinnehåll till partiklar med lägre. Riktningen för värmetransporten ges också av andra huvudsatsen och det innebär att den högre temperaturen sjunker och den lägre stiger så att temperaturjämvikt uppstår (under förutsättning att ingen energi tillförs systemet), helt enligt nolte huvudsatsen. Ett materials förmåga att leda värme, eller motstå värmeledning är en materialegenskap som fått namnet värmeledningstal. Värmeledningstalet [κ] är energimängd per tids-, längdenhet och Kelvin [J/s.m.K]. Inom byggbranschen, där materialets förmåga att motstå värmetransport är intressant, benämns värmeledningstalet ofta för λ [lambda]. Figur 7 illustrerar värmeledning och formeln är redovisad i ekvation 1. Figur 7. Värmeledning κ Symbol κ ∆ ∆ (1) Enhet Wm-1K-1 m m2 K 11 Kommentar Värmeledningstal Tjocklek Area, yta Temperaturskillnad Konvektion När ett rum värms upp av radiatorer eller en bilmotor kyls via kylsystemet är det exempel på konvektion. Det är även exempel på de två former konvektion delas in i; Naturlig- eller tvingad konvektion. Konvektion kan betraktas som ett specialfall av värmekonduktivitet med kravet att [minst] en fluid ingår och att randvillkoret vid fluiden är konstant temperatur. Det rör sig egentligen om två mekanismer, diffusion (oregelbunden molekylär rörelse, inre energi) och fluidens bulkrörelse (d.v.s. själva vätskan eller gasens rörelse). Värmeledningskoefficienten för konvektion, h, är liksom värmeledningstalet vid konduktivitet en materialegenskap och mäts energimängd per tids-, ytenhet Kelvin [J/s.m2.K]. Dynamiska konvektionsberäkningar är ett komplicerat förfarande där modellen formuleras som en partiell differentialekvation som löses numeriskt, under förutsättning att flödet är laminärt (d.v.s. linjärt). När flödet övergår till att vara turbulent (för Reynolds tal >2300) är det än svårare att utföra korrekta beräkningar. För statiskt betraktande beskriver ekvation 2 det termiska energiflödet hos naturlig konvektion. Symbol ∆ Enhet Wm-2K-1 m2 K K (2) Kommentar Värmeledningskoefficient Kontaktarea Temperaturskillnad Temperatur fluid Värmestrålning Värmetransport som sker genom elektromagnetiska vågor benämns som värmestrålning. Det mest självklara exemplet är hur solen, utan något värmeledande medium, värmer jorden genom värmestrålning. För konvektion eller värmekonduktivitet ska kunna ske krävs ett transportmedium. Värmestrålning, å andra sidan, fungerar absolut bäst utan något som helst medium, i vakuum. Den värmestrålning som strålar från en yta härstammar från ytans temperatur och den termiska energin som är bunden där. Den maximala energimäng som är bunden till ytan begränsat uppåt av StefanBoltzmanns lag, ekvation 3. (3) Där T är den absoluta temperaturen [K] i ytan och σ är Stefan-Boltzmanns konstant. Den ytan som avses i Stefan-Boltzmanns lag kallas vanligen för ideal värmestrålande kropp eller svartkropp. En reell kropp/yta strålar inte lika effektivt, istället har en konstant, e (emissivitet), införts. Emissivitet är ett dimensionslöst tal mellan 0 och 1 som beskriver hur likt ytan är en ideal värmestrålande kropp. Mängden energi som genom värmestrålning lämnar en kropp beskrivs i ekvation 4. Där ytans area, temperatur och emissivitet är av betydelse. 5,67 10 Symbol Enhet m2 Wm-2K-4 K (4) Kommentar Area, yta Emissivitets faktor Stefan-Boltzmanns konstant Kelvin 12 Wiens lag – Wiens förskjutningslag Våglängden på den elektromagnetiska strålningen som avges från ett föremål är omvänt proportionellt mot objektets (yt-) temperatur (för en ideal svartkropp). För temperaturer under ca 400 dgC ligger emmisionsmaximun inom det infraröda spektrumet och är därför inte synligt ljus för ögat. Ju högre temperatur desto kortare blir våglängderna och det synliga ljuset övergår till ultraviolett ljus allt eftersom temperaturen ökar. Den tyske fysikern Wilhelm Wien formulerade lagen år 1893 och är redovisad i ekvation 5. ! λ " # 2,822 Symbol λ " (5) Enhet m mK K Kommentar Våglängd Wiens förskjutningskonstant Kelvin Ångtryck För konstruktioner av maskiner inom pappers- och cellulosaindustrin har ångtrycket varit en dimensionerande faktor. Med ångtryck avses då ett ämnes avdunstning från en vätska är lika stort som dess kondensering mot vätskan vid en viss temperatur. Ämnet ifråga vad gällande boardtillverkning är det vatten som är bundet i fibrerna och eftersom processerna ofta involverar höga temperaturer påverkar ångtrycket dimensioneringen av allt från axlar & lager till motorer & växellådor. I Tabell 1 återfinns ångtrycket för vatten upp till 120 grader Celsius (dgC), en tumregel är att trycket dubbleras för varje 20-gradig temperaturökning. Tabell 1. Ångtryck 13 Testutrustning – Provrigg Arbetet med att ta fram underlag och konstruera provriggen påbörjades i drivhuskursen M7002T. Den design som presenterades i M7002T har sedan förbättrats löpande allteftersom examensarbetet fortskridit genom tester och analyser med nya förbättringar och tester som resultat. Själva designutvecklingen har därför varit en iterativ process där varje ny generation har höjt prestandan och ökat kunskapen om kallpressningstekniken. Provriggen är uppdelad i tre huvudkomponenter; Ram, Press och Värmare. Ramen och pressen är till största del baserad ett aluminiumprofilsystem från AluFlex Systems AB i Helsingborg. Värmaren är till största delen egentillverkad med undantag för värmefilmen från Elit AB i Täby. I efterföljande stycken görs en djupare presentation av provutrustningen. Ram Är den i Figur 8 gråfärgade yttre strukturen som har till syfte att bära upp utrustningen. Ramen är baserad på AluFlex profil 8-system av aluminium. Profil 8-systemet är uppdelat i tre vikt- och prisklasser, Normal, Lätt och Ekonomi. Alla profiler som används i testutrustningen har benämningen Lätt vilket är mellanklassen i både pris och vikt. I Tabell 2 finns alla ingående detaljer redovisade med AluFlex artikelnummer och övrig information. Tabell 2. Ingående komponenter Ram AluFlex art. Nr. 0.0.026.34 0.0.026.34 Benämning Anmärkning Längd Enhet Antal Profil 8 80x40 L Ben Horisontellt stöd, långt Horisontellt stöd, kort Horisontellt stöd, långt Horisontellt stöd, kort Sträva Fäste, ram Fäste, press Fäste sträva, 45 grader Standard fästelement 2500 mm 4 1000 mm 4 500 mm 4 1000 mm 4 500 mm 4 1341 80x80 40x40 mm mm mm 2 16 16 32 mm 2 - - 32 Profil 8 80x40 L 0.0.026.34 Profil 8 80x40 L 0.0.026.33 Profil 8 40x40 L 0.0.024.33 Profil 8 40x40 L 0.0.024.33 0.0.411.32 0.0.411.14 0.0.388.00 0.0.488.60 Profil 8 40x40 L Vinkelsats 8 80x80 Vinkelsats 8 40x40 Vinkelelement 8 T140 Universalförbindning 8 St Finns ej med i Figur 8. 