Avancerede Kompositter

Transkript

1 Elevmateriale Avancerede Kompositter AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 1

2 1 Forord. H Hvad, Hvor og Hvorfor Materialer. Armerings materialer Resiner Kernematerialer Processer og Udstyr. Forme, typer og materiale VARTM/RTM Vacuum bagging.. 29 Prepreg Autoclave Vikling Pultrudering Laboratorietest og Holdbarhed Råvarer kontrol Styk styrke Træk styrke.. 48 E-modul 50 Forskydnings styrke. 51 Ud bøjnings styrke 51 Slagfasthed. 52 Temperatur bestandighed.. 53 Udvidelses koefficienter.. 54 AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 2

3 Hvad, Hvor og Hvorfor. Hvad er avancerede kompositter, hvor bruger vi dem og hvorfor bruger vi dem? At kalde kompositter for avancerede kan skyldes en lang række forskellige ting, Det kan være resinen, der er udenfor normalen, det kan være armerings materialet, det kan være formen, men det kan også være de krav vi stiller til det færdige emne, der gør at vi kalder det for avanceret. Hvor bruger vi så disse avancerede kompositter? Det nemmeste svar ville være alle steder, men det ville måske være at overdrive lidt. For at nævne nogle stykker kan vi sige: Inden for Sport (sejl, motor, vintersport mm.), luftfarts og rumindustrien, vindmøller, militæret, sygehusvæsnet, bygningskonstruktion og mange, mange flere. Hvorfor er det så at kompositter vinder mere og mere frem. Det kan skyldes en lang række faktorer, f.eks. Fremstillingstid, styrke, vægt, holdbarhed, vedligeholdelse, pris. I dette kompendie vil vi kigge lidt på forskellige materialer og fremstillings processer, som falder lidt udenfor den almindelige håndoplægs proces. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 3

4 Armeringsmaterialer: Et armeringsmateriale er det, der giver det færdige emne hovedparten af dets styrke. Vi vil kigge på fire forskellige typer. - Glasfiber. - Kulfiber. - Aramidfiber. - Naturfiber. Glasfiber. Af forskellige glastyper kan nævnes: A glas (alkali) - højt alkaliindhold - ligesom almindeligt vinduesglas. Almindeligvis erstattes det af andre typer. E glas (elektrisk) - lavere alkali indhold og stærkere. God træk og kompressionsstyrke og stivhed. Gode dielektriske egenskaber og relativ lav pris. C glas (kemisk) - Bedste modstand overfor kemisk påvirkning, hovedsageligt anvendt til overfladevæv. D glas (dielektrisk) - Bedste dielektriske egenskaber. R og S glas - Højere trækstyrke og stivhed end E glas, og med bedre styrkeforhold i et laminat med fugtindhold. S glas produceres i USA af OCF, og R glas produceres i Europa af Vetrotex, men er i øvrigt identisk. Glasset produceres i en ret lille mængde, som betyder en relativ høj pris. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 4

5 Det flydende glas fremstilles ved at blande mineralske produkter (sand, kaolin, kalksten og colemanite) og varme det op til 1600 C. Det smeltede glas passerer gennem en digel med millimetertynde huller, og trækkes derefter til en diameter fra 5 til 24 m samtidig med, at det afkøles. Fibrene, eller filamenterne som de også kaldes, overfladebehandles med en size eller appretur for, at sikre vedhæftning til matrix og beskytte dem mod slid under den videre forarbejdning. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 5

6 Kulfiber. De første kulfiber typer blev produceret i 1971 og er på grund af deres unikke egenskaber, høj trækstyrke og stivhed, blevet meget udbredt til emner hvor prisen ikke er afgørende. Disse fiber fremstilles ud fra rayonfibre, polyacrylnitril (PAN) eller kultjærebeg (BEG), og processen kan kort beskrives ved, at man under en kontrolleret iltnings proces under opvarmning brænder alle andre atomer væk bortset fra kulstof som bliver tilbage i en velordnet struktur. Denne forkulning sker ved en temperatur mellem 2600º og 3000º, og er derfor en meget energikrævende og dyr proces. Fibertykkelsen er for alle typer ca. 2-9 µm. Så snart fibrene er fremstillet, får de en overfladebehandling eller size påført, som skal sikre at de er beskyttet under den videre forarbejdning og samtidig skal forbedre vedhæftningen mellem fiber og matrix. Man inddeler kulfibrene efter deres styrkeegenskaber. (Trækstyrke i forhold til vægtfylde) SM Standard modul Under 265 GPa IM Mellemliggende modul GPa HM Høj modul GPa VHM Meget høj modul Over 440 Gpa Ud over de her nævnte fibertyper, anvendes der i specielle tilfælde termoplastiske fibre af polyester eller polyethylen. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 6

7 Aramidfiber. Kaldes ofte for kevlar, som er Dupont s handelsnavn for disse fibre. Fremstilles af en syntetisk polymer (poly-p-phenyl-enterephitalamid) Trækkes gennem et svovlsyrebad ved ca. 550 C, hvorved den gule farve opstår. Fiberne er ekstremt seje, brud sikre, brandhæmmende og vibrationsdæmpende. De kan forarbejdes op til C og er modstandsdygtig over for flammer. Det er selvslukkende, smelter ikke, kemisk modstandsdygtig over for opløsningsmidler, brændselsolier, smøremidler og saltvand. God bestandighed mod syrer og alkalier. Aramids mekaniske egenskaber nedsættes ved bestråling med ultraviolet lys, for tynde garner helt ned til 50% af den oprindelige værdi. 2 Variationer: Lav modulus ( lav stivhed/ LM fibre) Høj modulus ( Høj stivhed/ HM fibre) Har højt trækbrudstyrke, meget højt E modul. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 7

8 Naturfiber. Hamp hør halm. Vindmøllevinger af hamp!! Det lyder næsten som en ide fra slutningen af 60 erne, da man brugte planten med de karakteristiske takkede blade til helt andre formål. Men ideen er langt fra det rene flip. Et af de største problemer for moderne vindmølle vinger er deres vægt. Fibrene i hamp har en styrke, der er sammenlignelig med glasfiber, men en væsentlig lavere vægt. Hvor materialet i en glasfibervinge typisk vejer 2,0 gr/cm 2, vil materialet i en hampefibervinge kun veje 1,3 gr/cm 2. Et så dramatisk fald i vægten, vil mindske kravende og belastningen på tårn, bremser mm. Vingerne ville måske også kunne laves større, uden at tårn, bremser mm. skal laves kraftigere, altså producere mere strøm. Dermed bedre økonomi for den enkelte mølle. Endelig kommer miljøfordelen, både produktion og bortskaffelse vil være mere miljøvenlig. De to andre planter har ikke stor anvendelse i branchen i dag, men kan blive interessante i kraft af deres pris. Da er det især halm, der er interessant, det koster ikke mange penge og det indeholder op til 40% cellulose, som er et godt armeringsmateriale. Det er stadig for dyr at udvinde, men der forskes i det, så det kan blive aktuelt en dag. Da det sammen med matrixen kan brænde, er det meget miljø venlig at bortskaffe. Hampefibre vil muligvis ikke være billigere end glas, da der stadigvæk skal forskes i skånsomme høstmetoder for at bevare fibrenes styrke og i det hele taget foretages mange forsøg. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 8

9 Den videre forarbejdning af fibertyperne fordeler sig i nævnte hovedgrupper: Glasfiber flock. Hugget måtte også benævnt CSM Chopped Strand Mat. Pressemåtte. Vlies (overflademåtte) Roving tråd. Roving garn. Vævet roving. Syet roving. Måleenheder og definitioner på fibermaterialer. Tex værdi Til bestemmelse af tykkelsen på filamenter, fiberbundter og roving bruges enheden tex. Tex værdien angiver vægten i gram på 1000 m. fiber. Har vi en 1200 tex roving, er der altså tale om, at 1000 m. vejer 1200 gram. Arealvægt Alle typer af CSM måtter, vævede og syede måtter osv. bestemmes ud fra deres arealvægt, hvor måleenheden er gr/m². Retningsorientering Hvis der er tale om retningsorienterede fibre, vil retningen altid være givet som en vinkel ud fra rullens 0 retning. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 9

