Avancerede fiberkompositter

Transkript

1 Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus F4 Avancerede fiberkompositter Fremstilling og ikke-destruktive undersøgelser Aage Lystrup Forskningscenter Risø Bjørn s. Johansen Forskningscenter Risø Hans Erik Gundtoft Forskningscenter Risø Kaj K. Borum Forskningscenter Risø Kursusmateriale udviklet under lov 271 om efteruddannelse i et samarbejde mellem: Danmarks Ingeniørakademi, Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter Risø 1994

2 Avancerede fiberkompositter Fremstilling og ikke-destruktive undersøgelser 1. udgave, 1. oplag 1994 Undervisningsministeriet - Lov 271 Grafisk design: Grethe Jensen og Inger Vedel, DTI Grafik Sats: Repro-Sats Nord, Skagen Tryk: Omslag: Reproset, København Indho~d: DTI Tryk, Taastrup Dansk Teknologisk Institut Forlaget ISBN Kopiering i uddrag er tilladt med kildeangivelse

3 Avancerede fiberkornpositter Frern.stilling og ikke-destruktive undersøgelser Forord 7 Forord til F Indledning Avancerede fiberkompositter. Definition og egenskaber Eksempler på anvendelse af avancerede fiberkompositter Fremstilling Indledning til fremstilling Fibermaterialer og halvfabrikata Termohærdende og termoplastiske matrixmaterialer Autoklaveproces Autoklaver Autoklaveprocessens fordele og ulemper Autoklavehærdning af termohærdende fiberkompositter Prepreg og vådoplæg Procesparametre Processtyring og kontrol Aotuklavekonsolidering af termoplastiske fiberkomposittter Prepreg og postpreg Procesparametre Vakuumsækhærdning Vakuumsækhærdning kontra autoklavehærdning Procesparametre og udstyr Vikling Geodætisk vikling Geometri for geodætisk vikling " Beregning af geodætiske viklinger Viklemaskiner Vikledome

4 Vådvikling af termohærdende fiberkompositter Grundlæggende princip Trådspænding i fibrene under vikling Vædning af fibrene Viklehastighed Slækoptag og føreøje. 77 Hærdning af viklede emner Prepregvikling af termohærdende fiberkompositter Prepregvikling kontra vådvikling Vikling af termoplastiske fiberkompositter Grundlæggende princip In-situ konsolidering Ovnvikling Rumtemperaturvikling Profiltrækning Grundlæggende princip Profilgeometri Fibermaterialer Matrixmaterialer 97 Matriceværktøj og procesparametre Matrixinjicering. 99 Grundlæggende princip Matrixinjicering kontra håndoplægning Procesparametre ~ Fibermaterialer 103 Matrixmaterialer 104 Formværktøj Ikke-destruktive undersøgelser af fiberkompositter NDT-metoder der ikke er baseret på puls.ekko ultralyd Visuel inspektion Radiografi " Termografi Holografi Coin tapping Hvirvelstrøm Akustisk emission

5 3.2 Ultralyd til ikke-destruktive undersøgelser Ultralydteori Ultralydtransducere Ultralydapparater Puls-ekko teknik Through-transmission Udførelse Præsentation, evaluering og kalibrering Eksempler på ultralydscanning Delamineringer Porøsiteter Afstande (tykkelser/lydhastighed) Matrixindhold Fiberorientering Homogenitet Impact-skader under brug Sammenfatning Fordele og ulemper ved forskellige ultralydteknikker Kildereferencer og supplerende litteratur Kildereferencer Supplerende litteratur Bøger og artikler Tidsskrifter Stikord

