INOM
EXAMENSARBETE DESIGN OCH PRODUKTFRAMTAGNING,
AVANCERAD NIVÅ, 30 HP STOCKHOLM SVERIGE 2018,
Tillverkning av Elektriskt Stearinljus
Förberedelse för Industriell Produktion
LEONARD HAMNGREN
Tillverkning av Elektriskt Stearinljus
Förberedelse för Industriell Produktion
Leonard Hamngren
Examensarbete TRITA-ITM-EX 2018:708 KTH Industriell teknik och management
Maskinkonstruktion SE-100 44 STOCKHOLM
Examensarbete TRITA-ITM-EX 2018:708
Tillverkning av Elektriskt Stearinljus Förberedelse för Industriell Produktion
Leonard Hamngren
Godkänt
2018-09-17
Examinator
Claes Tisell
Handledare
Mats Bejhem
Uppdragsgivare
Gnosjö Konstsmide AB
Kontaktperson
Magnus Carlson
Sammanfattning
Det här examensarbetet är en fortsättning på ett tidigare kandidatexamensarbete vars syfte var att bestämma form och funktion för ett elektriskt stearinljus som skulle se så verklighetstroget ut som möjligt. En prototyp av ljuset byggdes för att testa den nya tekniska lösningen.
Syftet med föreliggande examensarbetet var att undersöka hur ljuset skulle kunna tillverkas industriellt. Vad som var optimal tillverkningsteknik och bästa material för varje komponent undersöktes. Svårigheten var att fatta välgrundade beslut för hur vissa komponenter skulle tillverkas, varför det krävdes fysiska experiment för detta. Ett exempel på en sådan komponent var ljusets låga vars uppgift är att sprida ljus, jämt i alla riktningar. Lågan behöver därför ha en skrovlig yta som kan sprida ljus. För att kunna tillverka lågan krävdes en teknik som gör det möjligt att producera dess komplicerade form tidseffektivt. Först bestämdes därför att lågan skulle formsprutas då det är är en teknik som möjliggör gjutning av avancerade former som går på kort tid. Det bestämdes även att lågan skulle göras i akrylplast då det är en plast med hög transparens. För att bestämma hur den skrovliga ytan skulle åstadkommas utfördes sedan ett experiment där olika gjutformar tillverkades. Dessa gjutformar ytbearbetades på olika sätt med bl.a. blästring, gnistbehandling, etsning och gravering. Genomskinlig plast användes för att formspruta i gjutformarna. Det resulterade i formsprutade plastbrickor med olika ytstrukturer.
Dessa ytor belystes och dess ljusspridande förmåga mättes med två olika mättekniker. Det visade sig att den etsade ytan spred ljus bäst. Jämfört med ytan som fanns på prototypens låga så visade mätningar att den etsade ytan var något bättre på att sprida ljus. Även andra experiment gjordes för val av en fjäderkomponent och val av limmetod.Ytjämnhetsmätning av den etsade ytan visade att ytjämnheten var Ra 18 µm och på grund av skrovligheten i ytan kunde lågan inte gjutas i ett stycke utan fick delas upp i två halvor. En CAD-modell av ett formverktyg som gjuter en halv låga konstruerades med tillräckliga släppvinklar.
Tack vare den etsade ytans goda ljusspridande förmåga behövde ljusets ljuskälla inte lysa starkare än 30 lumen vilket innebär att LED-lampans effekt inte behöver vara större än 0,5 W.
De två AA batterier som strömförsörjer ljuset skulle då räcka i minst 15 timmar.
Nyckelord: Elektriskt stearinljus, tillverkning, formsprutning, ytjämnhet, ljusstyrka
Master´s Degree Project Thesis TRITA-ITM-EX 2018:708
Manufacturing of Electric Candle Preparing Industrial Production
Leonard Hamngren
Approved
2018-09-17
Examiner
Claes Tisell
Supervisor
Mats Bejhem
Commissioner
Gnosjö Konstsmide AB
Contact person
Magnus Carlson
Abstract
This master thesis is a continuation of an earlier bachelor projectwhere the purpos was to develop form and function for an electric candle that would look as realistic as possible. A prototype of the light was made to test the technical solution.
The purpose of this master thesis was to find out how this candle should be manufactured in industry. Optimal manufacturing process and material were assigned to all the components. For some components it was harder to make well grounded decitions about the manufacturing process which is why physical experiments were needed. One of such components is the flame who’s function is to spread light even in all directions. Therefor the flame needs a rough surface that can scatter light. In order to manufacture the flame it required a manufacturing process that could make the complex form on short time. Acrylic plastic was choosen as the material for the flame due to its high light transmittance. To determine how the surface on the flame would be created an experiment was conducted were a couple of mold forms were made. The surface of the forms was processed with blasting, electrical discharge machining, etching and scraping.
Transparent plastic was injection molded in these forms. That resulted in pieces of plastic with different surfaces. These pieces were lit and the light scattering properties were measured in two different ways. It showed that the etched surface scattered most light. Other experiments concerning spring testing and glue testing were made. The surface roughness were measured.
The etched surface had a surface roughness of Ra 18 µm and because of the high roughness the flame could not be molded in one piece but was split in two. A CAD-model of a mould that makes a half flame was constructed with required draft angles.
Thanks to the good light scattering of the etched surface, the lightsource did not need to be stronger than 30 lumen which meen the power of LED-light only had to be around 0,5 W. That meant that two AA batteries could power the light for 15 hours.
Key words: Electric candle, manufacturing, injection moulding, surface roughness, brightness
Förord
Det här arbetet startade i början av 2018 med ett inspirerande möte nere hos företaget Konstsmide AB i Småland. Jag vill tacka Konstsmide för visat intresse och hjälp under arbetet och särskilt produktutvecklare Magnus Carlson, som varit min handledare från Konstsmide.
Jag vill också tacka universitetsadjunkt Mats Bejhem, som varit min handledare från KTH, för att ha delat med sig av sin kunskap och hjälpt till med maskinerna i verkstaden.
Jag vill även tacka tekniker Jan Stamer på KTH, säljare Joakim Henningson hos Erteco och professor emeritus Lars Mattson, KTH, för hjälp under arbetets gång.
____________________
Leonard Hamngren
Stockholm, september 2018
Innehållsförteckning
1 INLEDNING ... 1
1.1 BAKGRUND ... 1
1.2 SYFTE ... 2
1.3 AVGRÄNSNINGAR ... 3
1.4 METOD ... 3
2 TEORETISK REFERENSRAM ... 5
2.1 DIFFUSION ... 5
2.2 MIKROSTRUKTUR ... 5
2.3 DIFFUSION FRÅN GJUTNA YTOR ... 5
2.4 MÄTNING AV LJUSSPRIDNINGS ... 5
2.5 ETSNING ... 6
2.6 YTJÄMNHETSMÄTNING ... 7
2.7 AKRYLPLASTFOG ... 7
2.8 FORMSPRUTNING ... 8
2.9 BATTERITID ... 9
3 TILLVERKNINGSMETODER OCH MATERIALVAL. ... 11
3.1 LÅGAN ... 11
3.2 VEKEN ... 13
3.3 MONTERINGSPINNEN ... 15
3.4 FJÄDERN ... 15
3.5 PLASTBRICKA ... 16
3.6 HÖLJE ... 16
3.7 LED-LAMPA ... 18
3.8 KONISK FJÄDER ... 19
3.9 LEDANDE PLATTA ... 19
3.10 LEDNING ... 19
3.11 BATTERISKYDD ... 19
3.12 BOTTENDELEN ... 20
3.13 SILIKONHÖLJE ... 20
3.14 REFLEKTOR ... 20
4 EXPERIMENT ... 21
4.1 YTSTRUKTURENS PÅVERKAN PÅ LJUSSPRIDNING ... 21
4.2 YJÄMNHETSMÄTNING ... 31
4.3 FJÄDERNS DIMENSIONERING ... 32
5 KONSTRUKTION ... 33
5.1 KONSTRUKTIONSÄNDRINGAR ... 33
5.2 KONSTRUKTION AV FORMVERKTYG ... 34
5.3 LIMSKARV ... 41
6 MONTERING ... 43
7 DISKUSSION ... 45
7.2 FORMVERKTYGET ... 46
7.3 FRAMTIDA ARBETE ... 46
8 SLUTSATS ... 47
9 REFERENSER ... 49
Bilagor
BILAGA 1. LJUSSPRIDNINGS MÄTDATA
BILAGA 2. YTJÄMNHETSMÄTNING
BILAGA 3. BILDER PÅ PROTOTYPEN, LJUS BAKGRUND
BILAGA 4. BILDER PÅ PROTOTYPEN, MÖRK BAKGRUND
BILAGA 5. RITNINGAR AV FORMVERKTYGET
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Det här examensarbetet är en fortsättning på ett kandidatexamensarbete. Här sammanfattas det tidigare arbetet och hur det gav upphov till det här projektet samt den externa partnerns delaktighet i uppstarten av projektets inledning.