10 Kæde og skud I vævede produkter benævnes fiberretningen kæde eller skud. Kæde er de fibre der går i rullens længde retning, altså 0. Skud er de fibre der går på tværs af rullens længde retning, altså 90. Glasfiber flock Flock fremstilles af fibertråde (strands) der hugges i små stykker fra 3mm længde og opefter. Disse huggede fibre bruges som armeringsmateriale i spartelmasser, pressemasse BMC og støbemasser. Hugget måtte De tørrede fibertråde føres gennem et huggeværk, hvor fibrene hugges i passende længder mm. hvorefter de drysser ned på et transportbånd. Fiberretningen bliver helt tilfældig og der påsprøjtes et bindemiddel før fibermåtten presses sammen mellem nogle valser. Måtterne benævnes efter hvilken bindemiddel der er brugt. Pulverbunden måtte, hvor bindemidlet er en polyesterpulver, der er let opløselig i styren. Denne type anvendes til transparente laminater, den er let at forme som første lag til emner med kompliceret geometri og hvor der er ønske om et mere vandfast lag under gelcoaten. Emulsionsbunden måtte, som holdes sammen af en emulsion af polyvinylacetat, er lidt langsommere at opløse i styren. Måtten er typisk stivere og er derfor lettere at håndtere, men samtidig er den langsommere at forme efter emnet. Syet måtte er uden bindemiddel men holdt sammen af en syning med en tynd glastråd. Dette indebærer at måtten kan formes efter emnet i tør tilstand, f.eks. ved injektionsstøbning, hvor syningerne er med til at holde måtten på plads under injektionen. Presse måtte Fibertrådene er her lagt i hele længden i cirkler som kører ind over/igennem hinanden og er holdt sammen af et tungt opløseligt bindemiddel. Det vil sige at måtten kan strækkes temmelig meget uden at den går i stykker, den bliver blot tyndere. Måtten er kun anvendelig til pressestøbning, injektionsstøbning og vakuumstøbning, hvor måtten er velegnet til at transportere polyesteren. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 10

11 Vlies Vlies fremstilles af enkelt filamenter med lille diameter 5-10µm, som fordeles meget jævnt i et tyndt lag gr./m². Vlies anvendes hovedsagelig på tre måder. 1. Som afsluttende lag på et emne hvor der ønskes en glat overflade uden fiberaftegning. 2. Som første lag under gelcoaten på kemikaliebestandige emner for at opnå en meget lav glas%. 3. Som første lag under gelcoaten ved presning eller vakuumstøbning for at undgå fiberaftegning på gelcoat overfladen. Roving tråd Til en direct roving anvendes de enkelte fibre som samles i et løst sammensat bundt. En assemblet roving fremstilles af glastråde (strands), som samles i bundter af den ønskede tykkelse. Fælles for begge typer er, at de ikke er snoede, men ligger lige og parallelle for at give den største trækstyrke. Roving fremstilles som standard i 300, 600, 1200, 2400 og 4800 tex. Roving anvendes til sprøjteoplæg, vikling og pultrudering, eller videreforarbejdes til vævede produkter. Roving garn Hvis glasfibrene tvindes (snoes) på samme måde som for eksempel uldgarn, kaldes det for roving garn eller glasfiber garn. Glasfiber garn anvendes til vikling, pultrudering eller videreforarbejdes til vævede produkter. Garn ligger sædvanligvis mellem 5 og 400 tex. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 11

12 Vævet roving Ved at væve tråde eller roving med traditionelle vævnings metoder, kan der fremstilles et utal af forskellige vævede produkter af henholdsvis glas, kevlar eller kul. Vævede væv fremstilles ved en sammenfletning af kæde 0 og skud 90 i et regelmæssigt mønster eller vævstype. Vævets draperbarhed (evnen til tilpasning til en kompleks overflade), glat overflade og ensartethed, er hovedsageligt bestemt af det anvendte mønster, mens arealvægt, porøsitet og i mindre grad imprægneringsevne, bestemmes ved at vælge en kombination af tex og fibertal pr. cm. Vævets udseende og selvfølgelig også dets bearbejdningsegenskaber er afhængig af fibrenes texværdi og hyppighed (benævnes ofte tråd tal). Et væv med en bestemt vægt pr. arealenhed kan enten fremstilles af fibre med høj texværdi og et lille antal tråde (ends) eller en lille tex og et stort antal tråde pr. cm. Den førstnævnte variant giver et løst væv, som er draperbar og let at imprægnere, men som har en afstand mellem trådene, der er større end tråden selv, mens den sidste variant har mindre porøsitet, der gør vævet mindre draperbar og samtidig vanskeligere at imprægnere. På de følgende sider er der vist nogle traditionelle vævningsmønstre. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 12

13 Almindeligt væv Hver kædefiber passerer henholdsvis over og under hver skudfiber. Vævet er symmetrisk, (det vil sige lige mange fibre i 0 og i 90 ) med god stabilitet og en rimelig porøsitet. Det er den vævstype, der er vanskeligst at drapere, og det store antal fiber krusninger giver forringede egenskaber i forhold til andre vævstyper. Twill En eller flere kædefibre væves henholdsvis over og under to eller flere skudfibre i et regelmæssigt gentaget mønster. Derved fremkommer en visuel effekt, der viser en lige- eller brudt diagonal linie henover vævet. Der er rigtig god draperbarhed og en god imprægneringsevne i et twill væv i forhold til et almindeligt vævet væv, og der er kun en lille reduktion i stabiliteten. Med det reducerede antal krusninger har vævet en mere jævn overflade, og det giver lidt bedre mekaniske egenskaber. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 13

14 Satin Satinvæv er grundlæggende et modificeret twillvæv med færre kæde- og skudkrydsninger. Det er meget jævnt, har gode draperings- og imprægneringsegenskaber, og de få krusninger giver gode mekaniske egenskaber. Satinvæv kan fremstilles meget tæt til et lukket og fast væv. Disse egenskaber medfører en forringet eller nedsat stabilitet og en asymmetrisk opbygning. Køperbinding Køperbinding er grundlæggende opbygget på samme måde som almindeligt væv, den eneste forskel er, at to eller flere kædefibre flettes med to eller flere skudfibre. En kombination, hvor to kæder krydser to skud, betegnes 2 x 2, og det giver en symmetrisk opbygning. Vævet kan også fremstilles asymmetrisk med betegnelserne 8 x 2 eller 5 x 4 osv. Køperbinding er fladere væv med mindre krusninger, stærkere end det almindelige væv, men mindre stabil. Det anbefales til kraftige væv fremstillet af fibre med høj tex for at imødegå, at der dannes høje krusninger. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 14

15 Vævede hybrider Ordet hybrid refererer til et væv, der indeholder mere end én type konstruktions fibre. Hvis egenskaberne i et laminat kun kan opbygges ved hjælp af mere end en fibertype, så kan det fremstilles ved hjælp af to forskellige væv. Hvis kravet til laminatet er lav vægt og ekstrem lille tykkelse, kan det være nødvendigt at anvende en hybrid fremstillet af to forskellige fibertyper. En hybrid kan fremstilles med én fibertype i kæderetningen og en anden fibertype i skudretningen. Det er mere almindeligt at veksle mellem fibre i hver retning. Almindelige fiberkombinationer i hybridvæv er: Kul/Aramid - Stor trykmodstand og trækstyrke fra aramid med høj kompression og trækstyrke fra kulfibrene; begge fibre har lav densitet og en høj pris. Aramid/Glas - Lav vægt, stor trykmodstand og trækstyrke fra aramid kombineret med den gode kompression og trækstyrke fra glasfibrene, og en lavere pris. Kul/Glas - Begge fibre har høj kompression og trækstyrke sammen med kulfibrenes høje stivhed og den reducerede vægt. Vævets reducerede pris skyldes glasfiber prisen. Hybrider fremstilles også som syet og UD væv. Hvis man vil udnytte fibernes trækstyrke optimalt, er det af stor betydning at de er anbragt i lige retninger altså uden krusninger som fremkommer ved vævning. Disse krusninger eller bugter på fibertrådene påfører tråden stres under trækbelastning, idet tråden vil forsøge at rette sig ud. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 15