6

7 Forord Denne lærebog indgår i et omfattende, modulopbygget system af efteruddannelseskurser,»efteruddannelse i Materialeteknologi«, som har til formål at ruste dansk erhvervsliv til at arbejde optimalt med såvel nye som kendte materialetyper. Systemet dækker således alle materialetyper fra støbejern, stål, rustfrit stål, aluminium og diverse metallegeringer over plast, fiberforstærket plast og sandwichmaterialer til keramiske og pulvermetallurgiskematerialer. For hver materialetype vil der være kurser i relevante emner som grundlæggende materialekendskab, materialevalg, forarbejdning og konstruktion, nedbrydningsformer og tilstandskontrol. Tanken med det modulopbyggede efteruddannelsessystem er, at virksomheder - eller enkeltpersoner - har mulighed for at sammensætte et kursusforløb, som er tilpasset det aktuelle behov, hvad enten det drejer sig om at gå i dybden med et materialeområde, eller man ønsker at udvide sine kvalifikationer til flere materialetyper f.eks. inden for et emne som forarbejdningsprocesser. Det er naturligvis vores håb, at denne lærebog enten i forbindelse med det pågældende kursus - eller ved selvstudium - vil være et godt bidrag til en sådan opgradering af kvalifikationerne hos den enkelte. For at bogen kan tjene både som kursusmateriale, opslagsbog og kilde til supplerende viden, er den forsynet med mange figurer, der underbygger teksten, samt margentekster og indeks, der letter opslag. I forbindelse med kurser vil bogen blive ledsaget af en arbejdsmappe indeholdende supplerende materialer, øvelsesvejledninger og opgaver. Kurserne er udviklet i et konsortium bestående af Danmarks Ingeniørakademi (maskinafdelingen), Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter RISØ samt en række danske virksomheder. En række medarbejdere i virksomhederne har bidraget til udviklingsarbejdet i form af klarlægning af behov og løbende vurdering af materialet ved deltagelse i følgegrupper. -Udviklingsarbejdet er foretaget 7

8 med støtte fra Undervisningsministeriet (Lov Lov om Efteruddannelse), og herunder har Indsatsgruppen for Materialeteknologi samt de tilknyttede referees ligeledes ydet en god indsats med henblik på afstemning mellem erhvervslivets behov og materialets indhold. Taastrup, december 1993 På konsortiets vegne Lorens P. Sibbesen (projektadministrator) 8

9 Forord tii F4 Denne bog er udarbejdet til brug for undervisning i kursusmodulet Avancerede fiberkompositter - Fremstilling og ikkedestruktive undersøgelser. Bogen og kurset henvender sig til alle, der ønsker at opbygge eller udbygge grundlæggende kendskab til fremstilling, anvendelse og kontrol af plastbaserede fiberkompositter; specielt fiberkompositter som har et højt indhold af kontinuerte fibre med en kontrolleret og ordnet fiberorientering. Noget kendskab til plast og plastbaserede fiberkompositter giver et større udbytte af bogen og kurset. Efter en kort introduktion af de avancerede fiberkompositters egenskaber og anvendelse gives en grundig gennemgang af de mest anvendte metoder, til fremstilling af avancerede plastbaserede fiberkompositter. Ved gennemgangen lægges der vægt på procesudstyr, procesparametre og deres indflydelse på materialekvaliteten i de færdige emner. Bogen omhandler såvel processer til fremstillet af fiberforstærket hærdeplast som processer til fremstilling af de nyeste fiberforstærkede termoplast. Følgende processer er behandlet: Autoklavehærdning af termohærdende fiberkompositter Autoklavekonsolidering af termoplastiske fiberkompositter Vakuumsækhærdning Vikling. Computerberegning af viklemønstre Vådvikling af termohærdende fiberkompositter Vikling af termoplastiske fiberkompositter Profiltrækning Matrixinjicering Bogens sidste kapitel beskriver ikke-destruktive undersøgelser af fiberkompositter. Efter en kort gennemgang af forskellige ikke-destruktive metoder, deres fordele og ulemper set i relation til fiberkompositter, gives en grundig gennemgang af ikke-destruktive undersøgelser med ultralyd. Ultralydteori, -udstyr og -teknikker samt de typer af fejl og skader, der kan detekteres, behandles. 9

10 Bogen indeholder 85 illustrationer, 56litteraturreferencer samt en liste over supplerende litteratur og relevante tidsskrifter. Det er vores håb at bogen vil bidrage til at fremme anvendelsen og højne kvaliteten af avancerede fiberkompositter i Danmark. Roskilde, december Aage Lystrup Bjørn S. Johansen Hans Erik Gundtoft Kaj K. Borum 10