1.1.1 Kandidatexamenarbete
Våren 2016 gjordes ett kandidatexamensarbete med titeln Det Levande Ljuset Utan Eld [1].
Arbetet hade till syfte att ta fram ett elektriskt stearinljus med ny design och ny teknisk konstruktion. Syftet formulerades enligt följande:
”Syftet med projektet är att ta fram ett elektriskt stearinljus som är mer visuellt verklighetstroget än någon av de modeller som finns på dagens globala marknad.”
Arbetet började med att studera teknik och design hos elektriska stearinljus på dagens marknad.
Men även riktiga stearinljus studerades för att få en detaljrik och korrekt bild av hur ett levande ljus ser ut. Slutsatsen var att dagens elektriska stearinljus brister i detaljrikedom, realistisk form och realistisk rörelse. Bristerna var många men de vanligaste felen hos ljus på dagens marknad är att de saknar en veke, att lågan är för kort och att ljusstyrkan är för svag.
När det var dags att skissa på lösningar var målet att kombinera en låga som lyser starkt samtidigt som den kan röra sig naturligt.
Efter många testmodeller och lösningsalternativ kunde den slutgiltiga konstruktionen fastställas. Resultatet blev en handgjord fungerande prototyp och en CAD-modell (Computer Aided Design), se Figur 1.
Prototypen gjordes genom att bearbeta bland annat akrylplast och POM plast med svarv, se bilderna i Bilaga 3 och Bilaga 4. Tillverkningen av lågan var en komplicerad process där akrylplast formades, polerades och repades i svarven. Den viktigaste detaljen för ljusets funktion är reporna på lågans insida och utsida. Då ljuskällan sitter under lågan, gömd i det vita höljet, är repornas uppgift att sprida ljuset som kommer underifrån så att de går ut till sidorna.
Den färdiga prototypen spred ljuset jämt och starkt och en viktig förutsättning för detta var att både lågans insida och utsida var repade. Prototypens låga lyste dock lite starkare snett uppifrån än rakt från sidan vilket tyder på att spridningen av ljuset inte fördelades helt jämt i alla riktningar.
I arbetet ingick även att kortfattat föreslå tillverkningsmetoder och material för några av komponenterna i ljuset.
1.1.2 Gnosjö Konstsmide AB
Gnosjö Konstsmide AB är ett svenskt företag som producerar belysningartiklar inklusive elektriska stearinljus. Konstsmide är den externa partnern för det här masterexamensarbetet.
Konstsmide grundades i Gnosjö i Småland 1942 och deras verksamhet bestod i början i att smida olika typer av trädgårdsdekorationer och blomställ. Typen av produkter som producerats av företaget har förändrats över tid. På femtiotalet började man tillverka elljusstakar och idag produceras mestadels trädgårds- och dekorationsbelysning. Produktframtagningen sker i Sverige, men större delen av produktionen sker numer i Kina.
Konstsmide fick se prototypen av ljuset och var positiva till produktens potential och såg det som realistiskt att få den i produktion. Konstsmide ansåg att det som är unikt med denna produkt är dels att ljuset är väldigt verklighetstrogen men också att dess välgjorda detaljer får det att ge intrycket av att vara av hög kvalitet. De såg det därför inte som något problem om produkten blir dyrare än de ljus som finns på marknaden idag.
Projektets syfte och omfång bestämdes tillsammans med två produktutvecklare och chef och personalchef på Konstsmide och handledare på KTH.
1.2 Syfte
Ljusets utvändiga utseende och grundläggande funktion var redan bestämd i det tidigare projektet. Ljuset har en komplicerad funktion och konstruktion och tillverkningstekniken för vissa komponenter kommer ha en avgörande betydelse för ljusets funktion och utseende. Därför var arbetets syfte att undersöka och bestämma tillverkningsmetoder och material för ljusets olika komponenter och beskriva monteringen. Målet var att hitta material och tillverkningsmetoder som i första hand ger bästa resultat och där tillverkningskostnad kom i andra hand.
Frågeställningar:
• Vilka konstruktionsändringar kommer behöva göras hos ljuset?
• Vilka ändringar i ljusets utseende kommer uppstå till följd av tillverkningen?
• Hur kommer strömåtgången förändras jämfört med prototypen?
1.3 Avgränsningar
Tillverkningsmetoderna för ljuset kunde för de flesta komponenter utföras teoretiskt, men andra mera komplicerade komponenter krävde fysiska experiment. Komplexiteten hos experimenten begränsades dels av tid men också av att de inte fick bli för kostsamma. Ett formsprutningsverktyg för en av ljusets komponenter konstruerades, men tillverkades aldrig.
Förenklade formverktyg tillverkades för att undersöka vissa aspekter av verktyget.
Formverktyg för andra komponenter konstruerades inte i detta arbete. Experiment gjordes endast för komponenter vars funktion behövde testas i verkligheten; lågan och fjädern.
1.4 Metod
Första steget var att göra en informationsinsamling av kunskap om tillverkning och material relevanta för ljustillverkning. Detta gjordes för att få en bild av vilka olika tillverkningsmetoder som kan vara aktuella, vilka egenskaper olika material har och vilka tillverkningsmetoder och material som är kompatibla med varandra. Det gjordes genom att göra en litteraturstudie och läsa böcker om tillverkningsteknik.
Därefter kunde arbetet med att bestämma tillverkningsteknik och material börja. De olika materialen och tillverkningsmetoderna vägdes mot varandra, deras styrkor och svagheter jämfördes med vad som var kraven för de olika komponenterna. Tillverkningsmetod och material fastställdes teoretiskt för de flesta komponenterna. För vissa komponenter behövdes det experiment för att kunna bestämma tillverkningsteknik och material. För komponenterna lågan och fjädern planerades fysiska experiment. Fjäderns experimenten hade i syfte att ta reda på vilken form och vilka dimensioner den behövde ha. I lågans fall skulle experimentet ta reda på hur den skulle tillverkas för att få så bra ljusspridande egenskaper som möjligt.
När experimenten var klara stod det klart att gjutningen av lågan inte skulle bli enkel. Olika förslag på hur gjutformen skulle konstrueras togs fram. En slutgiltig konstruktion av formverktyget fastställdes och en CAD-modell gjordes av detta verktyg, se kapitel 5.2.
2 Teoretisk referensram
I detta avsnitt redogörs för den teoretiska bakgrunden för projektet. Den teoretiska bakgrunden består av fysikaliska principer kring ljusets funktion och förutsättningar för olika tillverkningsmetoder.
2.1 Diffusion
Ljusets viktigaste komponent är lågan och dess ljusspridande egenskap. Lågan ska sprida ljuset som kommer underifrån ut åt sidorna till alla som tittar på ljuset. Därför ska ljuset spridas jämt i alla riktningar. En viktig detalj på ett riktigt stearinljus är att lågan lyser igenom den övre delen av det något transparenta stearinet. För att den detaljen ska komma med på produkten krävs det att ljuset inte bara sprids ut åt sidorna utan även sprids nedåt.
Att sprida ljus i alla riktningar kallas inom optiken för diffusion. Diffusion sker när ljusstrålar i en riktning träffar en ojämn yta och reflekteras tillbaka kaotiskt i olika riktningar. Diffusion kan också ske genom att låta ljus färdas genom ett halvgenomskinligt material där ljusstrålarna sprids i olika riktningar när det lämnar materialet.