16 Dette kan undgås ved at fibertrådene lægges i lag og syes sammen. Fibrene er i disse syede måtter altså rette og kan derfor bedre optage trækspændinger uden at laminatet strækkes. Syet roving er opbygget af et eller flere lag af lange fibre, som holdes sammen af sekundære sytråde. De primære fibre kan være hvilken som helst af de tilgængelige konstruktionsfibre, sytrådene er almindeligvis polyester på grund af de gode håndterings -egenskaber kombineret med en lav pris. De primære fordele, ved det syede måtter i forhold til de vævede måtter, er: Bedre mekaniske egenskaber, primært fordi fibrene altid er rette og uden krusninger, og de forskellige lag giver mulighed for en mere nøjagtig orientering af fibrene. Større produktionshastighed da måtterne kan fremstilles meget tykkere, så der ikke er behov for at lægge så mange lag i en laminatopbygning. I forbindelse med udvikling af ovennævnte forbedringer er der også en bagside. Polyesterfibrene hæfter ikke særligt godt til de almindelige harpikstyper, og der kan derfor opstå brud omkring fibrene. Fremstillingen af denne type måtter er langsommelig, prisen for maskinen er høj, og sammenholdt med, at der skal anvendes fiberbundter med lille tex-værdier for at sikre en god overflade på måtterne, betyder det, at prisen for en god kvalitet er meget høj. Ekstremt tunge måtter gør det muligt at lægge store mængder i formen på kort tid, men det er samtidig vanskeligt at imprægnere med harpiks. Hvis sy processen ikke overvåges omhyggeligt, kan kædefibrene bundte sig sammen, og det medfører, at der fremkommer harpiksrige og harpiksfattige områder i det færdigt imprægnerede laminat. Syet roving De syede typer karakteriseres efter i hvilke retninger fibrene (trækstyrken) ligger. Hvis alle fibrene ligger i samme retning, og kun sytrådene der holder dem sammen ligger på tværs, kaldes måtten unidirektional (UD) AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 16

17 Multiaxialt væv: Prepreg: Mange af disse måttetyper/ vævninger kan også fås som prepreg dvs. for- imprægneret. Resinen i disse vil typisk være en epoxy. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 17

18 Resiner: komponent. - Polyester. - Vinylester. - Epoxy. - Hybrid resiner. Polyester. Ortofatalsyre: Standard polyester der bruges til næsten alle industri dele, til møllevinger og en del i bådindustrien. Bruges også til gelcoat hvor der ikke er store krav til beskyttelse af laminatet. Isofatalsyre: Forbedrede typer af polyester, der er mindre modtagelig for vand optagelse, har en bedre brudstyrke og en højere HDT. Bruges til alm. gelcoat,hvor der er almindelige krav til beskyttelse af laminatet. Neopentylglykol: Polyester med forbedret kemikalieresistens og høj HDT. Bruges til gelcoat hvor der er store krav om beskyttelse af laminat mod vand optagelse og krav om brudforlængelse. Der er også god mod UV bestråling. Bisphenol: Polyester med forbedret kemikalieresistens, samt høj HDT, brandhæmmende. Der findes en mængde andre polyestere med specielle kvaliteter, som bliver brugt i begrænset omfang. Vinylester. Vinylestere findes også i mange forskellige typer, men de er alle bedre på følgende punkter: Kemikaliebestandig overfor syre og baser. HDT kan være meget høj. God brudstyrke. Derfor bruges vinylester især til formbygning, kemikalietanke, tanke til rensningsanlæg, skorstene til industri og røg rensningsanlæg. Vinylestere er ikke egentlige polyestere, men kun diestere, idet der i polymermolekylerne kun sidder estergrupper i enderne, mens der i de øvrige typer også sidder estergrupper i repetitionsenhederne. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 18

19 Udhærdning: Udhærdningen er afhængig af polyester-, vinylestertype temperatur luftfugtighed hærdesystem. Hærdemidler: Hærdemidlerne består af initiatorer(hærder) og acceleratorer primært peroxider og aminer eller salte og oxider som pasta eller pulver Man skal være opmærksom på at jo bedre en polyester er, jo længere skal efterhærdningen være for at opnå optimal udhærdning. Epoxy. På grund af de på næsten alle områder bedre egenskaber, sammenlignet med polyester, har epoxy i de senere år opnået en større og større udbredelse, specielt inden for vindmølleindustrien. Den uhærdede epoxy består af molekylekæder der i begge ender har en epoxygruppe som i sin enkle form består af to carbon (kulstof) atomer og et oxygen (ilt) atom. Disse epoxygrupper er meget reaktive, og hærdningen foregår ved at tilsætte en hærder, den almindeligste er en amin, som ved en additionsreaktion laver tværbindinger. Denne kemiske reaktion betyder, at der altid er to epoxymolekyler der binder sig til hver ende af et aminmolekyle. Hærdningen kan foregå uden at der dannes biprodukter, og uden at der anvendes opløsningsmidler i processen. I og med at aminmolekylerne dobbelt-reagerer med epoxymolekylerne i en ordnet struktur, er det meget vigtigt, at det blandes i det rette forhold, for at sikre en fuldstændig reaktion mellem alle molekylerne. Hvis aminerne og epoxyerne ikke blandes i det rette forhold, vil der være ureageret materiale tilbage. Hvis der er for meget af hærder delen vil det være aminer der ikke er reageret, og hvis der er for meget af epoxy basen, vil det være epoxygrupper der ikke er reageret. Dette vil påvirke det færdige produkts egenskaber. Set ud fra et sikkerheds synspunkt, udgør et sådant indhold af ureagerede epoxy grupper en stor risiko ved en eventuel videre forarbejdning. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 19

20 Egenskaber: Ved at variere længden og sammensætningen af molekylekæderne, og ved at anvende forskellige hærdere, kan der fremstilles epoxy med mange varierende egenskaber. Epoxy basen eller epoxy harpiks kan groft inddeles i tre grupper. DGEBA epoxy er standardtypen som er fremstillet af DiGlycidylether af Epichlorhydrin og Bisphenol A. Denne type har en god mekanisk styrke, hårdhed og sejhed. Den er elektrisk isolerende og kemikaliebestandigheden er god specielt overfor baser. Blødgørings-temperaturen kan ligge op til 150º Novolak epoxy, hvor tværbindingerne er tættere, og som betyder at bestandigheden overfor kemikalier og især organiske opløsningsmidler bliver større, samt blødgørings-temperaturen bliver højere end DGEBA. På grund af de mange tværbindinger bliver novolak mere sprød og har ikke den samme gode klæbeevne som DGEBA. Cycloalifatiske epoxy har som novolak en tæt molekylestruktur og næsten tilsvarende egenskaber. Man kan fremhæve at den er lettere at forarbejde og har en fremragende vejrbestandighed. Hærdere Epoxygrupperne vil kunne reagere med forskellige typer af hærdere, som dels har betydning for hærdeprocessens hastighed fra få minutter til flere døgn, og dels bestemmer om det er et koldt-hærdende eller varmt-hærdende system. Da hærderen indgår i en stor mængde, har den ligeledes stor betydning for den hærdede epoxys egenskaber. De grupperer sig i: Syreanhydrider. Alifatiske og aromatiske polyamider. Katalytiske hærderer. Det betyder i praksis at der til hver type epoxy base er lavet kemiske beregninger og forsøg for at fastsætte det korrekte blandeforhold med den valgte hærder. Det er derfor yderst vigtigt altid, at anvende de rigtige materialer og at overholde blandeforholdet, da der ellers vil ske nogle helt utilsigtede reaktioner, eller reaktionen/hærdningen slet ikke sker. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 20

21 Hybrid resiner. Typisk et 3 eller flere komponent system, hvor der kan indgå flere typer hærdere. I nogle systemer bruges der isocyanat, som en del af hærdesystemet. Disse hybrider er specielle og deres egenskaber er meget forskellige. Hybrid resinerne kan være både polyester og epoxy baserede. Gældende for alle resin typer er at man deler dem op i 3 grupper. Kold/varm og UV hærdende. Koldhærdende betyder at den kemiske reaktion, der får resinen til at hærde kan starte ved en temperatur fra ca 15 0 C altså normal værksteds temperatur. Varmhærdende betyder at for at få den kemiske reaktion i gang er vi nød til at tilfører varme, enten i formen, ved hjælp af et varmetæppe eller ved at foretage ud hærdningen i en ovn. UV-hærdende betyder at den kemiske reaktion, starter ved påvirkning af UV-lys. Dette UV-lys vil typisk være en kraftig lampe. Hærdeprocessen foregå hurtigt, men er ikke nem at styre på en flot solskins dag. Bruges ofte på reparationer. Alle disse informationer vil man kunne finde i materiale databladet og det betragtes, som en selvfølge, at alle disse informationer overholdes. Hvis ikke dette er tilfældet, vil materialerne ikke leve op til forventningerne mht. hærdetider, styrke, levetid osv. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 21