14 Figur 8. Illustration av testutrustning Press Är turkosfärgad i Figur 8 och består estår av två vertikalställda bandtransporttörer, även dessa från Aluflex Systems AB. Transportörerna har en lastupptagande 3mm plåt invändigt fäst under transportbanden av silikon. Silikonband onband används för att de har bättre termisk beständighet, upp till 250 dgC6 och är även relativt okänsliga för smuts. Tillhörande bandtransportörerna är även en frekvensomvandlare [0,75kW] som kan reglera linjehastigheten från 0 – 50 (200) Hz. Där 50 Hz motsvarar otsvarar en hastighet på bandet av ca 5 m/min. Frekvensomvandlaren har kapacitet upp till 200 Hz (extra kylning krävs) men är begränsad digitalt till 50 Hz i inställningarna från fabrik. Under korta tidsintervall kan frekvensomvandlaren leverera upp till 11,5 kW7. Förutom frekvensomvandlare ingick det även två 3fasers elmotorer [120W] från Busck med tillhörande snäckväxel. Pressens komponenter återfinns i Tabell 3. Det fanns inga specifikationer på maximallast för bandtransporttörerna men rekommenderad maxvikt var ca 100 kg, över det börjar bandet slira på drivvalsen8. 6 Muntlig källa från Mikael Sjöberg, AluFlex Systems AB. Ibidem. 8 Ibidem. 7 15 Tabell 3. Ingående komponenter Press AluFlex art. nr. C200-10-0-1 - Benämning Bandtransportör B=200 Lc/c=1000 MicroDrive F Busck MS63A-4 Anmärkning Press Frekvensomriktare Helkapslad kortsluten 3-fas motor Värde B 200 L 1000 0,75 0,12 400 Enhet Antal mm 2 kW 1 kW V 2 Värmare Vid kallpresslaminering är det av vikt att värmetillförseln sker så nära pressen som möjligt. Därför har olika alternativa värmekällor undersökts innan valet för på en tunn värmefilm, Minco Thermo heat foile, från Elit AB i Täby. Minco Thermo heat foile är en tunnfilmsvärmare som finns i ett antal standardutförande och även går att få måttbeställd enligt specifikation. Den finns också i två effektutförande. Till värmare användes 0,5 mm värmaren som vid ca 300dgC har en maximal effekt på ca 5 W/cm2. Den effektiva effekten begränsas dock av nätaggregatets kapacitet på 240 W. Effekten per värmefolie är 96W, enligt ekvation 6 då nätaggregatets inspänning är 48V och filmens resistans 24 ohm. Totala effekten på värmaren är 192W eller 0,96W/cm2. Figur 9 visar principen för värmaren. Värmeöverföringen mellan värmare och bindemedlet/kärmaterialet sker kontaktlös, i form av värmestrålning. Detta på grund av att bindemedlet riskerar att fastna på värmaren eller pressas in djupare i kärnmaterialet vid kontakt. Observera att en kontaktlös värmare inte har lägre verkningsgrad än motsvarande med kontakt utan att endast att värmeledningsförmågan är lägre vilket påverkar den möjliga produktionshastigheten. & '( ) (6) Figur 9. Värmare 16 Styrning/Elektronik Utöver ram, press och värmare tillkommer det andra inköpta elektriska komponenter som är till för styrning och strömförsörjning av värmaren. Komponenterna som är redovisade i Tabell 4 kommer uteslutande från Elfa9 och används på styrkortet om ingen annat är redovisat. Tabell 4. Ingående komponenter Styrning/Elektronik Elfa art. nr. Benämning Anmärkning 37-076-35 Kopplingsplint 4-pol Kopplingsplint 6-pol Relä 1-pol Snabbkoppling styrkort Snabbkoppling styrkort Styrning av värmare 70-005-57 1N4128 Switchdiod 73-002-40 TS78M05CZ Byglingstråd, hel sats 48-354-27 48-354-43 55-290-03 48-313-84 55-650-15 55-568-16 Kabel Nätaggregat DRP-24049 ICK PGA 11 x11 Silikonkabel 55-209-45 Nätkabel RKK 69-771-02 75-590-65 9 Labbkort Värde Enhet Antal 2,54 mm 2 2,54 mm 1 VDC A V V 2 2 Spänningsregulator 5 1,5 75 5 Kopplingar styrkort - - 1 Styrkort Lågspänningskabel För värmare Kylelement till spänningsregulator Kabel till värmare Jordad nätkabel, värmare och frekvensomvandlare www.elfa.se 17 2 B 100 H 160 0,14 240 48 mm W V 10 - - 2 mm 2 1 1 2x0,75 2 mm 10 3x1,5 mm2 10 Övrig utrustning Utöver tidigare nämnd utrustning tillkommer programvara, temperaturmätare. Dessa är kortfattat beskrivna i efterföljande text. persondator, styrkort och LabWIEV10 Är ett program med tillhörande högnivåprogrammeringsspråk med grafiskt gränssnitt för mätning och automation. Det är ett utvecklingsverktyg för data insamling, styrning av instrument och industriell automation och finns tillgängligt för Windows, Linux/Unix och MacOS. Programspråket ”G” som används är ett dataflödesspråk och programmeringen sker via block med olika funktioner som knyts ihop med trådar i programfönstret eller dataflödesfönstret. National Instruments som utvecklar och säljer LabView säljer även hårdvara, instrument, sensorer etc., som är speciellt anpassade för god kompabilitet med programvaran. En avdelning hårdvara är datainsamling (DAQ) och dataloggers. Det är enheter som fungerar som förbindningar, gränssnitt, mellan dator och övrig utrustning. Till testutrustningen används en NI USB 6008, vilket är en usbansluten I/O enhet som har 8 analoga inputs och två analoga outputs samt 12 digitala kanaler. Maximala samplingsfrekvensen är 10 kS/s med 12-bitars upplösning. Analoga utgångarna kan leverera mellan 0 och 5 volt med maximalt 50 mA (short circuit current). Persondator En Fujitsu-Siemens bärbar dator av äldre modell (<2005) ingår i testutrustningen. Datorns uppgift är att via LabWIEV och USB-enheten kontrollera värmaren. Styrkort Styrkortet vilket via datorn reglerar kontakten på- och av för värmaren är egenhändigt konstruerat. Strömförsörjningen sker med 12 V från frekvensomvandlaren som via USB-styrenhenten slår på eller av matningsspänningen [48V] till värmaren via reläerna. Temperaturgivare För temperaturmätning av värmaren används en Velleman DVM890. Det är digital multimeter med temperaturprob. Specifikationer för temperaturmätningen finns i Tabell 5 och är hämtad ur den