2.2 Mikrostruktur
Ett halvgenomskinligt material kan få sin diffuserande egenskap på två sätt, antingen genom att materialet i sig är grumligt eller genom att ge materialet en ljusspridande yta. Problemet med ett grumligt material är att det blockerar mycket av ljuset. Att i stället ge ytan en specifik mikrostruktur gör att ytan får en massa små linser över hela ytan som sprider allt ljus utan att blockera det. En sådan diffuserande yta släpper igenom cirka 90 % ljus medan ett vanligt grumligt material släpper igenom 65 % av ljuset [2]. En diffuserande ytan kan göras med optisk litografi oftast på PC plast. På ytan etsas en mikrostruktur av toppar och dalar där en topp är cirka 1 µm hög och 1 µm bred. Topparna fungerar som ljusspridande linser. Den här processen passar att utföras på platta ark men inte för komplexa tredimensionella föremål.
2.3 Diffusion från gjutna ytor
Mendes et al 1994 har i studien Light Scattering by Injection Molded Particle Filled Polymers undersökt hur en gjuten yta påverkar dess ljusspridande egenskap [3]. I studien användes formsprutning för att gjuta ABS plast. Olika plastbitar gjöts där injektionshastigheten och gjuttemperaturen varierades för att skapa plastbitar med olika ytstrukturer. Dessa ytor belystes sedan med en laserstråle och det spridna reflekterade ljuset uppmättes. ABS-plasten var inte genomskinlig alls vilket betyder att ljuset som träffade ytan reflekterades tillbaka. Sedan mättes ytjämnheten hos de olika ytorna. När ytornas ojämnhet jämfördes med deras ljusspridande förmåga visade det att ju jämnare ytan var desto sämre var ytan på att sprida ljus.
2.4 Mätning av ljusspridnings
Ett sätt att mäta ljusspridning hos ett föremål är att använda sig av en optisk bänk konstruerad för just det syftet. Mätningen görs genom att en laserstråle träffar och går igenom testföremålet.
som sitter bakom skärmen tar en bild av hur ljuset har träffat skärmen och ljusspridningens fördelning kan på så sätt registreras. En schematisk figur av den optiska bänken kan ses i Figur 2.
Figur 2. En schematisk figur av den optiska bänken som använts för att mäta ljusspridning.
2.5 Etsning
Det beslutades i detta arbete att ljusets låga skulle formsprutas i ett formverktyg vars yta bearbetats med etsning. Här redogörs för hur olika etsningstekniker fungerar.
Etsning är en process som består av fyra steg: 1. Rengöring, 2. Maskering, 3. Etsning och 4.
Avmaskering. Först rengörs föremålet som ska etsas, vanligtvis med sprit för att få bort fett.
Sedan maskeras de ytor på föremålet som inte ska påverkas av etsningen. Masken är gjord av ett material som inte påverkas av etsningsämnet. Därefter doppas föremålet i en etsningsvätska som reagerar med metallen och tar bort material där den kommer åt. Processen avslutas med att masken tas bort [4].
Saltvattenetsning av aluminium är en metod som använder salt löst i vatten som elektrolyt.
Elektrolyt är en elektriskt ledande vätska. Det aluminiumämne som ska etsas görs till anod och vätskan kopplas till katoden. En elektrisk spänning skapas mellan anoden och katoden vilket skapar en kemisk reaktion då saltlösningen kommer i kontakt med aluminiumämnet och resulterar i att material etsas bort från aluminiumämnet.
När det kommer till etsning av rostfritt stål så fungerar även etsningstekniken med saltvatten, men det vanligaste är att man använder sig av järnklorid (FeCl3) som etsmedel [4]. Järnklorid löst i vatten bildar järnoxid (Fe2O3) och saltsyra (HCl). För att maskera det som inte ska etsas applicerar man en skyddande hinna som inte påverkas av järnkloriden. Sedan doppas stålämnet ner i järnkloridlösningen. Reaktionen mellan järnklorid och järnet i stålet sker enligt följande:
2 FeCl3 + Fe → 3 FeCl2 (1)
Hur djupt ner i materialet etsningen sker beror bland annat på hur länge biten ligger i vätskan.
Vätskan etsar sig ungefär ner 0,025 mm/min i materialet. Ett problem med etsning är att
etsningen fortsätter i sidled in under maskens kant vilket gör att ett något större område etsas än det man har maskerat. Detta fenomen kallas undercut och är något man måste ta hänsyn till när man lägger på masken. Ju djupare man etsar desto mer undercut blir det. Men alla material och etsmedel har inte lika mycket etsning i sidled. Man mäter detta genom att dela etsningens djup med hur mycket det har etsats i sidled in under maskens kant. Detta mått kallas etsfaktor och för stål etsad i järnklorid är etsfaktorn 2 vilket betyder att för varje mm som etsas neråt etsas det bort 0,5 mm i sidled [4].
För etsning av rostfritt stål med järnklorid är det flera faktorer som bidrar till dels hur djupt det etsas och dels hur ojämn den etsade ytan blir. När man löser ut järnkloriden i vatten kan man välja hur koncentrerad lösningen ska bli. Koncentrationen mäts i Baumé (Bé°) vilket är ett mått på densiteten hos vätskan. Eftersom järnkloriden är tyngre än vatten fungerar måttet som en indikator på hur koncentrerad lösningen är. Etsmedlets koncentration avgör hur snabbt etsningen går . Till skillnad från andra syror så ger järnklorid inte den snabbaste etsningen vid högst koncentration utan i ett mellanläge vid cirka 42-48 Bé°. Att etsa i högre temperatur (tex.50°C) gör att etsningen går fortare. Etsmedlets koncentration har även en påverkan på ytans ojämnhet. En hög koncentration järnklorid i etsmedlet ger en ojämn yta. En helt omaskerad yta som etsas med en syra vid 44 Bé° i 30 minuter ger en ytjämnhet på Ra 1,65 µm [5].
2.6 Ytjämnhetsmätning
Ytjämnhet är ett mått på hur slät en yta är. Det vanligaste måttet är Ra vilket är ett aritmetisk medelvärde för hur mycket ytan avviker från ytans medellinje. Det innebär att man mäter höjden på ytan för ett antal mätpunkter längst en rak linje på ytan. Sedan beräknar man hur dessa punkter i snitt avviker från medellinjen. För måttet Rz delar man in ytan i fem sektioner.
Man adderar varje sektions högsta topp och lägsta dal och tar medelvärdet för de fem sektionerna. Rz ger en uppfattning om hur stor skillnad det är mellan ytans högsta och lägsta punkter [6].
Ytjämnhetsmätning sker genom att låta en nål dras över ytan. Nålen rör sig då upp och ner och en sensor registrerar denna rörelse. Mätningens upplösning begränsas dock av hur tjock nålen är då nålen inte kan registrera dalar i ytan som är smalare än nålen själv. I Bilaga 2 finns exempel på en detaljerad redovisning av flera mätvärden för ytjämnhet, inklusive Ra och Rz.
2.7 Akrylplastfog
Sammanfogning av akrylplast kan göras på flera sätt. Ett möjligt alternativ är ultraljudssvetsning. Ultraljussvetsning bygger på att två bitar förs samman under tryck. Därefter utsätts skarven för vibrationer på cirka 15-17 kHz. Det gör att delarna som ska sammanfogas börjar vibrera mot varandra och friktionen gör att ytorna börjar smälta samman. Under tiden då det vibrerar är trycket lågt. De två delarna pressas sedan ihop under högre tryck [7].
Ett annat sätt är att svetsa samman akrylplastbitarna kemiskt. Detta görs med vad som kallas akrylcement vilket är en lättflytande vätska som löser upp akrylplasten och får de två bitarna att smälta ihop till en. Vätskan består av 60 % metylenklorid och 40 % metylmetakrylat [8].
Vätskan appliceras efter att de två bitarna förts samman och tar sig in i skarven med hjälp av kapillärkraften. Det tar tre minuter för bitarna att fästa och skarven mellan bitarna försvinner i princip helt.
2.8 Formsprutning
Då det stod klart att många komponenter, speciellt lågan, kommer att formsprutas, följer här en redogörelse vad som behöver has i åtanke vid konstruktion av ett formsprutningsverktyg.
Formsprutning är en tillverkningsprocess där smält plast sprutas in i en gjutform vid högt tryck.