22 Kernematerialer: Avancerede Kompositter Kernematerialer anvendes i sandwich laminater. Ved fremstilling af sandwichlaminater er det af afgørende betydning, at det er det rigtige kernemateriale der er valgt til opgaven. De egenskaber der fokuseres på er: Densitet Trykstyrke Forskydningsstyrke Slagstyrke Isolering Fugtresistens Bearbejdning Vedhæftning Proces temperatur Pris Kernemateriale typer. - Balsa. - PVC Skum. - PMI Skum. - PUR. - EPS. - Honeycomb. Balsa. Er en meget hurtigt voksende træsort og indeholder meget vand. Efter fældningen tørres vandet ud og træet skæres i skiver på tværs af stammerne, konserveres for at undgå mug og råd og derefter kan træet limes sammen som firkantede brikker på et glasfibernet. Som kernemateriale vil balsa opsuge en større eller mindre mængde matrix som vil påvirke trykstyrken og densiteten af det færdigstøbte materiale. Det skal bemærkes at jo mere matrix balsaen optager jo større bliver trykstyrken. Som råvare er densiteten meget svingende, da det jo er et naturprodukt. Balsa har en høj tryk- og forskydningsstyrke og har en god vedhæftning på alle matrixtyper, men dårlig fugtresistens. Den anvendes til emner som lystfartøjer, møllevinger og i forbindelse med formbygning. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 22

23 PVC Skum. Er termoplastisk PolyVinylClorid der op skummes. Den udemærker sig ved en høj tryk- og forskydningsstyrke, og da den har en udmærket fugtresistens kombineret med en god vedhæftning til både polyester og epoxy, er det den mest anvendte til bådbygning og til vingeskaller. PVC skum forhandles i forskellige kvaliteter, og visse typer kan forarbejdes og er stabile op til 130. Densiteten ligger typisk i området 30 til 150 gr./ltr. PMI Skum. Er en PolyMethacryli-Imid som har de samme egenskaber som PVC skum, men er væsentlig mere varmebestandig. Sej trykstærk meget varmefast og en høj pris. PUR. Er en hærdeplast som fremstilles ved en kemisk reaktion, og ved tilsætning af et blæsemiddel kan skummets densitet varieres fra: gr./ltr. som er isolationsskum uden væsentlig styrke gr./ltr. sandwichskum med stigende tryk og forskydnings styrke. 60 gr./ltr. Og opefter hvor skummet bliver stærkere mens isoleringsværdien gradvis aftager. Lette typer er typisk ret sprødt materiale og anvendes derfor mest som isolering hvor konstruktionen ikke bliver udsat for tryk og forskydning. For eksempel til kølekasser og kølecontainere/trailere og som isolering af køle/fryse laster i skibsfarten. Også som opdrift og kernemateriale i surfboards og småjoller anvendes den. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 23

24 EPS. Er en termoplast, en Ekspanderet PolyStyren. Den er meget let og har en høj isolationsværdi samtidig med at tryk og forskydningsstyrken er god. Den er mere sej og er derfor et godt alternativ til den lette PUR, hvis der ønskes en høj isolationsværdi sammen med en let konstruktion. EPS bliver opløst af de fleste organiske opløsningsmidler og kan derfor ikke bruges sammen med for eksempel polyester, uden en effektiv adskillelse med en primer. Polyurethan og epoxy uden opløsningsmidler har en god vedhæftning og skader ikke EPS. Honeycomb. Er betegnelsen for en kernematerialestruktur som kendes fra bikuberne og som er naturens måde, hvorpå man sparer vægt og materiale. Til højre vises nogle tværsnit af søjler. Den Y formede søjle med vinkler på 120 giver i forhold til arealet den største trykstyrke, og den er desuden let at sammenbygge i alle retninger i den 6 kantede struktur, der kaldes honeycomb. Honeycomb giver meget lette og stive konstruktioner hvor det største problem som regel er vedhæftningen til laminatet på grund af den meget lille overflade plus begrænsningen af hvilke støbeprocesser det kan anvendes til. Honeycomb anvendes typisk sammen med prepreg. Honeycomb er ofte fremstillet af fenolplast, men forekommer også i en termoplast og i aluminium. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 24

25 Processer og Udstyr. Avancerede Kompositter Forme, Typer og materialer. For at kunne fremstille ensartede emner er det nødvendigt med en eller flere støbeforme. En sådan form er ofte fremstillet i kompositter, men kan også være af stål, aluminium eller træfiner. Fremstillingen af en komposit form starter med en emnetegning, som bruges til bygningen af en model, også kaldet en plug. Denne plug fremstilles af de materialer der til netop denne udformning er velegnet, for eksempel træ, PVC skum, finerplader, osv. Det vigtige er at overfladen og den geometriske form er den rigtige. Overfladen på en plug vil være bearbejdet, slebet, spartlet, lakeret, og poleret, for til sidst at blive vokset med en fast voks 6-8 gange, så den står helt fejlfri i overfladen. Herefter bliver der støbt en form af glasfiberarmeret resin uden på pluggen, og til dette anvendes der materialer der kan opfylde de materialetekniske krav, der er til en støbeform, så som: Glans Hårdhed Kemikalieresistens Varmebestandighed Stivhed Når selve formskallen er støbt, den kan evt. bestå af flere dele, bygges der et formstativ, som skal understøtte formen og som i visse tilfælde også skal fungere som et ophæng, så formen kan drejes og fastholdes i en stilling, der gør det muligt at støbe emner i den. Dette stativ består af træ eller stål, som fastlamineres på selve formskallerne. Formen skal nu sikres en god ud hærdning, det kan gøres ved at efterhærde med forhøjet temperatur, og derefter er formen klar til af formning, dvs. at den fjernes fra pluggen. Formen mangler nu den endelige finish, som opbygges ved at vådslibe og polere til den ønskede overflade og glans. Formen seales og vokses efter forskrifterne og er nu klar til det første aftryk. Der kan i en sådan støbeform fremstilles flere hundrede aftryk, forudsat at formen bliver vedligeholdt omhyggeligt. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 25

26 Forme i metal er meget dyrere at fremstille, da disse skal fræses. Metalforme skal behandles med slipmidler på samme måde som komposit forme. Fordelen ved metalforme er at man risikere ikke at ødelægge formen ved af formning og formens holdbarhed ved efterhærdning ved høje temperaturer er ikke noget problem. CNC Fræser. Både komposit og metal forme kan bestå af flere dele, afhængig af kompleksiteten af emnet. Formen kan laves som en åben eller lukket form, form overdelen kan laves i samme materiale, som underdelen, hvilket giver mulighed for at få en pæn ensartet overflade på begge sider at emnet. Ulempen ved en lukket form er at man ikke kan se hvad der sker under støbeprocessen, hvis dette er nødvendigt (ved vakuumstøbning vil man gerne følge processen) må man vælge at støbe i en åben form. Denne proces kommer vi nærmere ind på senere. Forme til vikling og pultrudering ligner ikke andre forme på nogen måde, dette kommer vi ind på senere. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 26

27 VARTM/ RTM VARTM (vacuum assisted resin transfer molding) Denne proces kræver at formen er egnet til processen, dvs. at den er vakuum tæt og at der er plads til hjælpematerialerne. Hjælpematerialerne til denne proces er: peel ply, evt. hulfolie, flydemedie, spiraler, tackytape, vakuumfolie, indløbs og vakuum slange. Armeringsmaterialerne lægges i formen i tør tilstand, hjælpematerialer ilægges og der udføres en vakuumtest. Er emnet tæt startes injektions processer og armerings materialet vædes ovenfra. Processen kan også laves i dobbelt (lukkede) forme og med en silikone overdel. Egnede materialer: Resin: Epoxy, polyester, vinylester. Fibre: Alle syede måttetyper. Kernemateriale: Alle undtagen åben honeycomb. Fordele: Forholdsvis lav form pris. Der kan fremstilles store emner. Høj fiber indhold. Ulemper: Forholdsvis kompliceret og tids krævende oplægnings proces. Utætheder eller tørre områder kan ødelægge emnet eller kræve reparation. Affald, hjælpematerialerne kan ikke genbruges. Industrielle anvendelses områder: Bådbygning, møllevinger, tog dele, inddækninger i diverse industrier mm. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 27