tillhörande manualen. Tabell 5. Specifikation för temperaturgivaren ur tillverkarens manual s. 7. Range T Temperature Range -50°C to 400°C 400°C to 1000°C 0°C to 40°C Resolution 1°C Using a K-type thermocouple Using the built-in temperature sensor 10 Labratory Virtual Instrumention Workbench Engineering 18 Accuracy ± 0,75 % of rdg ± 3°C ± 1,5 % of rdg ± 15°C ± 2°C Kontrollmaterial/process Wellboard Scandinavia AB i Söråker, strax norr om Timrå tillverkar idag ett sandwichlaminat, Wellboard. Där wellpapp används som en honeycumbliknande kärna och ett ytskikt av craftliner från Swecoat Timrå AB. Produktionen sker i en vertikal kontinuerlig press av traditionell typ. Anläggningen har en kapacitet på ca 160 000 m2 Wellbord per skift och år. Intressanta för detta arbete jämförelsetal finns redovisade i Tabell 6. Tabell 6. Jämförelsetal11 Benämning Linjehastighet Linjebredd Effekt, värmare Lamineringstemperatur Värde 1,2 2000 20 125 Enhet m/min mm kW dgC Wellboard Är ett sandwichlaminat, Figur 10, bestående av tre huvudkomponenter: kärna, bindemedel och ytskikt. Det främsta tillämpningsområdet är idag reklam- & marknadsföringsapplikationer. Laminatet tillverkas i flera tjocklekar, från 11mm till 25mm utefter beställning. För testerna kommer 16 mm tjock skiva att jämföras. Nedan redovisas respektive komponent mer ingående. Figur 10. Illustration av Wellboardlaminat 11 Muntlig källa från Gustav Fredriksson, Wellboard Scandinavia AB. 19 Kärna Består av limmad och tillkapad wellpapp från Kinnareds Well AB. Kärnorna är tillkapade efter måtten 1260 x 117 x t mm (b x h x t). Kärnan utgör ingen perfekt honeycombstruktur (jämför Figur 10 med Figur 1) men är mycket lämpad för ändamålet och består av ca 70 % luft vilket bidrar till skivans karakteristiska, lätta böj- & vridstyva, sandwichlaminategenskaper. Bindemedel Idag används ett EVA-smältlim (etylvinylacetat) som tillverkas av National Adhesive och saluförs under produktnamnet Instant Pak 9696. Det är en opak polymer som levereras i pastillform och påminner om cloettatabletten Tulo. Alla kärnor är belagda med bindemedlet i ett tidigare skede av tillverkningscykeln innan lamineringen. Metoden för applicering av bindemedlet på kärnmaterialet gör att mängden lim varierar mycket mellan olika batchar av limmade kärnor, även inom varje batch förekommer det stor varriation. I Tabell 7 finns mängden lim per kvadratmeter redovisad vid en kontrollmätning av 60 kärnor utförd sommaren 2008. Tabell 7. Kontrollvägning av mängden bindemedel på bestruket kärnmaterial Lågt Medel Högt 67,8 93,3 118,7 g/m2 Ytskikt Swecoat Timrå AB tillverkar bland annat en PE-extruderad laminerad craftliner som håller livsmedelsförpackningskvalitet. Det ytskikt som används till Wellboard är ett laminat av en tryckbar, vit, utsida och en brun inre sida av crafliner. Dessa sidor är sammanfogade med ett lager av en polyetenfilm som klarar högre temperaturer än de som krävs för Wellboardtillverkningen. För att öka vidhäftningen mellan ytskiktet och EVA-bindemedlet sitter det en tunn film av Eten-butylakrylat (EBA) innerst på ytskiktet. Butylakrylat gör att vidhäftningen till andra polymerer ökar12. EBA filmen är lite tjockare [ca 30 g/m2] än den lågkristallina, lågdensitets, polyetenfilmen [12 -15 g/m2] mellan in& utsidan. 12 http://www.nolato.se/index.jsp?id=415 20 Resultat Nedan redovisas det faktiska resultat som uppnåtts i arbetet. Först i ordningen kommer teoretiska beräkningar som efterföljs av en redogörelse och resultaten av testerna. Jämförelseberäkningar De beräkningar som utförts beskriver teoretiskt grunderna för kallpressning och ger jämförelsetal mot traditionell laminering. Materialdata som utgör beräkningsunderlaget är hämtade från olika källor, materialdatabasprogrammet CED EduPack 2008, internetbaserade källor, litteratur och till viss del muntliga källor. Energiberäkning enligt traditionell lamineringsmetod Den teoretiska verkningsgraden traditionell laminering har redovisas i Tabell 8. I beräkningarna har två ytskikt används; motsvarande homogent papper och homogen träskiva. I ytskiktet från Swecoat ingår det även LD-PE och EBA polymer men dessa ingår inte i beräkningen på grund av att de bara står för ca 3- respektive 6 % av totalvikten. För fullständig beräkningsgrund se Appendix G. Designvärdet för LD-PE specifika värme anges på matbase.com till mellan 1,8- och 3,4 kJ/kg.K, även det lägre värdet är högre än de som används i beräkningsmodellen. Det innebär att i den verkliga processen är energiåtgången till att värma ytskiktet större än i beräkningsmodellen. Dessutom är beräkningarna utförda till nackdel för kallpresslaminering eftersom låga värden på specifik värmekapacitet har används för ytskikten och det högre för bindemedlet. Det gör att den relativa energiåtgången för bindemedlet räknas högre än för ytskikten. Materialegenskaperna som används är hämtade ur materialdatabasen CES EduPack 2008 och från skogsindustriernas informationssida traguiden.nu. Tabell 8. Verkningsgrad för traditionell lamineringsmetod. Benämning Värde Enhet Kommentar EEVA /EPapper+EVA 0,23 - Av den totala energiåtgången går bara 23 % åt till att upphetta bindemedlet EEVA / ETräskiva + EVA - Låg densitet - Hög densitet 0,084 0,061 - Av den totala energiåtgången går bara ca 6- respektive 9 % åt till att upphetta bindemedlet. Slutsats Trotts beräkningsmodellens favorisering av traditionell lamineringsteknik visar den att en stor del av den tillförda värmen går åt till upphettning av ytskikten. I alternativet med papper som ytskikt är den teoretiska verkningsgraden endast 23 % med hänseende av tillförd energi. Under förutsättning att det är en någorlunda korrekt approximation innebär det att vid tillverkning av Wellboard skulle energiåtgången kunna reduceras till ca en fjärdedel av dagens om kallpresslamineringsmetoden tillämpas. För laminat som består av tjockare ytskikt eller ytskikt med lägre värmeledningsförmåga innebär det ännu större energibesparingar. Värmaren Eftersom den termiska energin tillförs kontaktlöst mellan värmare och det aktiva området är det av intresse att veta den utstrålade effekten. 