Tekniken möjliggör gjutning av avancerade former på kort tid.
Det finns vissa begränsningar med formsprutning. För att den gjutna plasten ska släppa från formen måste det finnas släppvinklar i formen. Dessa motverkar att plasten fastnar eller skapar vakuum i håligheter. Den minimala vinkeln man behöver varierar beroende på vilken sorts plast man använder och hur ojämn gjutformens yta är. Nedan följer en tabell som visar hur mycket släppvinkel man minst behöver för visst mått av ytjämnhet hos gjutformen. Tabellen visar att släppvinkeln varierar beroende på vilken plast man gjuter, se Tabell 1.
Tabell 1. Ytjämnhet (Ra och Rz) och dess motsvarande släppvinklar för plasterna polyamid (PA), polyeximetylen (POM, )polykarbonat (PC), akrylplast (PMMA) och Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) vid formsprutning [9].
Ra (µm) Rz (µm) Minimum släppvinkel º
PA/POM PC/PMMA ABS
0,4 1,5 0,0 1,0 0,5
0,6 2,4 0,5 1,0 0,5
0,8 3,3 0,5 1,0 0,5
1,1 4,7 0,5 1,0 0,5
1,6 6,5 0,5 1,5 1,0
2,2 10,5 1,0 2,0 1,5
3,2 12,5 1,5 2,0 2,0
4,5 17,5 2,0 3,0 2,5
6,3 24,0 2,5 4,0 3,0
9,0 34,0 3,0 5,0 4,0
12,5 48,0 4,0 6,0 5,0
18,0 69,0 5,0 7,0 -
23 133 - 11,0 -
För formsprutning av avancerade produkter finns olika tekniska lösningar som man kan använda till sitt formsprutningsverktyg. Vanligtvis delas en gjutform i två delar, men för formsprutningsverktyg är det vanligt att formen delas in i fler delar. Det finns delar av verktyget
som kan skjutas in från sidorna när gjutformen är stängd. Det brukar kallas sliders och gör det möjligt att gjuta mera komplexa former med, tex hål från flera riktningar.
2.9 Batteritid
I avsnitt 3.7 uppskattades LED-lampans styrka och effekt. Med den informationen kunde en beräkning av hur lång tid batterierna i ljuset skulle räcka för att driva LED-lampan. Ljuset drivs av två AA batterier. Kapaciteten hos AA batterier varierar beroende på fabrikat och kemi men brukar vanligtvis ligga på 2600 mAh. Deras spänning blir tillsammans cirka 3 V.
I P
=U (2)
Strömmen som LED-lampan drar kan räknas ut med ekvation (2) där I är ström, P är effekten och U är spänning.
Drifttimmar mAh
= mA (3)
Antal timmar som batterierna kan driva LED-lampan kan räknas ut med ekvation (3) där mAh
är milliamperetimmar och mA är milliampere.
3 Tillverkningsmetoder och materialval.
Här beskrivs beslutsprocessen för val av tillverkningsprocesser och materialval för de olika komponenterna. För de komplexa komponenterna har denna redogörelse delats upp i rubrikerna kravspecifikation, materialval och tillverkningsmetod.
3.1 Lågan
I detta avsnitt beskrivs enbart processen för att komma fram till material och typ av tillverkningsteknik. För att läsa om experiment gjorda för bestämma ytan på denna komponent se avsnitt 4.1. Konstruktionen hos formverktyget för denna komponent finns beskriven i kapitel 5.2.
Figur 3. Ljusets låga är 37 mm hög, ihålig och har ett blått fält längst nederkanten. Den blir belyst underifrån med ett gult ljus.
3.1.1 Kravspecifikation
Lågan är den viktigaste delen på hela ljuset. Den har flera viktiga funktioner som alla ska kunna samexistera. Lågan ska uppfylla följande funktioner:
• Sprida ljuset som kommer underifrån, ut åt sidorna.
• Gestalta lågans form.
• Ska lätt kunna fästas på pinnen som sammankopplar lågan med resten av ljuset.
• Ska kunna röra sig då det blåser på den.
• Ska kunna synliggöra veken inuti lågan.
• Ha en ljusspridande yta på övre delen av lågan. Övergången från ljusspridande yta till blank och genomskinlig yta ska vara mjuk.
• Återge ett blått fält i nederkanten.
3.1.2 Materialval
För att lågan ska uppfylla kravspecifikationen måste lågans material uppfylla följande krav:
• Vara transparent. Ljustransmittansen ska vara så hög som möjligt.
• Vara styvt nog för att inte deformeras av sin egen vikt vid rörelse.
• Ha en låg densitet. En låg vikt hos lågan underlättar för att en svag vind kan sätta lågan i rörelse.
• Inte ändra färg eller förlora optiska egenskaper på grund av långvarig exponering av UV-ljus.
De material som sågs som möjliga alternativ var akrylplast (PMMA), polykarbonat (PC), glas och styrene-acrylonitrile resin (SAN). I Tabell 2 redovisas hur väl de undersökta materialen uppfyller kraven.
Tabell 2, Jämförelse av möjliga material till lågan.
Material Transparens (%)
E-modul (GPa)
Densitet (g/cm3)
UV stabil Pris(kr/liter)
PMMA 93 3,3 1,18 Naturligt
stabil
26
PC 88-90 2,4 1,20 Mindre stabil 25
Glas 90-92 50-90 2-8 Stabil -
SAN 87 3,6 1,08 Stabil 14
De viktigaste egenskaperna hos lågan är att den är lätt och har bra optiska egenskaper. Därför var det akrylplast som valdes som material till lågan på grund av sin överlägsenhet när det kommer till transparens. Det är vanligt att PC plast och SAN plast får en svag blå ton i sig medan akryl kan bli helt färglös. Därför är akrylplast att föredra då ljuset som lågan ska sprida ska vara cirka 2000 Kelvin, alltså mera orange i tonen. Akrylplasten är även naturligt oberörd av UV-ljus. Andra plaster bryts ner om de under en längre tid utsätts för UV-ljus, t.ex. PC. De kan bli missfärgade och förlora transparens. LED dioder innehåller en liten mängd UV-ljus men inte tillräckligt stor för att utgöra ett problem för lågan. Det kan snarare vara så att användaren placerar sitt ljus i ett fönster under en längre tid där ljuset exponeras av solljus som innehåller större mängder UV-ljus. Därför är det bra att akrylplasten inte påverkas av UV-ljus.
3.1.3 Tillverkningsmetod
För att tillverka lågan på industriell nivå krävs det att tillverkningstekniken är relativt effektiv och billig och att bearbetningsmoment och monteringsmoment för hand minimeras. I dagens industri är det vanligt, speciellt för plastkomponenter, att man använder sig av formsprutning.
Fördelen med formsprutning är att man kan gjuta många enheter per minut, gjuta komplicerade former, få fina ytor och få hög precision. Det är även vanligt att man blästrar vissa ytor på verktyget för att ge det man gjuter en skrovlig och ojämn yta. I de flesta fall görs detta för att antingen ge plasten en diffus yta av estetiska skäl eller för att en diffus yta döljer smuts bättre än en blank yta. Ett annat skäl till att göra ytan skrovlig är för att öka friktionen. Att
formsprutning kan skapa dessa skrovliga ytor är intressant i lågans fall då en skrovlig yta skulle kunna bli ljusspridande om den görs på rätt sätt. Nackdelen med formsprutning är att det krävs mycket förarbete och resurser för att tillverka formverktyget. Formverktygen kan vara dyra och ta lång tid att tillverka. Ett formverktyg, beroende på storlek och komplexitet kan kosta mellan 10 000 kr och 500 000 kr att tillverka. En annan nackdel är att det krävs släppvinklar för att få loss den gjutna plastdelen och det kan medföra vissa begränsningar på formen hos det man ska gjuta.
Ett annat sätt att tillverka lågan på skulle kunna vara att med skärverktyg bearbeta fram formen ur ett plaststycke. Det skulle innebära att ett stycke akrylplast placeras i antingen CNC (Computer Numerical Control)-svarv eller CNC-fräs. Med hjälp av jiggar skulle då plasten kunna fästas och bearbetas fram till sin form. Fördelen med en sådan metod skulle vara att man skulle kunna skapa de ljusspridande repor som finns på prototypens låga. Nackdelen är att det kan krävas mycket jobb för att få fram den blanka ytan. Det skulle krävas flera steg av polerande vilket tar tid. Och ett annat problem är att akrylplast lätt spricker vid för höga påfrestningar något som skulle uppstå vid hävstångskrafter från skärande bearbetning.