28 RTM RTM (Resin transfer molding) Denne proces kræver en lukket form, resinen skydes ind i laminater under tryk. Armeringsmaterialet ilægges tørt, i nogen tilfælde bruges man pre formede måtter. Injektionstrykket kan variere alt efter hvilke armerings materialer man bruger og der er mulighed for at bruge vakuum for at hjælpe processen. Når injektionen er overstået, lukkes indløbet og emnet hærdes. Dette kan ske ved rumtemperatur, i en ovn eller med varme på formen. Egnede materialer: Resin: Epoxy, polyester, vinylester og fenol. Høj temp. resiner kan også bruges. Fibre: Alle typer. Det kan være nødvendig at bruge måtter der hjælper resinen med at flyde. Kernematerialer: Skumtyper der kan klare det høje injektionstryk, honeycomb åben eller lukket er ikke egnet. Fordele: Høj fiber indhold. Hurtigt oplægnings proces (specielt ved preformede måtter) Form overflade på begge sider. Ulemper: Form pris.(2 dele der skal passe sammen) Forholdsvis små emner. Fejl i injektionen ses først ved af formning Industrielle anvendelses områder: Små komplekse emner til fly og bil industrien, formstøbte sæder mm AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 28

29 Vakuum Bagging.(konsolidering) Denne proces er en udvidelse af hånd oplægs processen. Efter armerings materialet, som oplægges i almindelig håndoplægs proces, lægges peel ply, hulfolie og et bleeder materiale til at opsuge overskuds resin, der lægges vakuum folie på og der suges vakuum. Der kan påføres et tryk på op til en atmosfære. Egnede materialer: Resin: Epoxy, polyester, vinylester og fenol. Dog kan der opstå hærde problemer med resin typer indeholdende styren pga. vakuummet. (for stor en mængde styren suges ud under af hærdningen) Fibre: Alle typer. Kernemateriale: Alle typer undtagen åben honeycomb. Fordele: Større fiber procent og mindre luftlommer ift. Håndoplæg Bedre vædning af armerings materiale. Mindre afdampning under hærdeprocessen. Ulemper: Større udgifter til materialer og længere proces tid. Afdampning af skadelige stoffer er den samme under oplægningen, som ved almindelig hånd oplæg. Industrielle anvendelses områder: One-off emner, emne hvor almindelig hånd oplæg ikke sikre ordentlig vedhæftning til kernematerialet mm. Prepreg. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 29

30 Som ordet antyder arbejder vi har med en for imprægneret eller pre-impregnated måtte type. Armeringsmaterialet indeholder altså den færdige resin og er klar til at lægge i formen. Prepreg kan fås i mange forskellige typer, både armerings materiale og vævnings type. Resinen der bruges kan også have forskellige egenskaber og kræve forskellige ud hærdnings temperaturer. Resinen der bruges er typisk en epoxy og derfor skal man bruge hansker når måtterne håndteres. Prepreg stiller krav til opbevaring. Når man ikke umiddelbart står for at skulle anvende sit prepreg-materiale, skal dette opbevares i en fryseboks ved ca. -18 C. Ved denne temperatur har en typisk C prepreg en lagerholdbarhed på 1 år. Hvis det opbevares på køl ved ca. 5 C er holdbarheden ca. 5 mdr. Ved rumtemperatur 20 C er holdbarheden ca. 60 dage total. Som hovedregel er det således at jo lavere ud hærdnings temperatur, jo kortere lagerholdbarhed. F.eks. Et prepreg-system der ud hærdes ved kun grader C, har typisk en lager holdbarhed på 3 mdr. i fryseren og 1-2 uger ved rumtemperatur. Fordelen ved prepreg er at man har 100% kontrol over hvordan materialet ligger i formen. Der er ingen risiko for at det flytter sig under oplægget eller ud hærdningen. Det kan være nødvendigt at sætte vakuum på laminatet under oplægget for at fjerne luft fanget imellem lagene. Prepreg skal typisk ud hærdes ved temperaturer mellem C. Man styre temperaturer i ramper dvs. at man først hæver temperaturen, så resinen bliver flydende, hvorved man får evt. luft trukket ud a laminatet, derefter hæves temperaturen, så hærde processen starter. Denne rampe og hærde tid kan være forskellig, alt efter hvilken type resin der er brugt. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 30

31 Det er af yderste vigtighed at pregreg en har værksteds temperatur inden man begynder at arbejdet eller risikerer man kondens dannelse og fugt i laminatet er altødelæggende. Prepreg kan forarbejdes i følgende processer. Vi vil på de følgende sider kigge på 2 forskellige oplægs processer, almindelig prepreg oplæg (emner med en tykkelse op til 3mm) og Sprint, som er en kombination af prepreg og tørre armerings måtter. Almindelig Prepreg. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 31

32 Prepreg en tilskæres og lægges i formen og hjælpematerialerne lægges i på stort set samme måde, som ved vakuum bagging. Emnet sættes i en ovn eller opvarmes på anden måde i ramper. Hærde processen er beskrevet i medfølgende datablad. Egnede materialer: Resin: Generelt kun epoxy. Fibre: Prepreg kan fås i næsten alle typer syede/vævede måtter. Kernemateriale: Alle typer, der kan tåle ud hærdnings temperaturen. Standard PVC skal behandles for at sikre ordentlig vedhæftning. Fordele: Høj fiber indhold. Ingen skadelig afdampning, hverken under oplæg eller ud hærdning. Ved lave ud hærdning temperaturer o C kan billige form materialer så som træ bruges. Store emner kan ud hærdes på stedet vha. en kappe og en varmlufts kanon. Ulemper: Materiale priser. Ved de fleste processer kræves forme der kan holde til temp. mellem o C, altså almindelige polyester forme kan ikke anvendes. Industrielle anvendelses områder: Møllevinger, lystbåde, tog komponenter, motorsports og bil industrien mm. Sprint. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 32

33 Sprint eller Semipreg er en måde at lægge armering og matrix i samme måtte uden at gennemvæde fibrene. Epoxy film indlæg Tørre fiber lag til at sørge for luft kanaler til evakuering af luft fra laminatet -Tilfør vakuum, når luften er helt fjernet, altså fuld vakuum overalt, tilføres varme -Luften suges ud, epoxyen blødgøres og trækker ind I de tørre armerings lag og giver et laminat med høj fiberindhold og lavt luftindhold -SPRINT. Tørt væv-resin-tørt væv eller tørt væv-prepreg-tørt væv. -Semi-SPRINT. Tørt væv lagt på prepreg kombinationer. -Single Sided (enkelt siddet) Tørt væv lagt på den ene side af en resin film. -Part Impreg Delvis gennemvædet væv. prepreg lavet med kolde valser. Resin på overfladen af fiberbundterne og tørre fibre I midten. -CBS (Let resin film) bruges til sandwich med enkelt siddet sprint. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 33

34 Processen bruges til tykke laminater og man kan slippe for at sætte vakuum på laminatet under oplægget. De tørre lag i laminatet vil sørge for at luften kommer ud under hærde processen, men samtidig kræver de selvfølgelig at der er resin nok til at gennemvæde dem, ellers vil man få tørre områder der vil kræve reparation. Processen kræver samme temperatur styring, som almindelig prepreg. Egnede materialer: Resin: Generelt kun epoxy, men man kan få andre resiner. Fibre: Alle syede og vævede. Kernemateriale: Alle, dog kan PVC skum have problemer med hærde temperaturen. Fordele: Fiber indholdet kan styres meget præcist og luft (voids) er minimal, selv i meget tykke laminater (over 100mm) Meget gode mekaniske egenskaber på resinen. Meget tunge måtter kan bruges. Ulemper: Materiale priser. Ved de fleste processer kræves forme der kan holde til temp. mellem o C, altså almindelige polyester forme kan ikke anvendes. Industrielle anvendelses områder: Møllevinger, lystbåde, tog komponenter, motorsports og bil industrien mm. Autoklave. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 34

