Multimaterialprodukter og levetid i ulike miljø

Det har vært en trend internasjonalt innen bærekraftig design av lettvektskonstruksjoner at man forsøker å få til optimale løsninger ved å kombinere de beste egenskapene fra ulike materialer. Optimalt så ønskes integreringen gjort i selve produksjonsprosessen (produksjonsintegrert montasje). På den måten kan man integrere egenskaper og funksjonalitet uten et etterfølgende monteringstrinn. Denne utviklingen fant partnerbedriftene interessant. Hovedidéen med dette prosjektet (MuLUM) var å studere noen av de teknologiske utfordringene man står overfor i utvikling av nye multimaterialbaserte løsninger og komponenter, spesielt for bruk i ulike aggressive miljø, for å kunne realisere konkrete nye produktidéer som bedriftene hadde i oppstarten av prosjektet. En viktig FoU-aktivitet i MuLUM har vært knytet til utfordringer med å sammenføye ulike komponentdeler produsert i forskjellige materialer. Sammenføyingstyper som vi har fokusert på er mekaniske og metoder der de ulike materialene integreres i selve produksjonsprosessen. Vi har her studert tilfelle der metalldeler integreres i et plastprodukt i selve sprøytestøpeprosessen eller der man bruker to-komponent sprøytestøping for å integrere to plastmaterialer med svært ulike egenskaper. En hovedaktivitet i første del av prosjektet var relatert til material-, produksjonsprosess-, og design-utfordringer man står overfor når man vil erstatte miljøtetting i en kobling, dvs. en o-ring tetting hvis funksjon er å holde søle og skitt ute, med en integrert sprøytestøpt løsning i en to-komponent sprøytestøpeprosess. I vårt tilfelle ønsket vi å støpe et mykt materiale med gummi-egenskaper på en hard fiberarmert komponent i en og samme produksjonsprosess. Dette arbeidet har resultert i et nytt produkt som ble satt i serieproduksjon og introdusert på markedet i 2016. Det har så blitt jobbet med å videreutvikle denne teknologien i et annet Forskningsrådsstøttet IPN prosjekt. Som resultat av arbeidet initiert i MuLUM og tatt videre i det nye prosjektet har man utviklet flere nye koblingsprodukter som enten har blitt eller vil bli introdusert på markedet i løpet av de neste årene. Selv om en del av et produkt er i en monomaterialløsning, så monteres (sammenføyes) disse ofte med produkter i andre materialer med ulike mekaniske sammenføyingsmetoder. På grunn av forskjeller i materialegenskaper (mekaniske, termiske, kjemisk kompatibilitet etc.) kan dette føre til designutfordringer. Flere av koblingsproduktene som partnerbedriftene ISIFLO og Kongsberg Automotive lager for henholdsvis vann-/gass-distribusjon og bremsesystemet i lastebiler og andre nyttekjøretøyer, har såkalt push-in løsning. Det vil si at vannrør eller luftrør festes til koblingen kun ved at det stikkes inn uten at det skrus fast. For å gripe om rørene har koblingene en innvendig klemring som maskineres i messing eller støpes i plast, eventuelt i plast med en innstøpt metallring. Rør produseres i flere ulike plastmaterialer, og selv innen samme plastmateriale vil hardhet og overflateruhet kunne variere. Med noen rør har man problemer med at klemringen ikke griper godt nok om røret slik at det lar seg trekke ut igjen. Det er avgjørende for kvaliteten av løsningen at dette ikke skjer. I prosjektet har vi jobbet metodisk for å få fram en grundig forståelse av innflytelsen til en rekke materialparametere til de ulike materialene involvert i koblingen har på funksjonsegenskapene. I dette arbeidet kombinerer vi egenutviklede eksperimentelle forsøk med numerisk modellutvikling for å forstå hva som skjer mekanisk når en klemring "griper" om et plastrør i det man forsøker å trekke røret ut. Denne forståelsen er viktig for å kunne utvikle nye og forbedre løsninger til slike push-in koblinger. Selv om man introduserer nye løsninger på markedet så må de også kunne sammenføyes med gammel infrastruktur som er i bruk. Så selv om man har utviklet push-in løsningen, må fortsatt koblinger kunne monteres til eksisterende løsninger med gjengeforbindelser. Mekanisk er gjenger en utfordring med koblinger i plastkompositt. Flere multimaterial-løsninger har blitt studert for å forsterke gjengeområdet i koblingene og her har vi kommet fra til nye løsninger som er satt i produksjon. Prosjektet har altså allerede resultert i produkter og løsninger som er lansert i markedet. I tillegg har vi utviklet flere nye produktprototyper med nye og/eller forbedrede løsninger som bedriftene vil jobbe videre med for å kommersialisere i ferdige produkt. Alle nye produkter må gjennom en intern og ekstern godkjenning som tar noe tid. Det er forventet at flere av disse prototypene om vil bli lansert på markedet i løpet av de neste få årene.