Ett tredje sätt att tillverka lågan skulle kunna vara att använda sig av en 3D-skrivare. 3D- skrivare är bra för att producera komplexa former och små komponenter i en begränsad upplaga.
Lågans form skulle gå att få till med en 3D-skrivare. Dock blir det svårare att få till övergången från ett ljusspridande material till ett transparent. Givet att lågan ska produceras i stor skala står det klart att det krävs en mera tidseffektiv metod.
Ett fjärde sätt att tillverka lågan skulle kunna vara att formspruta två delar av två olika material.
Ett helt transparent material skulle kunna användas för den nedre delen av lågan och ett mer halvgenomskinligt material för den övre delen. Problemet blir då att en succesiv övergången från genomskinlig till diffus skulle bli mycket svår att få till.
Slutligen valdes formsprutning som tillverkningsteknik då det är den teknik som kan tillverka många lågor på kort tid, tillverka lågans korrekta form med hög precision och skapa en skrovlig yta i gjutmomentet.
3.2 Veken
Veken är en liten komponent som sitter delvis inuti lågan och ska föreställa en svartsotig glödande, något böjd kronljusveke, se Figur 4.
Figur 4. Veken från prototypen. Tillverkad av nyonlina. Målad svart och röd.
Veken är en liten men viktig detalj för att ge hela ljuset ett verklighetstroget och övertygande helhetsintryck. På prototypen så fungerar veken som en optisk ledare som tar in ljus underifrån i ena änden och släpps ut i den andra änden. Då den övre änden är orange målad skapar det en illusion av att veken glöder.
3.2.1 Kravspecifikation
Veken ska ha följande funktioner:
• Ha en form som gestaltar en böjd veke.
• På veken ska fjädern kunna monteras.
• Fungera som en optisk ledare.
• Lysa orange i ena änden.
• Inte blockera för mycket av det ljus som går upp till lågan.
• Inte ta för mycket plats på bredden så att lågan inte slår i veken då den gungar fram och tillbaka.
3.2.2 Materialval
Vekens insida ska vara genomskinlig för att kunna leda ljus. Riktig fiberoptik görs vanligtvis av glas. För prototypen användes nylonlina för att tillverka veken och det fungerade tillräckligt bra som ljusledare. Det enda problemet med nylonen var att den var lite för mjuk. Det man även bör ha i åtanke är att det kan vara bra, t.ex. ur tillverknings- och återvinningsperspektiv, att använda så få olika typer av plast i en och samma produkt som möjligt. Givet att lågan, vilken är en mycket större komponent, redan är bestämd att vara i akrylplast är det naturligt att även veken görs i akrylplast.
3.2.3 Tillverkning
Med tanke på att formen på veken är relativt enkel är formsprutning det naturliga valet av tillverkningsmetod. Veken kommer sedan att målas svart och orange för hand. Veken lyses upp starkt underifrån. Så för att veken ska se svart ut får färgen inte vara för matt. Test har utförts med blank och matt svart akrylfärg. Resultatet visade att den blanka färgen framstod som svartare.
3.3 Monteringspinnen
Mellan lågan och fjädern sitter en pinne som har till uppgift att koppla samman lågan och fjädern, se Figur 5.
Figur 5. På bilden visas pinnen monterad på fjädern. Lågan saknas på denna bild.
Pinnen ska inte dra åt sig för mycket ljus utan låta lågan få allt ljus. Den ska även vara styv nog för att inte böjas av lågans tyngd.
Ett transparent material är bra även här då det inte suger åt sig något ljus. Akrylplast är naturligt att fortsätta med även här.
Liksom veken är det rimligt att formspruta även denna del.
3.4 Fjädern
Fjädern sitter på veken och har i uppgift att möjliggöra lågans rörelse, se Figur 6. För att bestämma fjäderns dimensioner gjordes tester av olika fjädrar, se kapitel 4.3.
Figur 6. Bild som visar hur fjädern sitter mellan veken och pinnen.
Vid tillverkningen av prototypen lindades fjädern för hand av silverpläterad koppartråd. Målet var att få till en fjäder som var mjuk nog för att lågan skulle svänga med låg frekvens under lång tid efter att den fått en vindpust. Gjordes fjädern i för tunn koppartråd orkade den inte vrida upp lågan till rak position.
Fjädern ska synas så lite som möjligt. På prototypen så gjorde silverpläteringen att fjädern blev väldigt ljus, något som syntes som ett ljust fält utifrån lågan. Det borde undvikas genom att fjädern är mörkare.
Fjädern ska:
• Vara tillräckligt mjuk för att lågan lätt ska kunna sättas i långsam svängning.
• Vara tillräckligt hår för att orka hålla lågan upprätt.
• Synas så lite som möjligt.
Det vanligaste materialet för fjädrar är stål. Då fjädern är den känsligaste komponenten på ljuset och med risk för att bli sönderdragen så är det bra med ett starkt och elastiskt material.
Fjädern är en standardkomponent som kan köpas in.
3.5 Plastbricka
Plastbrickan är den cirkulära genomskinliga 2 mm tjocka bricka som sitter på stearinets ovansida, se Figur 7.
Figur 7. Brickan sitter nere i stearinhöljets försänkning. I ett hål mitt i brickan sitter veken.
Brickan har två funktioner. Dels har brickan ett hål i mitten som är till för att montera veken i.
Brickans andra funktion är att skydda lampan, alltså LED-dioden och reflektorn, från att bli dammig.
Allt ljus som träffar lågan går först igenom denna bricka. Därför är det viktigt att brickan inte blockerar för mycket av ljuset.
Då akrylplast är den plast med bäst ljusgenomsläppande egenskap, alltså transparens, är den plasten naturlig att använda för denna bricka.
Brickans form är väldigt enkel, den är helt enkelt en platt cirkulär skiva med ett cirkulärt hål i mitten. Då brickans ovansida och undersida ska vara väldigt blanka kan det vara ett enkelt alternativ att laserskära ut dessa brickor från akrylplast-ark. Detta skulle kunna vara en metod vid en första upplaga ljus. Men vid masstillverkning är formsprutning mera kostnadseffektivt.
3.6 Hölje
Höljet är den del som ska se ut som stearinet och som ska innehålla LED-diod, reflektor och batterier, se Figur 8.
Figur 8. Höljet i genomskärning.
3.6.1 Kravspecifikation
Höljet ska uppfylla följande funktioner:
• Formen och storleken ska efterlikna ett vitt kronljus som brunnit ner något. Det betyder att ovansidan på stearinet ska vara blankare än resten för att efterlikna det smälta stearinet som uppstår på ett brinnande ljus.
• Ska ha liknande ljus transparens som stearin. Det gör att lågan lyser upp den övre delen av höljet, likt ett riktigt ljus.
• LED-diod, reflektor och två AA-batterier ska få plats inne i höljet.
• Var försedd med invändiga gängor längst ner på höljet så att bottendelen kan skruvas på.
3.6.2 Materialval
Hos prototypen är höljet gjord av plasten POM (Polyoxymethylene), även kallad Delrinplast.
Det är en plast vars egenskaper är mycket likt stearin. Plasten är en aning transparent likt stearin.
Dess ytstruktur gör att ytan framstår som aningen fet, både visuellt och vid kontakt, vilket även det är likt stearin. Björn Florman, creative project manager på Materialbiblioteket i Älvsjö svarade följande på frågan om vilka plaster som liknar stearin.
”POM plast är väldigt bra om man vill efterlikna stearin, speciellt i ytstrukturen. Jag kan inte komma på något material som är mera likt stearin.” – Björn Florman, 2018
Nackdelen med POM är det höga priset, billigare alternativ finns. Om man blandar i vitt färgpigment plasterna PP (Plypropen) eller PE (Polyeten) kan man med rätt mängd färgpigment
i ljuset också kan bidra till helhetsintrycket av realism och kvalitet. En annan fördel med POM plasten är att den kräver en mindre släppvinkel vidformsprutning jämfört med PP och PE, cirka 1º mindre.