35 En autoklave er en ovn, man kan sætte under tryk. Processen bruges næsten udelukkende i forbindelse med prepreg. Der stilles store krav til formen, da det nu ikke kun er temperatur, men også tryk (op til 10 bar) den skal kunne holde til. Laminat oplægget kan være fuldstændig identisk med et almindelig prepreg oplæg, men man bruger typisk resiner, der kræver højere ud hærdnings temperaturer og som dermed har bedre termiske og mekaniske egenskaber. Ud over det tryk på 1 bar som fuld vakuum kan trykke med på laminatet, kan man tryksætte autoklaven og dermed opnå meget højt fiber indhold og væsentlig lavere vægt. Autoklaver kan fås i mange størrelser. Autoklaver der bruges i komposit industrien, må ikke forveksles med dem der bruges på sygehuse, tandlæge klinikker mm. Disse autoklaver er damp autoklaver og udelukkende til desinficering af udstyr. Sikkerheden omkring autoklaver er meget vigtig, da man jo potentiel arbejder med en stor bombe. Overtryks ventiler mm skal kontrolleres jævnligt og man skal arbejde indenfor de parametre autoklaven er designet til. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 35

36 Formen/ laminatet sættes i autoklaven, denne tryksættes og opvarmes. Hærdeprocessen forløber nogenlunde, som almindelig prepreg. Man arbejder dog ofte med højere hærde temperaturer o C i nogle tilfælde endnu højere. Man kan overvåge processen med manometre (vakuumtryk og autoklavetryk), det er også muligt at installere kameraer inde i autoklaven, men igen er hærdeprocessen først sat i gang kan den ikke stoppes uden at man ødelægger emnet. Egnede materialer: Resin: Epoxy, polyester, fenol og forskellige høj temperatur resiner. Fibre: Alle prepreg typer. Kernemateriale: Alle typer der kan tåle de høje temperaturer og høje tryk. Fordele: Fiber indhold kan styres meget præcist. Høj viskose resiner kan bruges, med forbedrede termiske og mekaniske egenskaber. Der er tid til komplekse oplæg, da der ikke sker nogen former for hærdeproces i værksteds temperaturer. Mulighed for automatiserede processer. Ulemper: Materiale pris. Autoklaven er meget dyr i indkøb og drift. Høje krav til formens holdbarhed. Industrielle anvendelses områder: Luft og rumfarts industrien, motorsport (F1) generelt industrier hvor der stilles meget høje krav til styrke. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 36

37 Vikling. Ved vikling opbygges komponenten ved at roving eller tape vikles omkring en dorn. Metoden er velegnet til fremstilling af beholdere og lukkede profiler med konveks overflade. Ved oplægning, som enten kan være maskinel eller manuel, opbygges komponenten ved at flere lag af fibre placeres oven på hinanden. Vikling af tråd på en dorn kan foregå på mange forskellige måder. Det viser sig, at to bevægelser principielt er tilstrækkeligt til at udføre en hvilken som helst vikling. Det vil sige, at en maskine, der er opbygget som en drejebænk med en langsgående og en roterende bevægelse, vil kunne udføre de fleste viklinger. Det er da også en meget almindelig udførelse af viklemaskiner, med en række variationer i konstruktionen. Aksen kan være lodret, hvilket er en fordel ved lange, tunge dorne, eller føringerne kan være placeret over dornen, hvilket letter adgang og renholdelse. Det er i den mekaniske udførelse af maskinerne, at den største forskel fra traditionelle drejebænke findes. Kræfterne er mindre, og slædehastighederne større end ved metal-bearbejdning. Slædebevægelsen foregår ofte ved kædetræk, og denne skal kunne styres præcist ift. omdrejningerne på dornen. Eksempel på moderne computerstyret viklemaskine AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 37

38 Når man snakker trykbeholderne kan disse også være så store at formen er stationær og viklemaskinen bevæger sig omkring denne. Princip for polarvikling og et eksempel på en polarviklemaskine til vikling af aramid forstærkede trykbeholdere til raketmotorer. Som allerede nævnt, består vikleprocessen i, at der vikles fibre om en dorn, der giver emnet dets indvendige form. Ved de fleste emner (beholdere eller lignende) vil dornen ikke uden videre kunne fjernes fra emnet efter vikling. Den enkleste løsning er at lade dornen indgå i den færdige konstruktion i form af en såkaldt liner. Denne metode er meget brugt til trykbeholdere, hvor lineren giver gaseller væsketæthed, og fibrene giver styrken. Den anden hovedfremgangsmåde er at bruge dorne, der på en eller anden måde kan fjernes fra emnet efter viklingen. Her kan man skelne mellem forskellige principper: Mekanisk adskillelige og sammenklappelige dorne. Oppustelige dorne, der får deres form og stivhed fra et indre tryk. Udsmeltelige dorne af metal med et lavt smeltepunkt, voks eller lignende, som efter viklingen fjernes fra emnet ved opvarmning. Alternativt kan der bruges dorne af sand, bundet med en vandopløselig lim, eller salt, som kan skylles ud. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 38

39 Dorne af gips eller andet materiale, som kan fjernes mekanisk efter hærdningen af emnet, f.eks. ved hjælp af indstøbte kæder. Faste dorne, hvor emnet fjernes ved at ende partierne skæres fri fra emnet, hvorefter det kan afformes. Et eksempel på denne fremgangsmåde er fremstilling af master, bomme eller korte rør. De forskellige metoder har hver deres fordele og ulemper. De mekaniske dorne kan være komplicerede og dyre at fremstille, men kan med lave omkostninger bruges til mange emner, med en god præcision. - Oppustelige dorne er rimeligt billige og kan bruges til fremstilling af beholdere (kugletanke) hvor kravene til geometrien ikke er for store. Dorne, som kan smeltes eller vaskes ud, kræver et ekstra fremstillingstrin, idet der i princippet bruges en dorn per emne. Under hærdningen af de færdige emner skal man selvfølgelig være opmærksom på de generelle faktorer, som er gældende for hærdning af termohærdende fiberkompositter. De vigtigste er hærdetemperaturen og godstykkelsen. Ved hærdning af tykke emner skal man især være opmærksom på, at temperaturen inde i laminatet ikke bliver for høj, da hærdningen er en eksoterm proces. Temperaturen kan blive så høj, at resinen ødelægges, eller at komponenten ligefrem antændes. Desuden er der et særligt forhold ved vikling, som man skal være opmærksom på. Det er normalt praksis at lade emnerne rotere under hærdningen. Dermed forhindres det, at matrixmaterialet løber af eller samler sig forneden på emnerne. Men ved lange slanke emner er dornen slap, og nedbøjningen på midten bliver stor. Under rotationen vil fibermaterialet hele tiden blive deformeret, og resinen og fibre vil ikke blive holdt indbyrdes i ro under hærdningen. Dornen skal derfor enten parkeres vandret med understøtninger hen langs dornen, eller den skal parkeres lodret, men det er desuden nødvendigt at indpakke emnet for at forhindre resinen i at løbe af. Indpakningen kan ske ved med vikle-maskinen at vikle et bånd af plastfolie eller tætvævet klæde omkring emnet. Grundlæggende princip i vådvikling af termohærdende fiberkompositter AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 39

40 Geodætisk vikling Avancerede Kompositter Vikling er en gammel og velkendt teknik til fremstilling af emner i fiberkompositter. Metoden er ganske enkel. Fibermaterialet vikles om en dorn, der har den ønskede indvendige form for emnet. Ud fra dette udgangspunkt kan metoden varieres på en række måder. Blandt andet med hensyn til udgangsmateriale, opbygning af dorn, imprægnering af fibre og kombination af viklemønstre. Da grundprincippet i metoden er, at der vikles fibre om en dorn, er der grund til at se på, hvorledes dette kan gøres, og til det formål introduceres begrebet en geodætisk bane. Det er nok lettest at forstå meningen med dette udtryk ved at give nogle eksempler på emner og tilhørende geodætiske baner, som vist i tabellen nedenfor. Eksempler på emnegeometrier og tilhørende geodætiske baner Der er flere karakteristiske egenskaber ved geodætiske baner, der fremgår af disse eksempler. En geodætisk bane er altid en ret linie på den udfoldede flade, hvis fladen kan udfoldes (skruelinie på en cylinder). Den geodætiske bane følger den korteste vej mellem to punkter på banen (en ret linie på en plan flade, storcirkel på kugle). Af den sidste egenskab følger også, at en fiber, der følger en geodætisk bane på et emne, vil være stabil. Det vil sige, at der ikke vil være nogen tendens for fiberen til at skride til den ene eller anden side, efter at den er viklet på dornen. Det er denne egenskab, der gør, at man ofte vil vælge at udføre en vikleproces som et mønster af en eller flere geodætiske baner. Ulempen er, at valgmulighederne for fiberplacering og orientering er begrænsede. Har man valgt et startpunkt og en retning (viklevinkel), er resten af forløbet givet, som det fremgår af de ovennævnte eksempler. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 40