21 Effekt Den utstrålade effekten har beräknats enligt ekvation 4 med tre värden på emisiviteten motsvarande koppar, aluminium och en svartkropp (idealvärde) och tre temperaturer, se Tabell 9. Resultatet är redovisat i Tabell 10. Tabell 9. Utstrålad effekt Benämning Emissivitet - Cu - Värde Enhet Kommentar - Ur fundamentals of heat and mass transfer 0,3 0,75 AlOx - Svartkropp (yt-)Temperatur - A - B - C 1 150 200 250 dgC Tabell 10. Lösningsmatris, utstrålad effekt A (150 dgC) B (200 dgC) C (250 dgC) Cu AlOx Svartkropp 0,55 0,85 1,27 1,36 2,13 3,18 1,82 2,84 4,24 kJ/s.m2 Slutsats Den utstrålande energin, beroende på temperatur och emissivitet, är ca 2.5 -20 % av den mängd som krävs för att upphetta bindemedlet till 120 dgC. Värt att notera är att varje grad temperaturskillnad har stor inverkan på den utstrålade effekten, eftersom effekten är beroende av andrakvadraten av temperaturen. 22 Värme som avgår från ytan via konvektion Förutom att termisk energi avges i form av värmestrålning kommer även en del värme att avgå i form av konvektion. Konvektionen behöver inte vara enbart negativ, om den uppvärmda luften leds till områden där den är effektiv kan det då fungera som en extra värmekälla för exempelvis förvärmning av kärnmaterialet. Lättast att undvika alla eventuella förluster är att isolera värmaren från avkylande luftströmmar. De värden som används för uträkningen framgår i Tabell 11 och resultatet redovisas i Tabell 12. Tabell 11. Konvektion Benämning Luft Värde 10 -100 Enhet Kommentar W/m2K Gaser 2 -25 W/m2K Från engineeringtoolbox.com Ur Fundamentals of Heat and Mass Transfer, s. 8 (yt-)Temperatur - A - B - C Lufttemperatur 150 200 250 15 dgC dgC Tabell 12. Lösningsmatris, konvektion A B C *+ * ,- * +- * .- 0,27 0,37 0,47 1,35 1,85 2,35 2,70 3,70 4,70 6,75 9,25 11,75 kJ/s.m2 Slutsats Om omgivande luft tillåst att flöda fritt vid värmaren kan stora värmeförluster uppstå. Bäst är att i största möjliga mån undvika luftströmmar i värmarens närhet. 23 Våglängd Emissionsmaximum, λ , för den utstrålade värmen beräknas med Wiens lag och har inte större betydelse för konstruktionen annat än det är möjligt att på ett enkelt sätt förklara hur den fungerar för utomstående, se Slutsats. Tabell 13. Emissionsmaximum Temp (dgC) /012 Enhet 150 200 250 6,67 5,60 5,40 mm Slutsats Våglängden hos de utstrålade elektromagnetiska vågorna är större än vad ögat klarar av att uppfatta (ca 380 -750 nm) och värmaren uppfattas därför inte att ”glöda”. Vid indelning och klassifikation av värmaren är benämningen infravärmare något som beskriver och förklarar funktionen för gemene man. 24 Ångtrycksberäkning Ångtrycket utgör en dimensionerande faktor för traditionell laminering, men vilken inverkan har det på kallpressningstekniken? I Tabell 14 sammanfattas resultatet av ångtrycksberäkningar, A –B, genom motsvarande friktionskrafter och bromsande moment som uppstår vid traditionell laminering på en utrustning snarlik testutrustningen. För mer utförlig redogörelse se Appendix F. Tabell 14. Sammanfattning av ångtrycksberäkning Benämning Friktionskraft - AI - AII - AIII - BI - BII - BIII - CI - CII - CIII Radie vals Värde Enhet 2,16 7,2 24 1,62 5,4 18 1,26 4,2 14 20 µs=0,3 µs=1,0 kN A (I -III) B (I -III) - C (I -III) µs=0,3 µs=1,0 µs=0,3 µs=1,0 mm Dimensionerande för effekt för motor och utväxling Bromsande moment - Kommentar 43,2 -480 32,4 -360 25,2 -280 Nm Slutsats Även vid jämförelse av fall C och den rekommenderade maxlasten motsvarandes en normalkraft av 1 kN är fall C fjorton gånger större än den rekommenderade lasten. Fall C förutsätter att materialet värms till 120 dgC men avkylningen sker så snabbt att medeltemperaturen blir ca 100 dgC över den effektiva arean. Under förutsättning att bandtransporttörerna inte klarar mer än de motsvarande 1000 N i normalkraft som uppgetts innebär det att testutrustningen inte skulle vara lämpligt för traditionell laminering även under de mest gynnsamma omständigheter. Ovanstående exempel förklarar inte ångtryckets inverkan vid dimensionering av kallpresslamineringsutrustning, men påvisar att den befintliga testutrustningen inte klarar av tryck i den storleksordningen som uppstår under traditionell laminering. Från de tester som utförs, där även deformationen av kärnmaterialet adderas normalkraften, har inga problem som kan härledas ett högt ångtryck påvisats. Ångtryckets inverkan på testutrustningen anses därför vara låg. 25 Teoretisk maximal linjehastighet Modellen för att bestämma en teoretisk jämförelsehastighet är baseras på att all tillförd energi sker via värmestrålning och mängden bindemedel (0,00933 kg/m2) och specifika värmekapaciteten (2,2 kJ/kg.K) är samma som i energiberäkningen för traditionell lamineringsmetod. I Figur 11 nämns den erforderliga energimängden som Energibehov och utstrålad energimängd för vid olika emissivitet, temperatur och linjehastighet beräknat på en 5 cm bred värmare illustreras av de streckade linjerna. Vidare antas även att spaltbredden inte har någon inverkan på överförd termisk energi. För en utförligare förklaring av modellen se 26 Appendix E. Energimäng (J/cm^2) 2 Energibehov Cu @ 150 dgC 1,5 Cu @ 200 dgC Cu @ 250 dgC 1 Al @ 150 dgC Al @ 200 dgC Al @ 250 dgC 0,5 e=1 @ 150 dgC e=1 @ 200 dgC 0 0 2 4 6 8 10 e=1 @ 250 dgC Hastighet (m/min) Figur 11. Utstrålad energimängd beroende av hastigheten Slutsats Testutrustningens möjliga maximalhastighet, enligt modellen, är strax under 1 m/min för en 5 cm bred värmare med temperaturen 200 -250 dgC och emissivitet motsvarande 0,75 -1 (Aluminium Svartkroppstrålare). I det verkliga fallet kommer även värme transporteras via konduktivitet i luftspalten och även till viss mån via konvektion på grund av att den uppvärmda luften i luftspalten värmer kärnmaterialet. 