Av dessa anledningar valdes POM som material till höljet.
3.6.3 Tillverkning
Att formspruta POM plast går bra. Beslutet togs att gjuta höljet i ett stycke eftersom man då blir utan skarvar och onödiga monteringsmoment. Men att gjuta denna cylinderform kräver att om kärnans ytjämnhet inte är större än Ra=1,6 µm så bör släppvinkel hos kärnan vara 0,5º. Den blanka ovansidan fås genom att lacka ovansidan med klarlack.
3.7 LED-lampa
En väl anpassad LED lampa är svårt att välja utan en färdigtillverkad låga att testa på. Då lågan helst ska lysa lika starkt som ett brinnande ljus krävs det att dioden lyser starkt nog. När prototypen tillverkades användes en ficklampa vars effekt var 3 watt och hade ett ljusflöde på 110 lumen. Då ljuset var för blått i tonen användes en kombination av två färgfilter för att få samma färg som ett brinnande kronljus. De två filter som användes var Lee Colour Filter 013 Straw Tint [10] och Lee Colour Filter 237 CID [11]. Det förstnämnda filtret är ett gulaktigt filter vars transmission, alltså hur mycket ljus det släpper igenom, är 72,1 %. Det andra filtret är rödare och dess transmission är 38,5. Det betyder att transmissionen för de båda filtren tillsammans är 27,8 %. Det det i sin tur betyder att den ungefärliga ljusflödet för att lysa upp prototypens låga kan uppskattas till 110x0,278=30,5 lumen.
Vilken effekt en diod behöver ha för att lysa med 30 lumen varierar beroende på hur dioden är gjord. Undersöker man marknaden för LED lampor med ett varmt ljus mellan 2000-2700 kelvin och ljusstyrkan 30 lumen är deras effekt 0,5-0,6 watt [12][13].
LED dioden ska ge ifrån sig ett orange ljus. Dioder som ska ge ifrån sig gult, orange och rött ljus brukar göras av materialet Aluminum gallium indium phosphide (AlGaInP) [14].
För att dioden ska få plats i reflektorn bör dioden inte vara bredare än 3 mm.
Sammanfattningsvis kommer dioden ha följande egenskaper:
• Ljusflöde 30 lm
• Effekt 0,5 W
• Färgtemperatur 2000 K
• Bredd 2 mm
3.8 Konisk fjäder
Den koniska fjädern är en standardkomponent som köps in [15]. En sådan fjäder finns i många produkter drivna av AA-batterier och har till uppgift att det alltid är kontakt mot det nedre batteriets minuspol. Fjäderns ytterdiameter är 8 mm.
3.9 Ledande platta
För att den koniska fjädern ska få kontakt med den elledare som sträcker sig upp till LED- lampan så sitter fjädern på en ledande platta som, då ljuset hölje skruvas ihop med ljusets underdel, får kontakt med elledningen och ljuset tänds. Plattan skall alltså kunna leda el och få platts inne i bottendelen. Därför ska bottendelen stansas ut i tunn plåt och vara 18 mm i diameter, se Figur 9.
Figur 9. Den ledande plattan som sitter under den koniska fjädern.
3.10 Ledning
Ledaren skall gå från LED-lampan ner till den ledande plattan. Den ska gå innanför höljet men utanför skyddet för batterierna. Dock kommer ledarens färg vara viktig. Då höljet kommer vara något genomskinligt och tunt, speciellt i nedre delen av höljet, finns det risk att det som finns innanför höljet syns från utsidan. Därför är det bra om ledaren är så ljus som möjligt. Därför ska ledaren vara av en ljus metall då det är ljusare än koppar.
3.11 Batteriskydd
Inuti höljet finns en rörformad del som har följande funktioner:
• Den ska se till att ledaren inte kommer i kontakt med batterierna.
• Den ser till att batterierna ligger stilla inne i höljet.
• Den ser till att höljets innehåll inte syns på utsidan.
Batteriskyddet kommer ha en cylinder form och sitta mot höljets insida. Det är på batteriskyddet som LED-lampan kommer att monteras. Då batteriskyddet inte kommer vara direkt synlig kommer den formsprutas i vit ABS-plast då det är en billigare plast jämfört med POM-plast.
3.12 Bottendelen
Bottendelen är till för att fungera som en öppning där man kan byta batterier. Likt ett riktigt kronljus skal denna del vara räfflad och få ljuset att sitta fast stabilt då den trycks ner i en ljusstake. Därför skall bottendelen ha ett hölje gjort i ett mjukare material. För att detta hölje ska sitta fast utanpå bottendelen har bottendelen kanter som fungerar lite som en hulling för att silikonet inte ska glida av när ljuset dras ur en ljusstake. Bottendelen kommer inte vara direkt synlig och kan därför formsprutas i vit ABS plast.
3.13 Silikonhölje
På ett vanligt kronljus finns det räfflor nertill. De är till för att skavas av när ljuset pressas ner i en ljusstake. På detta ljus kommer det istället sitta ett hölje av ett mjukt material kring bottendelen. Då materialet ska vara mjukt kommer höljet gjutas i vit silikon.
3.14 Reflektor
Reflektorn är den parabelformade spegel som har till uppgift att rikta ljus, som LED dioden skickar åt sidorna, uppåt. Detta är en vanligt förekommande del i ficklampor och strålkastare.
Det som skiljer denna reflektor från andra är att den är ovanligt avlång. Anledningen till detta är att ljusspridningen då minskar och mer ljus träffar lågan. Det vanligaste sättet att tillverka dessa reflektorer är att formspruta parabelformen i PC plast och att ytan sedan beläggs med aluminium. Då man formsprutar är det viktigt att ytan på den del av plasten som ska reflektera ljus har en fin ytjämnhet.
Processen för att täcka den gjutna plastdelen kallas PVD (Physical vapor deposition). PVD innebär att föremålet man vill få en beläggning på, i det här fallet en parabelform i plast, hängs upp i en vakuumkammare. I mitten av kammaren finns en eller flera kopparelektroder. Runt dessa elektroder lindas det material som ska appliceras på ytan, i det här fallet aluminium. När det är vakuum i kammaren börjar föremålet roteras runt medan elektroden blir varm. Det gör att aluminiumbiten förångas och fastnar på föremålet.
4 Experiment
För att säkerställa att industriell tillverkning av ljuset skulle vara möjlig var vissa fysiska experiment tvungna att genomföras. Det handlar i huvudsak om att ta reda på hur man på bästa sätt får fram viktiga egenskaper komponenterna behöver ha.
4.1 Ytstrukturens påverkan på ljusspridning
I slutskedet av kandidatexamensarbetet var en av slutsatserna att en avgörande aspekt för ljusets funktionalitet var lågans förmåga att sprida ljus jämt. Ju bättre lågan är på att sprida ljus, desto lägre blir kravet på LED-lampans ljusstyrka. Att ljuset drar lite ström är speciellt önskvärt och viktigt för ett batteridrivet ljus som detta.
4.1.1 Bakgrund
Efterforskningar i ämnet visade att när det kommer till ytstrukturers påverkan på ljusspridning har olika undersökningar handlat om väldigt småskaliga ytstrukturer. Problemet med detta är att när man gjuter ett material så gör plastens tröghet och ytspänning att en specifik mikrostruktur hos gjutverktyget inte översätts fullt till plastens yta. Vassa former hos verktyget blir avrundade i plasten och djupa dalar i verktygets struktur blir inte helt igenfyllda.
Inom industrin är det vanligt att man gör gjutverktyg med grova ytor. Olika tekniker används för att göra detta t.ex. är blästring, gnistbearbetning och etsning väletablerade metoder. Hur dessa olika ytbehandlingstekniker fungerar för att skapa en optimal ljusspridning är svårt att ta reda på, speciellt för ljus som ska färdas igenom ett transparent material. Därför planerades ett experiment som hade i syfte att hitta den bästa möjliga ytbehandlingsmetoden för lågans gjutverktyg.