Fokuset i prosjektet har vært knytet til utvikling av nye produkter og løsninger i partnerbedriftenes produktprogram. I tillegg til nye prototyper og produksjonsløsninger, har prosjektet bidratt til en betydelig kompetanseheving hos partnerne. Dette er spesielt knyttet til sprøytestøping (prosessforståelse og design av formverktøy), samt multimaterial produktdesign. De teknologiske problemene adressert er generelle og resultatene frembragt er av interesse for mange norske produsenter av plastprodukter. Den viktigste kompetansespredningen vil instituttpartnerne stå for, ved å ta kompetansen i bruk i framtidige prosjekter med andre norske bedrifter med produkter inn mot helt andre markeder. Slike samarbeidsprosjekter er svært viktige for at norsk bedrifter skal klare å realisere sine ambisiøse mål og drive lønnsom produksjon i Norge, nødvendig for å kunne overleve i tøff internasjonal konkurranse.

Det er en trend internasjonalt innen bærekraftig design av lettvektskonstruksjoner at man forsøker man å få til optimale løsninger ved å kombinere de beste egenskapene fra ulike materialer. Dette ønsker man å gjøre integrert i selve produksjonsprosessen (produksjonsintegrert montasje). På den måten kan man integrere egenskaper og funksjonalitet uten et etterfølgende monteringstrinn. Denne utviklingen finner partnerbedriftene interessant og vil forholde seg til. Hovedidéen med dette prosjektet er å studere de teknologiske utfordringene man står overfor i utvikling av nye multimaterialbaserte løsninger og komponenter, spesielt for bruk i ulike aggressive miljø, for å kunne realisere konkrete nye produktidéer. De fleste aktivitetene i dette prosjektet vil være relatert til integrasjon av metalldeler i et plastkomposittprodukt i en sprøytestøpeprosess, eller integrasjon av pakninger i produkter gjennom påstøp i en to-komponent sprøytestøpeprosess for å unngå ettermontering av pakninger. En annen utfordring er at selv om en del av et produkt er i en monomaterialløsning, så monteres (sammenføyes) de ofte med produkter i andre materialer. På grunn av forskjeller i materialegenskaper (mekaniske, termiske, kjemisk kompatibilitet etc) kan dette føre til designutfordringer. Prosjektet vil adressere dette. Et fellestrekk med produktene vi fokuserer på er at de i bruk stort sett står i et aggressivt miljø med varierende grad av vannkontakt. Det å være sikker på levetid, at egenskaper ikke forringes, er et viktig aspekt som vi må adressere for å kunne klare å få nye produkter og løsninger akseptert i et marked. Hovedmålet med FoU-aktivitetene er: (i) Utvikle metodikk for multimaterialbasert produktutvikling, dvs optimale valg av materialer, designløsninger og produksjonsprosesser og (ii) etablere forståelse for mekanismer for aldring/degradering av involverte materialer for aktuelle driftsmiljøer og driftsbetingelser.