27 Konstruktion/optimering av värmare En viktig del i uppgiften var att konstruera en tunn och effektiv värmare som kan placeras så nära pressgapet (se Figur 12) som möjligt. På grund av att värmefilmen som används ska klämmas fast mellan ett framstycke och isoleringen påverkar det hur tunn värmaren blir, och därmed hur nära pressgapet värmaren kunde placeras. Det löstes olika allteftersom värmaren utvecklades och testades. I följande stycken används begreppet Luftspalt för att förklara avståndet mellan värmaren och kärnan och avstånd till pressgap för att beskriva hur långt ifrån värmaren hamnar nypet i pressen, pressgapet. Pressgapet är alltså när pressen greppar kärnmaterial och ytskikt i linjeriktningen. Figur 12. Termologi vid kallpresslaminering Som utvärderingsmetod av varje värmarversion gjordes en okulär besiktning av den laminerade testbiten. I efterföljande stycken används följande definitioner: Vidhäftning: avser viss vidhäftning av ytskikt på kärnmaterial, <100% av ytan. God vidhäftning: avser vidhäftning mellan ytskikt och kärnmaterial över hela ytan. Vid belastning delaminerar ytskiktet innan laminatfogen släpper. Exempel på prover med vidhäftning och god vidhäftning syns i Figur 13. 28 Figur 13. Definitioner för utvärdering vid laminering Det iterativa arbetet med testerna av utrustningen, analyser och förbättringar påbörjades i september för att fortgå till månadsskiftet oktober/november. Under den tiden hade utrustningen, och framförallt värmaren genomgått ett antal större och mindre uppdateringar. Det största och mest förlösande tekniksteget som togs var när det konstaterades att provriggen var funktionsduglig och idégrunden för kallpresslamineringen stämde. Under de 6 -8 veckorna som testerna och teknikutvecklingen var som mest intensiv ökade utrustningens kapacitet exponentiellt. I Figur 14 illustrerar utvecklingen av värmaren i form av uppnådd testhastighet som funktion av antalet veckor. 4,5 Testhastighet (m/min) 4 3,5 3 2,5 2 God vidhäftning 1,5 Vidhäftning 1 0,5 0 0 2 4 6 8 Vecka Figur 14. Uppnådd testhastighet som funktion av antalet veckor test utförts I efterföljande stycken redovisas arbetet med utvecklingen av värmaren mer ingående. 29 Mk I & II Den första värmaren, Mk I, visade sig vara helt olämpligt för laminering. Avståndet till pressgapet var allt för stort (>2 cm) och den var dessutom svår att centrera över pressen. Mk II förbättrades genom att vända infästningen (40mm L-profil) uppochner. Genom den förändringen kom värmaren betydligt närmre pressgapet (ca 10 mm) och viss laminering var möjlig vid låga hastigheter och hög temperatur på värmaren. Figur 15 visar Mk II monterad på höger sida av pressgapet och L-profilen syns fäst i värmaren och plåten under. Figur 15. Bild av Mk II vid montage Resultat av tester [@ 230 dgC] Vidhäftning vid 5 Hz, motsvarande ca 0.5 m/min. Slutsats Mk II hade stora brister i utformningen. Värmarens upphängning på L-balken var genom fyra skruvar som i sintur pressades ut med hjälp av fjädrar. Det medförde att värmaren visserligen hängde fritt och med liten kontakt med L-balken men var samtidigt oexakt och lutade. Lutningen medförde att luftspalten mellan värmaren och kärnmaterialet var ojämn både vertikalt och i värmarens längdutsträckning. Inför nästa version behövde avståndet till pressgapet minskas ytterligare, något göras åt den ojämna luftspalten och högre noggrannhet vid tillverkningen krävdes. 30 Mk III Till den tredje värmarversionen användes en 3 mm kopparplåt som frontplåt. Den bockades även snett bort, bakåt, för att fungera som inmatningsskena för ytskiktet. L-profilsinfästningen fanns kvar från tidigare modeller men nu monterad dikt an bakstycket på värmaren. I Figur 16 ses Mk III från sidan och ovan med en ram för isolering monterad. Isoleringen tillkom för att öka verkningsgraden och säkerställa att temperaturen överstiger 200 dgC. Den övre ramen för isoleringen medförde även att en behändigare inmatning av kärnorna. Problemet med differensen i avståndet på luftspalten åtgärdades med två distanser [18 mm]. Det ger en Luftspalt som är ca 1 -1,5 mm bred per sida. Figur 16. Mk III med förklaringar Resultat av tester [@ 180 dgC] God vidhäftning vid 15 Hz, motsvarande ca 1.5 m/min Vidhäftning vid 25 Hz, motsvarande ca 2.5 m/min Slutsats Inmatningen av kärnmaterialet underlättades tackvare ramen för isoleringen, som också bidrog till en förhållandevis snabb uppvärmning av värmaren vid start. Problemet med bristande parallellitet som gav upphov till ojämn luftspalt avvärjdes helt med införandet av distanserna. Även inmatningen för ytskiktet underlättade tester, särskilt vid högre hastigheter. Varje grad (<5°) avvikelse vid inmatningen av ytskiktet motsvarar ungefär en centimeters skillnad i slutet på ytskiktet på ett 60 cm provexemplar. Trotts att Mk III förbättrats på samtliga områden i jämförelse med tidigare versioner kvarstod problemen med centreringen av värmaren ovan pressgapet. Även luftspalten och avståndet till pressgapet var för stort för att kunna öka testhastigheten med bibehållen god vidhäftning. Kvalitetsmässigt höll den nya versionen betydligt bättre standard än tidigare eftersom alla detaljer bearbetats i metallfräs. Centreringen av värmaren över pressgapet och avståndet till detta var viktiga områden som måste förbättras med nästkommande version. 31 Mk IV För att kunna åtgärda problemen med centrering av värmaren för Mk III tillämpades en ny strategi när Mk IV tillverkades. Den tidigare använda L-profilen och infästningen i testutrustningens ram avskaffades. Istället gjordes detta om och värmaren kom nu istället att fästas direkt i centrum, ca 7 cm under, pressgapet via en distans i bandtransporttörerna. Det innebär att infästningen är flyttad från bakom bakstycket till de nedre distanserna, se Figur 17, och fästs med två insexskruvar [M3X20]. De nedre distanserna, tillverkade av rostfritt stål, minskades till 17 mm breda och luftspalten minskades därigenom till endast 1 mm per sida. Underlättandet av inmatningen av kärnmaterialet som ramen för isolering hade bidragit med till Mk III utvecklades genom att tillföra en övre distans på 15 mm och en teflondistans tillsammans med denna. Teflonet (PTFE-polymer) har fördelarna dels med en hög ytspänning och även att längdutvidgningskoefficienten är högre än hos metaller. Den höga ytspänningen gör att inget lim riskerar att ansamlas och den högre längdutvidgningskoefficienten gör att teflondistansens värmeelongation är större än den metall som den är inspänd i, vilket medför att distansen kröks vid uppvärmning, se Figur 18. När teflondistansen mjuknar och kröks vid högre temperaturer gör det att kärnmaterialet lätt kan klämmas fast och underlätta testning, speciellt när en person utför testerna. Även inmatningen för ytskiktet följde med till Mk IV från tidigare version. Skillnaden gjordes till Mk IV i att inmatningen är ett eget stycke av bockad plåt (ej med i figur) som fästes bakom det förlängda bakstycket. Frontplåten förlängdes i stället mot pressgapet vilket möjliggör små avstånd till pressgapet (>0 mm). Del av Mk IV med förklaring är illustrerad i Figur 17. Figur 17. Del av Mk IV Mk IV monsteras i ett stycke med 10 stycken insexskruvar (M4X60) och sätts fast genom fyra stycken mindre insexskruvar (M3x20). Figur 18 visar Mk IV i drift, högra bilden, och under tillverkning/montage, till vänster, med ytskikt, inmatning och distanser markerade. 