Infusion- og vakuumteknik. AMU efteruddannelse. Kompendium. Bådkomposit. Infusion- og Vakuumteknik 41393

Transkript

1 AMU efteruddannelse Kompendium Bådkomposit Infusion- og Vakuumteknik Erhvervsskolen Nordsjælland Marts

2 Indholdsfortegnelse 1. Definitioner 3 2. Fordele og ulemper 4 3. Særlige krav til formen 4 4. Særlige krav til harpiksen 5 5. Særlige krav til armeringsmaterialer 6 6. Særlige krav til kærnematerialer 6 7. Øvrigt udstyr og forbrugsmaterialer 7 8. Procedure 9 9. Prepreg 16 2

3 1. Definitioner Vakuumteknik Ved ordet vakuum forstår vi et undertryk i forhold til det atmosfæriske tryk vi er omgivet af. Det atmosfæriske tryk er udtryk for vægten af den luft der omgiver os og det benævnes 1 Atm., hvilket svarer til 1 bar (helt nøjagtigt 1,023 bar) eller 1 kg/cm 2. Der er altså et tryk på alle elementer på jorden (ved havets overflade) på 1 kg/cm 2. Når vi udnytter vakuum ved støbning af kompositmaterialer, så er det først og fremmest til at suge luft ud af laminatet og dernæst at lade atmosfæren trykke laminatet sammen. Ved en kontrolleret sammentrykning kan vi opnå optimal vedhæftning og optimalt forhold mellem harpiks og armeringsmateriale. Vakuum kan anvendes i forbindelse med almindeligt håndoplæg, prepreg eller infusionsstøbning. Helt forenklet opnås vakuum ved at dække laminatet med en lufttæt film som klæbes til formen, og dernæst suge luften under filmen væk. Håndoplæg Ved håndoplæg i åben form lægges fiber og harpiks som ved almindelig håndoplæg. Inden harpiksen stivner etableres vakuum, som presser laminatet sammen og fjerner overskydende harpiks. Eventuelt overskydende harpiks suges væk eller opsamles ved hjælp af en særlig bleeder-dug under vakuum-dugen. Metoden er ganske enkel og de materialer, som skal anvendes er beskrevet i de følgende afsnit. Prepreg Denne betegnelse står for forud imprægneret armering. Anvendes i forbindelse med epoxy og vinylester, som er tilført armeringen ved produktionen. Harpiksen er af en konsistens som, når den holdes kølig ikke flyder, således at vævene kan håndteres og lægges på plads i formen uden videre afsmitning. Når vævet er på plads suges vakuum samtidigt med at formen varmes op. Ved opvarmningen bliver harpiksen flydende og imprægnerer vævet samtidig med at luft suges ud. Efter et antal timer ved en specifik temperatur er emnet udhærdet og kan afformes. Infusionsstøbning Vakuumteknikken kan udvides til også at omfatte imprægneringen af armeringsmaterialet i laminatet. Her taler vi om infusionsstøbning, hvor vi lader vakuum gøre det muligt for atmosfæren at trykke harpiksen ind armeringsmaterialet. Metoden kan udvides til injektionsstøbning, hvor harpiksen tilføres under tryk. Dette kræver dobbelt form (inderform og yderform). Infusionsstøbning kan foregå i en åben form eller i en lukket form. Lukket form kræver i sagens natur en ekstra form, som efterlader plads til det ønskede laminats tykkelse. Den ekstra form er en ekstra omkostning og anvendes derfor mest til mindre emner. 3

4 Bådlaminater vil oftest blive støbt i en åben form, hvor man i stedet for den ene formhalvdel anvender en plastfilm, en såkaldt vakuum-dug. Dugen lægges over de tørre fibre og fikseres lufttæt til formen ved hjælp af en blød gummiagtig dobbeltklæbende tape. Laminatet er forsynet med nogle fødekanaler, hvor igennem harpiksen tilføres efter at der er suget vakuum. Der er mange forskellige udtryk koblet til vakuum- og infusionsteknikkerne her er et udpluk fra forskellige leverandører: RTM Resin Transfer Moulding VARTM Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding RIFT Resin Infusion under Flexible Tooling SCRIMP Seeman Composites Resin Infusion Moulding Process SPRINT SP Resin Injection Technology 2. Fordele og ulemper Fordelene ved vakuum og infusionsstøbning er: Der kan opnås høj ensartet kvalitet i form af højt armeringsindhold og optimal vedhæftning. Personalet får minimal fysisk kontakt med harpiks og hærder. Ingen afdampning fra formen giver bedre arbejdsmiljø. Minimering af arbejdstiden med laminering Kortere lamineringstid Ulemperne kan være: Krav til lufttæt form. Ekstra omkostninger til forbrugsmaterialer. Højere harpiksoptagelse i kærnematerialer. Risiko for luftindeslutninger hvis ikke processen styres korrekt. 3. Særlige krav til formen Man kunne umiddelbart tro, at når atmosfæren presser laminatsiden med 1 kg/cm 2, så vil dette pres kunne deformere formen. Men ved åbne forme presser atmosfæren jo også på bagsiden af formen, hvorfor de to tryk udligner hinanden. Der er altså ikke særlige krav til formens styrke og stabilitet i forhold til almindeligt håndoplæg. Det er nødvendigt at formen har en ekstra flange langs yderkanten på minimum 5 cm, hellere 10 cm, til fastgørelse af vakuum-dugen og til at etablere sug. Vi skal nedenfor se på en illustration af en sådan opstilling. 4