Det stod tidigt klart att ytbehandlingen inte skulle göras på ett formverktyg som gjuter lågans riktiga form p g a kostnadsskäl. Att tillverka ett sådant verktyg skulle kostar över 50 000 kronor. I stället kunde experimentet genomföras genom att göra gjutverktyg som gjöt platta 2 mm tjocka polykarbonatskivor där gjutverktygen ytbehandlades på olika sätt.
4.1.2 Experimentets syfte
Experimentets syfte var att hitta en ytstruktur som resulterade i en plastskiva med den bästa ljusspridande egenskapen. Experimentet skulle även ta reda på om ytan på denna plastskiva var en bättre eller sämre ljusspridare än ytan på prototypen. Till sist skulle experimentet visa vilken släppvinkel som skulle krävas för den mest ljusspridande ytan då det avgjorde hur gjutverktyget skulle konstrueras.
4.1.3 Utrustning
I brist på tillgång till akrylplast genomfördes experimentet i stället med PC plast. De två plasterna liknar varandra i både brytningsindex och viskositet vilket gjorde att PC valdes som ersättare.
Ett riktigt formverktyg görs oftast i rostfritt stål, men för detta experiment var det inte möjlig att använda rostfritt stål. I stället gjordes experimentet i aluminium som var lättare att tillgå.
Experimenten utfördes i huvudsak i en verkstad på KTH där det fanns tillgång till formsprutningsmaskin, gnistbearbetningsmaskin, blästringsskåp, CNC-fräs och aluminiumblock. Graveringsverktyg och etsningsutrustning har också använts i experimentet.
4.1.4 Utförande
Först förbereddes gjutformarna i en CNC-fräs. En cirkulär försänkning med 70 mm i diameter och 2 mm djup skapades i ett antal aluminiumbitar vilka kom att användas som gjutformar, se Figur 10.
Figur 10. En gjutform utan ytbearbetning.
Den första ytbehandlingstekniken som testades var blästring. Ett mindre område i försänkningen på en gjutform blästrades med fin blästringssand som skapade en matt yta, se Figur 11.
Figur 11. Den blästrade ytan. Ytan som visas är cirka 10 mm bred.
Den andra ytan skapades genom att med en grov slipsten repa ytan. Reporna gjordes enbart i en riktning, se Figur 12. Tanken var att reporna skulle ligga horisontellt på lågan då det är i den riktning som ljuset ska spridas i.
Figur 12. Den repade ytan. Ytan som visas är cirka 10 mm bred.
Därefter användes en gnistbearbetningsmaskin för att skapa fyra cirkulära ytor av varierande grovhet. Gnistbearbetningen kallas electrical discharge machining, (EDM) och är en process där ämnet man ska bearbeta kopplas till en spänningspol. Ämnet sänks ner i en vätska som är elektriskt isolerande. En elektrod kopplad till andra polen sänks gång på gång ner i kontakt med ytan som ska bearbetas. De elektriska urladdningarna tar successivt bort material och skapar en skrovlig yta. Fyra cirkulära ytor skapades med olika strömstyrkor. Två av ytorna kan ses i Figur 13 och Figur 14.
Figur 13. Ytan som gnistbearbetades med starkast strömstyrka. Ytan som visas är cirka 10 mm bred.
Figur 14. Ytan som gnistbehandlades med näst starkast strömstyrka. Ytan som visas är cirka 10 mm bred.
Efter att ha gjort några gjuttest med dessa ytor, blev resultatet inte helt tillfredställande då ytorna blev ganska blanka och släta. Det fanns andra metoder att testa så därför gjordes fler ytor.
Nästa yta gjordes genom att med ett spetsigt skärande stålverktyg (stickel) skapa små gropar i ytan på en yta med mycket varierande topografi. Groparna gjordes genom att trycka spetsen ner i materialet och vrida om. Detta gjorde att varje hål fick en grad vilket bidrog mycket till ytans ojämnhet, se Figur 15. Senare gjordes ytterligare en sådan yta men där dessa grader skars av, men resultatet från den ytan blev inte lika bra som den förra.
Figur 15. Den graverade ytan. Ytan som visas är cirka 10 mm bred.
Den sista tekniken som testades var etsning. Den etsningsteknik som användes valdes på grund av att det var enkelt att införskaffa den utrustning man behövde. Teorin bakom metoden finns förklarad i kapitel 2.5. Etsningen gick till på följande sätt. Först täcktes allt av formen med tejp, förutom området som skulle etsas. Sedan maskerades området som skulle etsas genom att spraymåla det med svart färg, men bara med en väldigt liten mängd färg så att det bildades ett mönster av små prickar, se Figur 16.
Figur 16. En spraymålad aluminiumform med svart färg. Ytan som visas är cirka 10 mm bred.
Därefter användes en batteriladdare vars ena pol kopplades till aluminiumbiten och den andra polen kopplades till en bomullstuss indränkt i saltvatten. Bomullstussen trycktes mot ytan som skulle bearbetas, se Figur 17.
Figur 17. Etsning av en aluminium form genomfördes med en batteriladdare, bomullstuss och saltvatten.
Flera etsningsförsök gjordes. Ett problem i början verkade vara att färgen försvann för fort. Det gjorde att inga delar av ytan lämnades helt opåverkade av etsningen vilket i sin tur resulterade i en jämnare yta. Mängden svart färg varierades, tiden bomullstussen trycktes mot ytan varierades och kraften med vilken bomullstussen trycktes varierades också för att få fram olika resultat. Det bästa resultatet åstadkoms genom att täcka uppskattningsvis 60 % av ytan med färg som fick torka i ett dygn, etsa i cirka 5 minuter, trycka mjukt och ha rikligt med saltlösning.
Bomullen behövde flera gånger bytas ut då den blev full av kemiska restprodukter från reaktionen. Nedan visas ytan med bäst resultat, se Figur 18.
Figur 18. Den etsade yta som fick stor variation med mycket av ytan oberörd av etsningen och många vertikala kanter. Ytan som visas är cirka 10 mm bred.
När alla ytbehandlingar var klara gjordes noggranna formsprutningar av alla formar. Vid gjutningen värmdes formarna innan gjutning för att få bra plastutfyllnad. Det var bara det två grövre ytorna från gnistbearbetningen som var värda att ta vidare till mätningarna, alltså nästa steg i experimentet.
Därefter gjordes en sista yta på ett helt annorlunda sätt. Denna yta skulle fungera som en referenspunkt till de andra ytorna. Då ljusstyrkan från lågan i prototypen för visso mättes upp som en del av det förra arbetet så är de geometriska förhållandena i det fallet mycket annorlunda jämfört med dessa gjutna plastbrickor. Dels gör lågans form att ljuset studsar flera gånger inne i lågan innan det hittar ut. Det gör att ljusstyrkan ökar jämfört med hos plastbrickorna. Då plastbrickorna belyses med en ljuskälla från en riktning har strålarna i princip en chans på sig att ta sig in i materialet. Dessutom är prototypens låga repad på både insida och utsida medan dessa brickor bara har en ytstruktur på bara en sida. Men då metoden för hur lågans yta tillverkades är känd (repning med grovt sandpapper direkt på plasten) kunde den metoden utföras på ena sidan av en helt blank plastbricka, se Figur 19.
Figur 19. Den så kallade referensbrickan, vars yta är slipad på samma sätt som prototypens låga. Brickan är upplyst bakifrån. Ytan som visas är cirka 20 mm bred.
4.1.5 Resultat från fotomätning
Uppmätningar av de sju plastbrickornas ljusspridande förmåga uppmättes på två sätt. Dels med en fotografisk metod och dels med en optisk bänk.
Den fotografiska metoden genomfördes på följande sätt. Först belystes en bricka på den sida där den grova ytan fanns med en ficklampa med 45º infallsvinkel. Brickan fotograferades från den andra sidan där kamerans bländare och slutartid hade fixerats till konstanta värden, se Figur 20.
Figur 20. En schematisk figur av uppställning för fotografering av brickorna.
Detta gjordes för alla brickor. Resultatet blev bilderna, se Figur 19 samt Figur 21 till Figur 23.
Figur 21. Belyst plastbricka gjuten mot blästrad yta (till vänster). Belyst plastbricka gjuten mot repad yta (till höger). Ytorna som visas är cirka 20 mm breda.
Figur 22. Belyst plastbricka gjuten mot gnistbearbetad yta med svag strömstyrka (till vänster). Belyst plastbricka gjuten mot gnistbearbetad yta med stark strömstyrka (till höger).