32 Figur 18. Mk IV från ovan (vänster) och vid montage (höger). Resultat av tester [@ 180 dgC] God vidhäftning vid 40 Hz, motsvarande ca 4 m/min Slutsatser Det största problemet med tester i högre hastigheter med Mk IV är inmatningen av ytskikt och kärna. Framförallt ställer ytskiktet till med problem genom att ytskiktet tenderar att röra sig när kärnan matas in och det resulterar i att det inte längre är ortogonalt mot kärnan. Vid större vinkeländringar kan då ytskiktet fastna vid inmatningen vilket resulterar i att hela testlinan stannar. För fortsatta tester föreslås att ytskikten rullas på en vals och/eller leds genom en skena och på så sätt säkerställs vinkelrät inmatning. Mk IV har relativt stora värmeförluster vilket gör att maxtemperaturen ligger strax över 200 dgC (uppmätt). Ett förslag är att isolera värmaren genom att innesluta den i en isolerad, tät låda eller liknande, det bör minska luftströmmarna och korta ner uppstartningstiden. 33 Jämförelse med traditionell lamineringsmetod För jämförelse av kallpressningsmetoden med kontroll metoden på Wellboard Scandinavia har testutrustningen skalats upp på bredden till 2000 mm (faktor 10) och en lika stor effektökning på värmaren. Jämförelsen återfinns i Tabell 15 där högsta hastighet vid test och god vidhäftning uppnåtts används vid jämförelse av linjehastigheten. Tabell 15. Jämförelseberäkning. Benämning Bredd Effekt, värmare Linjehastighet Testutrustning Traditionell metod Differens Enhet 2000 2000 4 2000 20 000 1,2 1/1 1/10 x3,33 mm W m/min Värt att notera är att effektminskningen är hela 90 %, vilket är mer än den teoretiska besparingen på ca 75 % enligt tidigare beräkningar. Det ger en indikation om att den process som används idag har mycket låg verkningsgrad. Det kan bero på att den lamineringsutrustning som används för tillverkning av Wellboard är från början avsedd för tillverkning av ett plastbaserat laminat. Verkliga tester i relation till beräkningar Enligt beräkningen för maximalhastighet med hänseende av värmestrålningen skulle utrustningen bara klara ca 1 m/min under optimala förhållanden. Den verkliga uppnådda testhastigheten med 4 m/min visar att modellen har alvarliga brister. Några möjliga orsaker som modellen förbiser eller fel indata är: Mängden bindemedel o Mängden bindemedel som uppnår aktiveringstemperatur • Värmarens längd i linjeriktningen • Termisk överföring via konvektion • Termisk överföring via konduktion I Figur 19 har värmestrålning och värmeledning adderats till den totala energimängden. För värmeledningen har en 1 mm spalt med värmeledning genom luft (κair = 0,024 W/m2.K) betraktas. • E @ 93,3 g/m^2 2 Energimängd (J/cm^2) E @ 67,8 g/m^2 E @ 46,7 g/m^2 1,5 Al @ 200 dgC Al @ 250 dgC 1 e=1 @ 200 dgC e=1 @ 250 dgC 0,5 e=1 @ 250 dgC + 25% e=1 @ 250 dgC + 50% 0 e=1 @ 250 dgC + 75% 0 2 4 6 8 10 Hastighet (m/min) Figur 19. Energimäng per ytenhet beroende på värmestrålning och konduktivitet 34 e=1 @ 250 dgC + 100% För att illustrera mängden bindemedel som ska aktiveras inverkan på modellen har två till energinivåer lagts till Figur 19 jämfört med Figur 11. Dessa två nivåer motsvarar en temperaturökning med 110 dgC i hela massan bindemedel för den lägsta uppmätta mängden enligt Tabell 7 (67,8 g/m2) och motsvarande halva medelvärdet (93,3/2 g/m2). Värmarens utbredning i linjeriktningens inverkan på möjlig hastighet enligt modellen illustreras av att göra procentuella tillskott av överförd energi vid samma temperatur. Det motsvarar en lika stor procentuell ökning av värmaren och resulterar i att kurvan förskjuts uppåt och höger i Figur 19. Notera att den nya modellen inte på ett satisfierat sätt kan förklara de praktiska försökens uppmätta resultat. Under förutsättningen att modellen någorlunda korrekt beskriver utseendet för energitransporten ger den en uppfattning om hur värmaren med hänseende på temperatur, spaltbredd och area kan optimeras för höga lamineringshastigheter. 35 Diskussion Metoden att tillverka sandwichlaminat enligt kallpressning anses på goda grunder vara verifierad. Skiljelinjen mellan Drivhus VI och examensarbetet är inte lika skarp som det först kan tyckas vid studerandet av Figur 5. I examensarbetets inledning var testutrustningen inte helt iordningställd och i förhållande till hur mycket tid det krävdes att få en funktionell utrustning är styckena som beskriver LabVIEW och elektroniken i allmänhet klent tilltagna. Bara arbetet med att dimensionera och sedan löda ihop styrkortet tog närmre en vecka i anspråk, eller att få LabVIEW och tillhörande USB-enhet kommunicera var också väsentligt besvärligare än det som nämnts i rapporten. Examensarbetets uppgift var inte heller att konstruera elektronik eller programmera utan just det som beskrivits; verifikation av kallpressningstekniken. För att kunna uppfylla målet fanns det inget annat sätt att kompensera för dessa tillkortakommanden än att investera mer tid i projektet. Examensarbetet har inte bara krävt mer än vad som är redovisat, det har även bidragit till mer än vad som möjligt får plats inom examensrapportens ramar. Organisatoriskt har medparten av arbetet varit distansarbete med utrustning och tester i Luleå och GeLund belägna i Sundsvall. Den formen av arbete ställer stora krav på kommunikationen, i det här fallet, mellan Luleå och Sundsvall. Kommunikationen har varit sporadisk på så sätt att