5 Figur 1 De forskellige lag til en infusionsstøbning er skåret til. Nederst formen med dobbeltklæbende tape. På formen ligger de øvrige lag: peel ply, release film, mesh og øverst vakuumdugen. Inden infusion skal gelcoat og spærrelag lægges og hærde. 4. Særlige krav til harpiksen Der er 3 særlige krav til harpiksen og de vedrører Viskositet, Geltid Exotherm Harpiks til infusionsstøbning vil have en lavere viskositet end harpiks til håndoplæg. Behovet for tixotropimiddel er mindre fordi harpiksen holdes på plads af vakuumdugen. Der behøver ikke at være tilsat styrendæmpningsadditiver til polyesterharpiks. På grund af vakuumdugen er der jo ikke nogen afdampning af styren. 5

6 For at opnå fuld imprægnering af armeringsmaterialerne er det vigtigt at harpiksens åbne tid (geltid) er afstemt med emnets størrelse og kompleksitet, så der er tid nok til at hele emnet kan blive imprægneret inden gelningstidspunktet nås. Harpiksens exotherm varmeudvikling under hærdningen skal være tilstrækkelig lav selv ved tykke emner med kærnemateriale, som jo virker isolerende. For høj varmeudvikling kan medføre for tidlig gel-tidspunkt, overophedning af laminatet med forringet kvalitet til følge, og skader på formen. 5. Særlige krav til armeringsmaterialer Det vigtigste krav til armeringsmaterialet er at det skal tillade et tilstrækkeligt flow af harpiks fra fødepunkterne til sugepunkterne ved kanten af laminatet. Almindelig hugget måtte har dårligt harpiksflow og anvendes ikke. Fine tætte væv er også problematiske hvorimod løst vævede væv, bi-axiale og multiaksiale armeringsmaterialer tillader et godt flow. Der findes også måtter med kontinuerlige fibre i alle retninger, som tillader et godt flow. Flowet kan optimeres ved at konstruere særlige kanaler i armeringsmaterialerne eller ved at forsyne laminatet med en såkaldt mesh (se punkt 8). Endelig har kærnematerialets udformning betydning for flowet. 6. Særlige krav til kærnematerialer Ved infusionsstøbning af sandwichlaminater skal laminaterne på begge sider af kærnematerialet vædes i en arbejdsgang. Det kræver, at kærnematerialet skal kunne tillade harpiksen at løbe fra den indvendige side, hvor den tilføres, til den udvendige. Dette kan ske ved at fræse eller skære kanaler igennem kærnematerialet, ved rudeskæring eller ved andre typer gennemskæring. Kærnematerialer vil optage en vis mængde harpiks, men jo mindre porøs den er og jo højere densitet det har, desto lavere mængde harpiks vil det optage. Almindelig kærnemateriale til plane flader. 6

7 Kærnemateriale til plane flader med huller til at sikre harpiksflow på begge sider af laminatet Kærnemateriale som er gennemskåret på begge sider og som kan anvendes til enkeltkrumme flader. Gennemskæringerne krydser hinanden og sikrer flow gennem kærnen. Dobbeltskåret for dobbeltkrumme flader. Riller i kærnematerialet sikrer flowet på denne version. 7