41 Vælger man at afvige fra en geodætisk bane under viklingen, må man enten basere sig på friktion mellem de påviklede fibre og underlaget, eller bruge mekaniske anordninger (tappe) for at sikre, at fibrene placeres i de ønskede baner. Ved brug af tappe eller lignende anordninger ændrer man på en måde emnet således, at viklingen kan følge en ny geodætisk bane på den modificerede dorn. Friktionen mellem emne og tråd vil altid tillade små afvigelser fra en geodætisk bane. Størrelsen af de tilladelige afvigelser afhænger af den friktionskraft, der er til rådighed, og den afhænger igen af friktions-koefficienten mellem tråd og emne og af den lokale krumning i påføringspunktet. Som yderpunkter kan nævnes: Vådvikling med en lille vinkel på en cylinder (stor stigning på skruelinie), hvor både krumning i påføringspunktet og friktionskoefficient er lille, hvorfor der stort set ikke kan afviges fra en geodætisk bane. Vikling med prepreg og med en vinkel nær 90 (omkredsviklinger) hvor både friktion og krumning er høj, hvorfor der uden problemer vil kunne ændres viklebane. I princippet kan man vikle om et vilkårligt emne, men metoden er mest brugt til emner med en naturlig akse. For eksempel rotationssymmetriske emner som beholdere, rør, master og lignende. Nedenstående eksempel er en beholder med halvkugleformede endebunde. På et sådant emne er det naturligt at tale om viklevinklen α, som på det cylindriske stykke er det samme som vinklen mellem tråden og emnets akse. Mere formelt udtrykt er viklevinklen i et punkt vinklen mellem tangenten til den geodætiske kurve i påføringspunktet og en linie, der fremkommer som skæring mellem tangentplanen i påføringspunktet og en plan, der indeholder emnets akse og påføringspunktet. Vikling på en beholder med halvkugleformede endebunde AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 41

42 Vikling med termohærdende prepreg Prepreg vikling kontra vådvikling I forhold til vådvikling har vikling med smalle prepreg bånd følgende fordele: Viklehastigheden kan være større, da der ikke er nogen fiberimprægnering involveret i processen, og da matrixmaterialet ikke slynges af dornen. Selv om materiale- og produktionsomkostningerne er større, og dermed indtjeningen mindre pr. komponent, kan den samlede indtjening pr. måned godt være større på grund af den øgede produktivitet under forudsætning af at alle producerede enheder kan afsættes. Materialekvaliteten er høj og ensartet, og der kan opnås et højt fiberindhold; selv på store emner med små viklevinkler. Fibrene er bedre beskyttet (af matrixmaterialet) mod skader under viklingen. Matrixtyper med gode højtemperaturegenskaber kan benyttes. Viklemønstret kan afvige fra de geodætiske linier, da prepreg båndet er klæbrigt. Det giver større designfrihed. Det er en renlig og materialebesparende proces, da dryp og spild undgås. Men der er selvfølgelig også nogle ulemper: Materialeprisen er højere. Prepreg skal normalt opbevares koldt for at have en acceptabel levetid, men der findes nyere systemer, som har en levetid på op til 1 år ved stuetemperatur. Der er begrænset udvalg af materialekombinationer, medmindre man fremstiller sin egen prepreg. Prepreg er mere stiv og uhåndterlig end uimprægnerede roving. Lokaliseret opvarmning af prepreg båndet kan være nødvendigt flere steder. For eksempel under afspoling, ved førerullen, og på selve emnet. Den lokaliserede opvarmning af prepregen på selve emnet foretages for at opnå en tæt sammenpakning af laminatet uden porøsitetsindhold. Varmehærdning i vakuumsæk eller i autoklave af komponenterne er altid krævet. Enten skal emnet overflyttes til en ovn eller en autoklave, eller også skal det vakuumindpakkede emne opvarmes, medens det sidder i viklemaskinen. (For selve autoklave- og vakuumhærdeprocesserne se foregående afsnit). Hvis emnets godstykkelse er stor, skal sammenpakningen af de påviklede lag foretages grundigt, for at sikre en kontrolleret fiberorientering i de yderste lag. Vakuummet eller autoklavetrykket vil presse de yderste fibre ind på en mindre diameter, og fibrene vil danne folder og bugter på overfladen, da de nu er for lange i forhold til den mindre diameter, de nu befinder sig på. En ofte anvendt metode til at sikre en god sammenpakning af lagene af prepreg er at foretage nogle mellemliggende procestrin med vakuumkonsolidering, hvor emnet for hver ca. 2-3 mm påviklet lagtykkelse indpakkes i en vakuumfolie og evakueres. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 42

43 Egnede materialer: Resin: Epoxy, polyester, vinylester, fenol mm. Fibre: Roving tråd og garn, diverse prepreg tapes. Kernemateriale: Skum typer kan anvendes. Fordele: Hastighed på maskine. Resin forbrug kan kontrolleres meget præcist. Lav materiale pris, da disse ikke skal forarbejdes til måtte eller væv. Gode strukturalle egenskaber da lige fibre kan lægges i komplicerede mønstre. Ulemper: Pris på viklemaskine og dorne. Forholdsvis svært at lægge fibrene 100% præcist i længde retningen. Begrænset til konvekse forme, medmindre man bruge speciel dorne. Synlig emneside er ikke kosmetisk pæn (ingen form overflade) Lav viskost resin bruges ofte med lavere mekaniske egenskaber til følge. Evt. ovne til hærdning hvor emnet kan rotere. Industrielle anvendelses områder: Kemikalie tanke, rør, tryktanke, aksler, master mm AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 43

44 Pultrudering. Pultrudering er en proces til kontinuerlig fremstilling af kompositprofiler med konstant tværsnit og med materialeegenskaber, der nøjagtigt er tilpasset anvendelsen. Metoden sikrer en konstant og reproducerbar kvalitet. Processen er i princippet enkel, og har i sin grundudformning været anvendt siden halvtredserne. Profilets aktuelle armeringssammensætning, dvs. type og antal af kontinuerte fibre samt type og dimension af komplekst væv og måtter arrangeres på et reolsystem på en sådan måde, at overskueligheden bliver bedst mulig. Det er således lettere at foretage visuel kontrol, når den styres på plads i profilet. En nøjagtig placering af fibre og måtter i forhold til profilets tværsnit er af stor betydning for det færdige produkts egenskaber og kvalitet. Når armeringen i tør tilstand er trukket ind i værktøjet, tilføres matrixen ved injektionsmetoden. Pultrudering ved injektion giver fordele med hensyn til styring og kontrol af armeringen, omstilling fra et profil til et andet kan foregå hurtigere, og matrixtypen kan let ændres undervejs i processen. Fibrenes imprægneringsgrad er en anden afgørende faktor for det færdige produkts egenskaber, og ved injektion, sikres altid den bedst mulige imprægnering. Injektionsmetoden giver en lukket proces som gør, at afdampning af opløsningsmidlerne fra matrixen er meget lav. Hermed sikres et godt arbejdsmiljø sammenlignet med traditionel pultrudering, hvor armeringen ledes gennem et åbent kar med matrix. Efter imprægnering af fibrene med den injicerede matrix føres den samlede pakke frem til næste zone i værktøjet, hvor opvarmning finder sted, og hvor hærdning af profilet fremskyndes. I den sidste del af værktøjet sker den endelige ud hærdning. Profilet er således fuldt ud hærdet og formstabilt, når det forlader værktøjet. Trækkraften til overvindelse af friktion i værktøjet og dermed drivkraften i processen leveres af aftrækkere placeret efter værktøjet. Aftrækning kan foregå enten ved hjælp af bælteaftrækkere eller reciprokerende aftrækkere. I processens sidste fase afkortes profilerne ved hjælp af en sav, der er monteret således, at den kan bevæge sig med samme hastighed som profilet trækkes ud af værktøjet. Herved sikres en kontinuerlig proces. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 44

45 Egnede materialer: Resin: Epoxy, polyester, vinylester og fenol. Fibre: Roving tråd/ garn, syede og vævede måtter. Kernemateriale: Bruges generelt ikke. Fordele: Processen kan kører hurtigt og er derfor rimelig økonomisk. Resin indholdet kan kontrolleres meget præcist. De strukturalle egenskaber er meget gode. Afdampning af skadelige stoffer er minimale. Ulemper: Emne typer er begrænset af proces metoden. Maskine prisen kan være meget høj. Opvarmede formværktøjer kan være meget dyre. Industrielle anvendelses områder: Bjælker og spær i diverse konstruktioner, broer, bærende konstruktioner. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 45