det inte förekommit någon periodvis rapportering om den gångna arbete, ej heller angående det stundande arbete. Istället har det skett vid behov via telefon eller mail. Den typen av arbetssätt ställer krav på att den som utför arbetet har tillräckligt med förtroendekapital hos beställaren, att denne litar på att arbetet utförs och att den som utför arbetet är tillräckligt insatt och har förmågan att föra arbete framåt på egen hand. Huruvida så är/har varit fallet kan undertecknad inte själv avgöra utan båda parters åsikter måste framföras. Angående utfört arbete En av svårigheterna för de teoretiska beräkningarna har varit att hitta adekvata och användbara uppgifter, materialdata etc. Det har kompenserats genom att utföra fler beräkningar med något varierande värden. Det är en angreppsvinkel som i det här fallet visat sig fungera väl då det även på ett överskådligt och lättförstått sätt påvisar olika faktorers inverkan på helheten, e. g. emissivitetstalets inverkan för utstrålad effekt från en yta. Merparten av det arbete som fört kallpresstekniken och examensarbetet framåt är vad som kallas trialand-error. Tester har utförts och utifrån resultaten av dessa har utrustningen modifierats för att effektiviseras. Den typen av iterativt arbete är i linje med den produktutvecklingsmetodik som undervisas på Ltu och har i detta fall varit mycket lärorikt. En potentiell fälla (att gå i) och erfarenhet som är adapterbar på all form av utvecklingsarbete är att förmå bryta tankemönster och hitta andra lösningar när väl projektet har hamnat på irrvägar. Detta är energikrävande och mycket påfrestande arbete särskilt när mycket tid och krafts har investerats i något som visar sig inte riktigt fungera. Den relativt grundliga omkonstruktionen mellan Mk III och Mk IV innebar i praktiken att mycket av den tiden som tillbringats i verkstaden ditintills inte skulle synas i slutändan och att dessutom betydligt mer dyrbar tid måste avsättas för tillverkningen av Mk IV. Det enklaste alternativet hade varit att fortsätta på samma spår/koncept som Mk III med förbättringar, frågan kvarstår dock om resultatet hade blivit det samma? Enligt egen åsikt gjordes det rätta valet med hänseende på resultatet. Det skedde på bekostnad av tid för andra förbättringar, se nedan under förslag för fortsatt arbete. Det finns en inneboende risk, eller svaghet, i resonemanget kring de verkliga testerna i relation till beräkningarna. Faran ligger i att utifrån resultaten konstruera en modell för att överensstämma med verkligheten utan att ifrågasätta vad som är fel med modellen. Det viktiga med Figur 19 är inte det exakta värdet utan det som nämns; det ger en uppfattning om hur värmaren och värmeöverföringen kan optimeras. 36 Fortsatt arbete I kallpressningslaminatmetodens fortsatta utveckling mot kommersiell tillämpning är nästa steg först i att besluta huruvida det finns något stöd för metoden och om fortsatt utveckling är av intresse. Efter beslut om fortsatt utveckling behöver processen raffineras och marknadsområden och målområden identifieras. Förbättring av testutrustningen Med mindre förändringar kan den befintliga utrustningen modifiera för att förbättra testerna. De resultat som är av intresse som ännu inte uppnåtts är höghastighetslaminering (<20 m/min), resultaten av dessa och laminering med andra ytskikt. Nedan kommer förslag på förbättringar. Temperaturstyrning Från början var det tänkt att temperaturen på värmaren skulle PID-styras med en temperatursensor kopplad till datorn. En PT100-sensor var inköpt för ändamålet men idogt arbete till trotts fungerade det aldrig. Signalen från temperaturgivaren stördes kraftigt av frekvensomvandlaren och var även inte kopplat på mest fördelaktigt sätt. För att få temperaturstyrningen att fungera föreslås att en konstantspänningsgenerator, Figur 20, konstrueras. Konstantspänningsgeneratorn består av en LM 317T, variabel spänningsregulator, och ett motstånd beroende på den ström som erfordras. Här skulle R1 vara 833Ω eftersom PT100-sensorn är märkt med 1,0 -3,0 mA enligt ekvation 7 (Io = 1,5mA). 4,56 34 (7) 78 Figur 20. Kopplingsschema för konstantspänningsgenerator Om inte det fungerar med konstantspänningsgeneratorn kan en s.k. Kelvinbrygga, Figur 21, användas. Kelvinbryggan är en fyrtrådig metod som ger hög noggrannhet vid sensormätningar och utvecklades ur den s.k. Wheatstonebryggan av William Thomson, Lord Kelvin. Exakt hur det fungerar får tas upp för granskning vid behov. 37 Figur 21. Kelvinbrygga. 38 Högre testhastighet För att testa utrustningen i högre hastigheter än de ca 5 m/min som gjorts hittills behöver utrustningen modifieras. Frekvensomvandlaren kan ställas om så att maximala testhastigheten motsvara ungefär 20 m/min. Enligt specifikationen från AluFlex Systems AB krävs det då extra kylning, eftersom det finns både +10- och +12 VDC utgångar på omvandlaren är detta möjligt med en standard 80x80 12VDC fläkt som finns som på bl.a. Kjell & Company, Elfa m.fl. Inmatningen av ytskikt kan däremot vara besvärligare att åtgärda. De förslag som presenterades i slutsatsen för testerna av Mk IV kräver modifiering av befintlig utrustning och därmed tillgång till verktyg och tillverkningsmaskinger. Problematiken med inmatningen är å andra sidan inte något unikt för testutrustningen och kunskap inom området finns tillgängligt. 39 Källhänvisning/Litteraturlista Incropera, Frank P. DeWitt David P. et al., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, New York, sjätte upplagan, 2006 Ulrich, Karl T. Eppinger, Steven D., Product Design and Development, McGraw-Hill Higher Education, New York, fjärde reviderade upplagan, 2007 Sparr, Gunnar. Sparr, Annika. Kontinuerliga system, Studentlitteratur AB, Lund, andra upplagan, 2000 Bengtsson, Lars. LabView från början: Version 7, Studentlitteratur AB, Lund, första upplagan, 2004 Johnson, Gary W. Jennings, Richard. LabVIEW Graphical Programming, McGraw-Hill Professional, New York, fjärde upplagan. 