8 7. Øvrigt udstyr og forbrugsmaterialer Særlige krav: Fælles for alle de materialer som kommer i kontakt med laminatet er, at de skal kunne tåle de temperaturer, som opstår under hærdningen. Infusion Mesh: Et plast-net, som lægges under vakuumdugen for at sikre et godt flow af harpiks. Peel ply: Lægges direkte oven på laminatet og trækkes af det efter udhærdning. Peel ply efterlader en jævn vævet struktur, som er ideel for overlaminering, coating eller maling. Materialet er oftest nylon, og for at gøre peel-plyen synlig er den farvet eller forsynet med striber. Vær opmærksom på, at peel-ply optager en smule harpiks, hvilket især kan være af betydning for pre-preg laminater. Der findes særlige prepreg-peel-plies. Peel-ply skal opbevares tørt og holdes rent. Release film: anvendes til at adskille laminatet fra vakuumudstyret efter hærdningen. Består af en perforeret plast, som tillader harpiksen at sive igennem. Størrelsen af perforeringerne og afstanden mellem dem varierer, og har betydning for hvor meget harpiks som kan trænge igennem. Strækevnen varieret, men det er bedst at skære filmen til i komplekse faconer. For store overlap skal undgås, da det påvirker gennemtrængningen. Flash tape: Tape, som anvendes til at fiksere eksempelvis breather og peel ply langs kanten af glaslaminatet. Spray lim: I stedet for at fiksere laminaterne med tape kan anvendes en limspray, som er kompatibel med harpiksen. Breather/bleeder dug: Som navnet antyder har denne dug to funktioner under hærdningen. For det første skal den tillade at den luft, som er forseglet under vakuumdugen og i laminatet kan transporteres hen til udsugningsslangerne. For det andet skal den absorbere den overskydende harpiks, som føres gennem peel ply og release film. Der kan lægges flere lag af denne dug, for at sikre begge effekter. Dugen er en filtagtig polyester fiberdug og kan give sig noget, men skal udskæres efter formens facon ved komplekse kurver. Vacuum bagging film: Normalt en tynd film af nylon, som er varmebestandig, stærk og har stor brudforlængelse. Tykkelse mellem 50 og 125 My. Sealant Tape: Til at fiksere vakuumdugen anvendes en særlig gummiagtig dobbeltklæbende tape. Fittings: Armeret slange til vakuum Sugeslange perforeret Gennemføring Vakuummeter til at indikere graden af vakuum Justerbar indstilling af vakuum 8

9 Lækagetester (lyd) Fødeslange Harpiksfælde Vakuumpumpe Resin fælde 8. Procedure 8.1 Overvejelser om oplæg. Der er en del overvejelser man skal gøre sig inden man projekterer et infusionslaminat. Er man først gået i gang med infusionen er der ingen vej tilbage, og ved større emner kan en fejl blive en bekostelig affære. Hvor tæt skal fødepunkterne ligge? Hvor hurtigt mættes laminatet (cm/min).? Løber flow-fronten så den passer til emnets geometri, således at hele laminatet imprægneret på samme tid? Hvor skal der suges fra? Der findes computerprogrammer, som har til formål at simulere en infusion, men erfaringer og forsøg i mindre skala er nødvendige for at opnå den mest effektive proces. 8.2 Forberedelse af formen 1. Formen vokses som ved almindeligt håndoplæg. 2. Ved bådkomposit vil man af kvalitetshensyn påføre spærrelaget (gelcoat og første lag laminat) som ved håndoplæg. Af hensyn til kvalitetskontrol kan man vælge at anvende transparent gelcoat, hvorved eventuelle luftindeslutninger i de senere lag vil blive synlige. 8.3 Forberedelse af laminatet 3. Når spærrelag er hærdet udskæres og lægges det yderste lag armeringsmateriale i formen. 4. Ovenpå armeringen fikseres kærnemateriale med den særlige udformning for infusionsstøbning, som tillader harpiksen at løbe igennem, så både den indvendige og den udvendige armering bliver gennemvædet. 5. Den indvendige armering lægges ovenpå kærnematerialet. 6. Punkterne 3-5 udgør det egentlige infusions-laminat. Dette skal forsynes med harpiks via forsyningsslanger som nu lægges langs kølen og eventuelt på et eller flere niveauer højere op af skrogsiden. Placeringen af forsyningsslangerne er kritisk for at sikre total imprægnering, og her er erfaring vigtig. 7. For at tilstræbe en jævn overflade lægges nu en peel-ply, en såkaldt afrivnings-dug, som giver overfladen en tekstur som lærred. Samtidig er den forholdsvis let at rive af, da den ikke hæfter til harpiksen. 9