Ytorna som visas är cirka 20 mm breda.
Figur 23. Belyst plastbricka gjuten mot graverad yta (till vänster). Belyst plastbricka gjuten mot etsad yta (till höger). Ytorna som visas är cirka 20 mm breda.
Sedan mättes ljusinnehållet i bilderna. Detta gjordes med programmet Adobe Photoshop där det som kallas luminositet mättes. Innan ljusinnehållet mättes beskars all bilder till samma storlek. Det gjordes för att ytornas verkliga storlek, vilka varierar något från bricka till bricka, inte skulle påverka resultatet, se Figur 24. Det gjorde även att ljus utanför området från belysta dammpartiklar och annat inte skulle påverka mätningen.
Figur 24. Jämförelse av de olika bildernas ljusinnehåll (luminiscens). Cirklarnas diameter är
Denna mätning visade att bilden på etsningsytan innehöll mest ljus med referensytan på en andraplats. Denna mätning gjordes med antagandet att den yta som ger den mest ljusspridande brickan också kommer ge den mest ljusspridande lågan.
4.1.6 Resultat från sensormätning
Den andra mätmetoden för att mäta ljusspridning genomfördes av Lars Mattson, professor vid KTH, med egen specialtillverkad optisk bänk. En beskrivning av denna mätmetod finns i kapitel 2.4.
I Figur 25 visas en graf med spridningsprofilen för plasten gjuten mot etsad yta. I grafen visas grey value, alltså ljusstyrkan, som funktion av avståndet längst den skärm det spridda ljuset träffar. Bredden på spetsen i mitten av grafen indikerar hur stor ljusspridningen är. Den högsta punkten på grafen visar var ljusintensiteten är som starkast. I listan nedan rangordnas brickornas ljusspridande förmåga enligt graferna där den mest ljusspridande brickan hamnar överst:
1. Slipad plastbricka
2. Bricka gjuten mot starkt gnistad yta.
3. Bricka gjuten mot etsad yta.
4. Bricka gjuten mot graverad yta.
5. Bricka gjuten mot svagt gnistad yta.
6. Bricka gjuten mot blästrad yta.
7. Bricka gjuten mot repad yta.
Figur 25. Uppmätt spridningsprofil för plasten gjuten mot etsad yta med avstånd (mm) på x- axeln och ljusstyrka på y-axeln.
Figur 26 visar en bild på hur lasern har spridit sig efter att den har gått igenom tre av de tre mest ljusspridande testföremålen. Bilderna är fotografier tagna med en kamera i mätinstrumentet
Figur 26. Spridningsmönstret från mätning av tre olika plastbrickor, slipad plast (till vänster), gjuten mot etsad yta (i mitten) och stark gnistning (till höger).
Grafer och motsvarande spridningsmönster finns för alla plastbrickor i Bilaga 1.
Denna mätning visar att referensytan har störst spridning följt av den grövre gnistytan och den etsade ytan som har liknande spridningsmönster. Anledningen till att spridningsmönstret för brickan med slipad plast är oval beror på att reporna som alla ligger i samma riktning sprider ljuset bättre i en riktning, vilket alltså resulterar i en oval form.
Ett problem med denna mätmetod är att den smala laserstrålen endast träffar ett litet område på brickorna. I och med att ytjämnheten hos brickorna är så grov innebär det att det kan variera stort i spridningsegenskaper beroende på var på ytan laserstrålen träffar. Det gör att ytan som helhet inte mäts.
4.1.7 Slutsats från experimentet
Resultaten från de två mätmetoderna, fotomätningarna och sensormätningarna, korrelerar starkt med varandra. Då den fotografiska mätmetoden är en mer tillförlitlig mätmetod och är mer relevant i sammanhanget värderades det resultatet högre. Den mäter ljusspridningen i sin helhet, vilket är det en person som tittar på lågan också kommer att bedöma. Med experimentet som stöd valdes den ytbehandling som resulterade i mest ljusspridning, alltså etsning, för att bearbeta lågans formverktyg.
4.2 Yjämnhetsmätning
Då de olika ytorna ska fungera i ett formverktyg är det viktigt att man känner till ytjämnheten hos ytorna då det bland annat är ytjämnheten som avgör hur stora släppvinklarna måste vara.
Ytjämnheten uppmättes för de sex ytorna i aluminiumformarna med ytjämnhetsmätaren Mitutoyo Portable Surface Roughness Tester, se Tabell 3. Måtten Ra och Rz är definierade i kapitel 2.6.
Tabell 3. Ytjämnhetsvärde för formarnas ytorna.
Yta Ra (µm) Rz (µm)
Blästring 2,9 21,22
Repning 4,7 30,66
Gnist fin 8,73 40,10
Gnist grov 14,05 69,40
Gravering 23,35 133,4
Resultaten talar för att för den etsade ytan skulle släppvinklarna behöva minst cirka 10º, se Tabell 1.
Kompletterande mätningar gjordes av ytorna med mätaren Mitutoyo SJ-210. Resultaten överensstämde väl med resultaten från mätningar med Mitutoyo Portable Surface Roughness Tester. Detaljerade mätresultat finns i Bilaga 2. Där ser man en tydlig skillnad i hur ytprofilen för etsningen skiljer sig från de andra ytorna. Den etsade ytan har tydligare partier som vissa är helt vertikala och andra nästan helt lodräta. De andra ytornas profiler har ett mera slumpmässigt sicksackmönster. Om dessa ytor skulle användas i ett formverktyg kan det visa sig att ytprofilen gör att den etsade ytan behöver större släppvinklar än de andra ytorna även om dom har samma Ra värde.
4.3 Fjäderns dimensionering
För att bestämma fjäderns dimensioner gjordes experiment med stålfjädrar i olika dimensioner.
Experimentet skedde utan tillgång till lågan. Då fjädern ska orka hålla uppe lågans vikt beräknades först lågans vikt och masscentrum med hjälp av CAD-modellen. Lågan vägde 1,18 g och lågans masscentrum befann sig 8 mm ovanför fjädern. Veke, fjäder och pinne tillverkades på samma sätt som när prototypen gjordes. Lågan ersattes av en vikt motsvarande lågans och sattes på samma höjd som masscentrum, se Figur 27.
Figur 27. Ovanpå fjädern sitter en vikt motsvarande långns vikt. Till vänster är det en kopparfjädern identisk med den på prototypen. Till höger är det en stålfjäder.
Först mättes svängningsfrekvensen hos den hemmagjorda kopparfjädern. Frekvensen var 2,2 svängningar/sek. Stålfjädrar köptes in från tillverkaren Lesjöfors. Många av stålfjädrarna var för styva, men de med en större ytterdiameter gav bättre resultat. En fjäder med ytterdiameter 2,2 mm, tråd diameter 0,2 mm och höjd 6 mm gav svängningen 2,3 svängningar/sek.
Experimentet visade att en perfekt avvägd fjäder kan fås genom att ändra ytterdiametern.
5 Konstruktion
I det här avsnittet beskrivs olika moment rörande konstruktionen av ljuset. Av och på funktionen ändrades och den nya lösningen beskrivs här. Processen för att konstruera formverktyget till lågan samt test av fogning av akrylplast beskrivs.
5.1 Konstruktionsändringar
I det förra arbetet utvecklades en avancerad på/av funktion till ljuset. Denna funktion slopades till förmån för en enklare lösning.
Den tidigare lösningen, se Figur 28 och Figur 29, byggde på att man genom att vrida på ljusets underdel i förhållande till höljet kunde dels tända och släcka ljuset och dels öppna ljuset för batteribyte.
Figur 28. En genomskärningsvy av bottendelen som visar den gamla strömbrytarfunktionen (till vänster). Skåra på insidan av höljet som bestämmer var bottendelen stannar i av och på
läge (till höger).
Figur 29. Den gamla lösningen hade symboler som markerade lägen för öppen, av och på.
Problemet med denna lösning var att den skulle kräva mer avancerad tillverkning av komponenterna. Framför allt var man då tvungen att märka ut av, på och öppna ställena på ljusets utsida. Dessa små märken skulle bryta mot det realistiska intrycket hos resten av ljuset.