2006. Rizzoni, Giorgio. Principles and Applications of Electrical Engineering, McGraw-Hill Higher Education, London, femte upplagan, 2006 Nordling, Carl. Österman, Jonny. Physics Handbook, Studentlitteratur AB, Lund, sjunde upplagan, 2004 Muntliga källor Fredriksson, Gustav intressent i Wellboard Scandinavia AB. Sjöberg, Mikael, teknisk support på Aluflex Systems AB. Lövgren, Per-Erik, Swecoat i Timrå AB. Göran Lundgren, GeLund AB 40 Appendix A Figur 22. Kopplingsschema för styrkort 41 Appendix A.1 Tabell 16. Data för beräkning och dimensionering av motstånd R1 vid transistor BC237B Benämning G5LE-1 Värde Enhet Irc 79,4 mA Ic 100 mA Hfe Ube Matspänning NI-USB 6808, V2 Matspänning UA7805 200 580 mV 5 V 5 V BC237B 7 Kommentar Relä Ström som krävs för att sluta spolen, ger lägsta värde på Ic Transistor Kollektorström, max. (dimensioneras efter Irc.) Strömförstärkning, transistor Spänningsfall, bas-emitter >,4 9! ; : 5>> 0,005 <= 34 ?( '@= 7@ 884B E-12 serien har ett 820Ω och ett 22Ω motstånd. Dessa två seriekopplas och R1 får då värdet 842Ω, vilket räcker. 42 Appendix B Diagram över värmefilmens effektdensitet. Hämtat från minco.com Figur 23. Effektkurva för värmefilm från tillverkare 0.5 mm MICA är den film som används till värmaren. 43 Appendix C Tabell 17. Produktionskapacitet Wellboard per skift och år Skivbredd 1,2 1,2 Tillv. hast. [m/min] 1,2 1,2 Tillgänglighet m2/h Tim/mån Mån/år m2/år Avrundat m2/år 0,95 0,95 82,08 82,08 162 162 11 12 146 267 159 564 145 000 160 000 Appendix D Uppskattning av utväxlingen i snäckväxel. Eftersom uppgift om utväxling i snäckväxeln till 3-fasmotorerna saknades gjordes en beräkning av detta baserad på specifikationen från Busck och den uppskattade hastigheten en viss frekvens motsvarade. Tabell 18. Data för uppskattning av utväxling i snäckväxel Benämning Motor Värde Enhet Kommentar Varvtal 1350 [rpm] Varvtal 141,37 rad/s Valsradie 2 Cm Banhastighet Vinkelhastighet vid 5 m/min i vals 5 m/min Motorspecifikation vid 50 Hz Omräknad motorspecifikation till vinkelhastighet. Baserat på Aluflex- profilmått 40x40 mm Uppskattad hastighet vid 50 Hz 4,17 rad/s Utväxling För varje varv valsen snurrar har motorn roterat 34 varv. 1:34 På Bucks svenska återförsäljares hemsida finns det i produktkatalogen alternativ på tillhörande snäckväxlar och till motormodellen MS63A passar två växellådor. SB030 och SB040 med 30respektive 40 gångers utväxling. På testutrustningen finns det tryckt 030 på växelns bakstycke vilket gör det troligt att det är en SB030 växel med 30 gångers utväxling som ingår i testutrustningen. Busck onlinekatalog finns på nätet: busck.se/Busck_2009.pdf. På sidorna 108 -140 står alla snäckväxlar redovisade. 44 Appendix E Teoretisk modell för maximal testhastighet. Modellen grundas i överförd effekt per tidsenhet, Q. För värmaren gäller att överförd effekt per tids- & ytenhet bestäms statiskt för värmestrålning och för den utökade modellen adderas värmeledning genom luft till den totala effekten. Hur många tidsenheter som värmaren är aktiv över varje ytenhet bindemedel bestäms av testhastigheten, v, jämfört mot värmarens utbredning i linjeriktningen (vertikalt i Figur 12). I Tabell 19 är testhastigheten omräknat i antal sekunder över en 6 cm bred värmare i linjeriktningen. Tabell 19. Testhastigheter omräknat i sekunder över värmaren 0,5 0,8 7,2 v [m/min] v [cm/s] t [s] 1 1,7 3,6 2 3,3 1,8 3 5 1,2 4 6,7 0,9 5 8,3 0,72 För den absorberade energimängden görs antagandet att allt tillförd energi är effektiv energi och att inga förluster sker. Den totala tillförda energin i den första, värmestrålande, modellen enligt: CDC EFG H IJ För den andra, utökade, modellen tillkommer också värmeledning genom konduktion: CDC EFG K LDM EFG H IJ K LDM H IJ Resultatet är funktionen för överförd energi (se nedan) med hänseende på linjehastigheten. Det är enligt modellen en hyperbolsk funktion, Figur 24 visar grafen för hyperbolen y=x-1 i intervallet 0 -10: L,O,P P Hyperbol 10 9 8 7 6 5 4 Hyperbol 3 y= 2 1 0 0 2 4 6 8 10 Figur 24. Hyperboliska funktionen y = x-1 I funktionen för överförd energi är konstanten k beroende av värmarens temperatur, T, och värmaren utsträckning i linjeriktningen. Värmarens utsträckning i linjeriktningen, l, påverkar tiden, t, så att O IQ, J P För l och v >0. 45 Appendix F Tabell 20. Data för ångtryckberäkning Benämning Ångtryck Effektiv area Värde Enhet Kommentar 20 N/cm2 1200 cm2 Motsvarande 120dgC. Förenklad kärna, motsvarande 12x100cm N Mots. konstant temp. över hela arean Motsv. temperaturfall (20 dgC) på 100 cm. Motsv. temperaturfall (40 dgC) på 100 cm. µs Källa: sigbi.se/Diverse/ Downloads/kap_7_8.pdf Källa: roymech.co.uk/Useful_Tables/ Tribology/co_of_frict.htm Källa: roymech.co.uk/Useful_Tables/ Tribology/co_of_frict.htm Normalkraft - A B - C 24 kN 18 14 Friktionskoefficient I. Stål/ Stål 0,09 II. Stål/ Polystyre n 0,3 -0,35 Solid/ Asfalt 1,0 -4,0 III. - Friktionskraft - AI AII AIII BI BII BIII CI CII CIII Radie vals Bromsande moment - A (I -III) B (I -III) C (I -III) 2,16 7,2 24 1,62 5,4 18 1,26 4,2 14 20 µs=0,3 µs=1,0 kN µs=0,3 µs=1,0 µs=0,3 µs=1,0 mm 43,2 -480 32,4 -360 25,2 -280 Nm 46 Dimensionerande för effekt för motor och utväxling Appendix G Tabell 21. Data för jämförelseberäkningar enligt traditionell metod Benämning Ytskikt Värde Enhet Papper Massa Specifik värme Lågt Högt Kg/m2 0,5 1,34 -1,36 1,34 1,36 Homogen träskiva Massa Låg densitet Hög densitet Specifik värme Lågt Högt Kommentar För att likna det som används vid tillverkning av Wellboard Enligt Swecoat Timrå AB CES EduPack 2008 kJ/kg.K Som jämförelse med ett tjockare ytskikt Traguiden.nu 3 mm 1,5 2,1 Kg/m2 1,5 1,7 kJ/kg.K 0,0933 kg/m2 Traguiden.nu Bindemedel EVA-polymer Specifik värme Lågt [12 Vinylacetat] Högt [33 Vinylacetat] 1,9 -2,2 % % Temperaturskillnad 1,9 110 247,5 346,5 22,6 EVA/Papper + EVA 0,23 EVA/Träskiva + EVA Låg densitet 0,084 Hög densitet Benämning kJ/kg.K 2,2 Erforderlig energimäng Papper Träskiva Låg densitet Hög densitet EVA-polymer - Enligt kontrollmätning 2008 CES EduPack 2008 dgC 73,7 Omgivning 15 dgC Värmartemp. 125 dgC Låg spec. värme 2 kJ/m Låg spec. värme Låg spec. värme Hög spec. värme Av den totala energiåtgången går bara 23 % åt till att upphetta bindemedlet Av den totala energiåtgången går bara ca 6- respektive 9 % åt till att upphetta bindemedlet. 0,061 Värde Enhet 47 Kommentar
© Copyright 2024