10 8. Oven på peel-plyen lægges nu en release film, som er en perforeret plastfilm, som gør det let at fjerne de efterfølgende duge. 9. Eventuelt lægges nu en mesh, som skal hjælpe flowet over laminatet. 10. Nu forsynes laminatet med sugesteder. Ligesom fødestederne er det af stor betydning at placere disse rigtigt, så man sikrer sig et laminat som bliver mættet med harpiks overalt. Sugeslangerne skal have kontakt med laminatet, enten direkte eller via breather-dug. 11. Sidste lag er selve vakuum-dugen. Denne skal være så stor, at den overalt kan forme sig 100% efter emnet, da der ellers vil optræde luftindeslutninger eller harpiksansamlinger. Der findes elastiske vakuum-duge, som kan strække sig en smule under vakuum. 12. Nu er det tid for en prøvesugning, som har til formål at afsløre eventuelle utætheder i form, vakuumdug eller tape. Kontrollen foretages dels med vakuummeter og dels ved at lytte eller anvende en lyd-søger, som registrerer lyd fra utætheder. Utætheder vil skabe luftbobler i laminater og skal undgås helt. 8.4 Støbningen 13. Når eventuelle utætheder er lukket kan selve infusionen begynde. Lad vakuumpumpen suge al luft ud af laminatet inden der åbnes for harpiksen. Har man flere fødesteder åbnes først for den nederste. Når laminatet er mættet op til næste fødelinje lukkes for den første og der åbnes for den/de næste. Når hele emnet er mættet tilpasses vakuumniveauet og der lukkes for harpikstilførselen. 14. Efter harpiksen er blevet hård kan vakuumpumpen slukkes. 15. Når emnet er hærdet tilstrækkeligt kan duge aftages og der kan foretages kvalitetskontrol. 10

11 Figur 2 Støbning af mindre emne. Gelcoat og første lag laminat (spærrelag) er allerede lagt og udhærdet, armering er klippet og klar til at blive lagt ud. Figur 3 Armering lægges omhyggeligt på plads og presses så vidt muligt i facon efter emnet. 11

12 Figur 4 Al armering er lagt med peel ply ovenpå, og øverst en mesh til at sikre flowet. Da emnet vil blive fødet med polyester fra centrum er der lagt ekstra mesh ud mod de 4 hjørner, for at sikre flowet når derud i takt med det øvrige. Figur 5 Vakuum dug er lagt på med fødeslange midt i laminatet. Fødeslangen er tætnet med tape. I kanten ligger sugeslangen med en strimmel firet som breather. Firet har den fordel, at når polyesteren når dertil, så pakker den og stopper flowet. Der er suget vakuum og klar til at åbne for polyesteren. 12

13 Figur 6 Der er åbnet for polyesteren, som flyder ud fra centrum. Figur 7 Polyesteren er på vej mod kanten af formen. Når formen er fyldt helt op reduceres vakuum til 40-50% for ikke at komprimere laminatet for hårdt og for at undgå opkogning. Efter kort tid lukkes for polyestertilførselen. 13

14 14

15 15

16 9. Prepreg Ved prepreg forstås som tidligere nævnt en forud imprægneret laminat af glas-, kul- eller aramidfibre. Dugen er fra fabrikken forsynet med harpiks i form af epoxy eller vinylester. Der er stor nøjagtighed i den maskinelle påføring og således fuldt ud styr på forholdet mellem armering og harpiks - armeringsprocenten. Høj ensartet armeringsprocent og anvendelsen af særligt stærke harpikstyper, som ville have for høj viskositet til håndoplæg betyder, at der kan opnås særlig stærke laminater. Samtidig er risikoen for luftindeslutninger minimal. Dugen holdes kold ved lagring, idet den har begrænset holdbarhed ved almindelig rumtemperatur. Denne holdbarhed varierer for de forskellige produkter og kan strække sig fra dage til flere måneder. Begrænsningen i holdbarhed skyldes, at udhærdningen begynder, når temperaturen stiger. I kraft af at dugen er forsynet med harpiks fornemmes den lettere klæbende ved håndtering. Der findes dog varianter som har harpiksen liggende som en film midt i dugen eller under dugen, som derfor føles tør på begge sider eller på den ene side. Sidstnævnte system benævnes SPRINT. Armeringen lægges på plads i formen, dækkes med peel ply og vakuumdug, hvorefter form og emne opvarmes samtidig med at der suges vakuum. Varmen får harpiksen til at flyde og imprægnere armeringen. Temperaturen styres eksakt efter producentens anbefalinger, og dette kan medføre intervaller med forskellig temperatur både under opvarmning og nedkøling. Typiske maksimumtemperaturer ligger mellem 70 og 120 o C. Når emnet er afkølet er det fuldt udhærdet. Også reparationer af laminater kan foretages med prepregteknikken. Det kræver et særligt thermostatstyret varmetæppe, som lægges over laminatet under vakuumdugen. Varmetæppet kobles til en computer, som styrer temperaturen under hærdeforløbet. Særlige Prepreg-produkter som hærder med under opvarmningen indbefatter Filler, som f.eks. kan lægges i overgange mellem kærnemateriale og laminat. Overfladematerialer, som kan lægges yderst og gøre overfladen let at slibe, så efterbehandling før maling lettes. Minimerer også fiberaftegning på overfladen. Klæbefilm, som forbedrer sekundær binding (binding på tidligere udhærdede flader eller på andre harpikstyper) eller binding mellem kærnemateriale og laminat. 16