46 Laboratorietest og Holdbarhed: Råvare kontrol: En råvare kontrol er ofte en kontrol, der foretages, inden man accepterer modtagelse af varerne. Dvs. at man har transportøren/ lastbilen holdende og vente på at læsse af, derfor skal denne kontrol ikke tage flere dage. Det man er interesseret i at finde ud af, er om materialet lever op til de data man har oplyst fra producenten, i materiale databladet. Vi vil her kigge på to kontrol muligheder på en resin. - Viskositet - Gel tid. Viskositet. Er et andet ord for hvordan materialet/ væsken flyder ved en given temperatur, denne flydeevne måles i Cp (Centipoise) Viskositets målings apparat der forefindes på skolen. Man lægger en dråbe af resinen på pladen, indstiller den ønskede temperatur, starter maskinen og aflæser viskositeten. Denne viskositet kan man så sammenligne med den oplyste viskositet fra producenten. Disse viskositets målere skal selvfølgelig kalibreres med jævne mellemrum, dette kan gøres med en speciel olie, som man kender viskositeten på. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 46

47 Gel tid. For at foretage en gel tids måling er man nød til at blande resin og hærder efter producentens forskrifter, disse finder man i databladet. En passende mængde blandes og sættes i test apparatet. Gel tids måler der forefindes på skolen. Så snart resinen er blandet sættes prøven i apparatet og dette startes. Apparatet roterer en pind i resinen og når denne gelere stopper testen og tiden kan aflæses. Gel tids målere fås i mange forskellige modeller, skolens model er kun egnet til koldhærdende resiner. Skal man teste resiner, der kræver varme for at reagere, er det selvfølge nødvendig med et apparat der kan tilføre resinen varme under processen. Når disse to råvare kontroller er lavet og de målte parametre ligger indenfor producentens oplysninger, vil man som udgangspunkt, kunne acceptere modtagelse af varerne. Mange steder modtager man resin i tankvogn, altså tons af gangen, resinen pumpes i store tanke og produktionen forsynes direkte fra disse. Derfor er det af yderste vigtighed af resinen ikke er fejlbehæftet. Råvare kontrol er første skridt til emner af høj kvalitet. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 47

48 Egenskaberne for et laminat er bestemt af 4 ting. 1. Armeringsmaterialets egenskaber. 2. Resinens egenskaber. 3. Fiber indhold i laminatet. 4. Laminatets geometri og fiber orienteringen. For nem hedens skyld kigger vi her på UD laminater (fibre i en retning) Styk styrke. (Compression) Vist på ovenstående tegning, ser vi et laminat der trykkes sammen i fiber retningen, dvs. at fibernes styrke ikke har nogen betydning. Ved denne test er det udelukkende resinens stivhed og evne til at binde fibre sammen, der testes. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 48

49 Træk styrke. (Tension) Trækstyrken er afhængig af armeringsmaterialets evne til at udvide sig og dets styrke egenskaber. Trækstyrken i et laminat er mange gange højere end resin systemet selv. Resinen ødelægges før armeringsmaterialet trækkes over. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 49

50 E-modul. Elasticitetsmodul eller E-modul (også kendt som Youngs modul) er udtryk for et materiales evne til at modstå elastisk deformation under påvirkning af kræfter. Materialer med højt E-modul opleves som stive, idet de kun deformeres lidt under påvirkning og finder tilbage til den oprindelige form når belastningen ophører. E-modulet for et materiale kan beregnes, disse beregninger er meget komplekse, så derfor vil vi ikke komme nærmere ind på disse, udover at man kan finde oplysningerne i forskellige databaser. E-glas R-glas Kevlar Kulfiber Borfiber Fiberens rumvægt Kg/m³ 2,6 2,55 1,45 1,45-1,95 2,6 Fiberens E-modul N/mm² Fiberens volumenandel % Rumvægt af laminatet Kg/m³ 2,04 2,01 1,37 1,5 1,65 1,9 E-modul i fiber retningen (o ) N/mm² E-modul i 90 N/mm² Trækstyrke N/mm² Trykstyrke N/mm² Specifik trækstyrke Specifik E-modul = fiberretningen E-modulet er altså et udtryk for materialet stivhed pr. vægtenhed. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 50

51 Forskydnings styrke. (Shear) I et laminat, der udsættes for forskydnings kræfter, vil lagene af armeringsmateriale forsøge at flytte sig ift. hinanden. Her er resinens evne til at fordele kræfterne ud i laminatet af afgørende betydning. Derudover er evnen til at binde på armeringsmaterialet og/eller kernematerialet af stor betydning. Man arbejder med en størrelse, som man kalder ILSS (InterLaminar Shear Strength) ILSS har stor betydning for egenskaberne af et laminat. Ud bøjnings styrke. (Flexure) Ved en ud bøjnings test udsættes laminatet for de tre typer kræfter, som kan ses på ovenstående billede. På skolens laboratorium forefindes en testbænk, hvor på disse tests kan udføres. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 51

52 Slagfasthed. (Laminate Impact Strength) Et laminats evne til at modstå slag er afhængig af armeringsmaterialet, vævningen og tykkelsen af dette. Dette har stor betydning inden for de industrier, der ønsker så lette og stive komposit emner, som overhovedet muligt. Det ville jo være katastrofalt, hvis en kraftig haglbyge kunne slå hul i en komposit vinge. Eller ødelæggende for kampen om første pladsen, hvis en formel 1 racer skulle tage ekstra pit stop, for at skifte ødelagte dele pga. gummi rester eller små sten på banen. Derfor kombinere man ofte armeringsmaterialer eller bruger hybrid måtter i sådanne laminater. Nedenstående skema viser i grove træk slagfastheden på forskellige armeringsmaterialer. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 52

53 Temperatur bestandighed. Et laminats evne til at forblive i sin geometri, ikke delaminerer eller på anden måde blive ødelagt af varme påvirkning også kaldet blødgørings temperatur eller HDT. HDT = Heat Distortion Temperature. Her er armeringsmateriale typen uden betydning, da de skal op på meget høje temperaturer for at blive nedbrudt. Hvis laminatet indeholder et kernemateriale, skal man være opmærksom på, at dette kan have en noget lavere HDT end den brugte resin. Der findes et utal af forskellige resiner og det vil være en umulig opgave at beskrive dem alle her, men som udgangspunkt kan vi alligevel dele dem groft ind. Polyester HDT o C. Vinylester HDT o C. Epoxy HDT o C. Man vil kunne finde Epoxy og hybrid resiner med væsentlig højere HDT. En tommelfinger regler er, at jo højere HDT, jo dyrere materiale. Hvilke temperaturer, skal emner virke under, bestemmer hvilken type resin og evt. kernemateriale, man kan bruge til emnet. Blødgørings temperaturen kan findes i materiale databladet fra producenten. AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 53

54 Udvidelses koefficienter. Alle materialer har forskellig termisk udvidelseskoefficient. Når materialer opvarmes eller nedkøles udvider eller trækker de sig sammen. Den totale udvidelse er bestemt af % indhold af materialer. Materiale tabeller viser sædvanligvis lineær termisk udvidelse. F.eks. Aluminium CTE = 22.5 x10-6 mm/mm/ K Det betyder at 1 K (= 1 C ) temp. stigning vil give en forlængelse på 22.5 x10-6 Forlængelsen på 1mm pr º C = 0, mm For en 40m lang ubelastet aluminium dorn opvarmet fra 20 til 80 C vil længde ændringen være: 22.5 x10-6 x (80-20) x 40 x 1000 mm = 54.0 mm Videre opvarmning fra C Længde ændring 22.5 x10-6 x (115-80) x x 1000 mm = 31.5 mm +/-45 Epoxy-glass 0deg 0/90 Epoxy-glass 0deg UD Epoxy-glass 90deg UD Epoxy-glass 0deg +/-45 Epoxy-Carbon 0deg 0/90 Epoxy-Carbon 0deg UD Epoxy-Carbon 90deg UD Epoxy-Carbon 0deg Cured Epoxy Resin Carbon Fibre Glass Fibre Steel Aluminium Kun fibre Glass Laminate Carbon Laminate Thermal Expansion / mm/mm/k (x 10^-6) AMU-Syd Hærdeplastafdelingen Ribe 54