11 Indledning 1 Generelt kan kompositmaterialer defineres som materialer der er sammensat af to eller flere forskellige materialer. Materialer, som består af fibre, partikler eller flager i en grundmasse, også kaldet matrix, er således formelt alle kompositmaterialer. Normalt benyttes betegnelsen kompositmaterialer dog kun for de materialer, som består af fibre i en matrix. I tvivlstilfælde eller steder, hvor en præcisering er ønskelig, anvendes også betegnelsen fiberkompositter. Fiberkompositter Avancerede fiberkompositter. Definition og 1.1 egenskaber De fiberkompositter, som har et højt indhold af stive, stærke og lange fibre, som er retningsorienteret i en eller flere retninger kaldes også for avancerede fiberkompositter. I avancerede fiberkompositter er følgende egenskaber altså opfyldt samtidigt: Avancerede fiberkompositter Stive eller stærke fibre Mange fibre Kontinuerte eller lange fibre Retningsorienterede fibre En meget stor gruppe af kompositmaterialer har et matrixmateriale af plast, og denne gruppe kaldes naturligt nok for plastbaserede kompositmaterialer; eller mere almindeligt for fiberforstærket plast. Tidligere anvendtes udelukkende termohærdende plast som matrixmateriale for de avancerede plastbaserede fiberkompositter, men udviklingen går i retning af anvendelsen af termoplastiske matrixmaterialer; blandt andet dikteret af et ønske om hurtigere processer, øget mulighed for genanvendelse af materialerne, og en forbedring af arbejdsmiljøet. Plastbaserede fiberkompositter 11

12 Attraktive egenskaber De avancerede plastbaserede kompositmaterialer har en række egenskaber som gør dem attraktive til mange anvendelser. Blandt egenskaberne kan nævnes: Stor specifik stivhed Høj specifik styrke Lav termisk udvidelse Svingningsdæmpende Stor elastisk tøjning God korrosionsbestandighed Lav røntgenabsorption Elektrisk isolerende Langsom nedbrydning under udmattelsespåvirkning Designede mekaniske og fysiske egenskaber Komplicerede former kan fremstilles i få dele Alle egenskaberne kan ikke opnås samtidig. Egenskaberne afhænger blandt andet af hvilken type fibre og matrixmateriale, der anvendes, og hvorledes fibrene er placeret. Der må derfor foretages et materialedesign til hver individuelle komponent og anvendelse. Stor specifik stivhed og stor specifik styrke De mest attraktive egenskaber af de avancerede plastbaserede fiberkompositter er materialerne's store specifikke stivhed og store specifikke styrke; det vil sige stor stivhed, stor styrke og lav vægt. I tabel 1.1 er nogle få mekaniske egenskaber for typiske fibre og tilhørende plastbaserede kompositmaterialer sammenlignet med nogle få konventionelle materialer. Værdierne, som er vist, gælder i fiberretningen for de rene fibre, i fiberretningen for en fiber/ epoxy-komposit med ensrettede fibre og et fiberindhold på 60 vol-%, og endelig i alle retninger (i planet) for en quasi-isotropisk fiber/ epoxy-komposit ligeledes med et fiberindhold på 60 vol-%. Et quasi-isotropisk kompositmateriale har i planet samme egenskaber i alle retninger, og kan for eksempel være opbygget som et laminat med fiberorienteringerne [0 / +45 / -45 /90 ]5. Det man specielt skal lægge mærke til er, at både den specifikke stivhed og den specifikke styrke for henholdsvis stål, aluminium og træ stort set er ens, hvorimod tilsvarende værdier for de ensrettede fiberkompositter kan være 7-9 gange større. Hvis der 12

13 Tabel 1.1 Sammenligning af stivhed, styrke og massefylde for nogle fibre, fiberkompositter og konventionelle materialer. Egenskaberne for kompositmaterialerne gælder for et fiberindhold på 60 vol-% (Ref.1-4) Materiale Massefylde Stivhed Styrke Specifik stivhed Specifik styrke [ GPa ] [MPa] [g/cm 3 ] [GPa] [MPa] g/cm 3 g/cm 3 Glasfiber (E-glas) 2, Ensrettet komposit 2, Quasi-isotropisk 2, Glasfiber (S-glas) 2, Ensrettet komposit 1, Quasi-isotropisk 1, Kulfiber (T-300) 1, Ensrettet komposit 1, Quasi-isotropisk 1, Kulfiber (IM8) 1, Ensrettet komposit 1, Quasi-isotropisk 1, Kulfiber (P-120S) 2, Ensrettet komposit 1, Quasi-isotropisk 1, Aramidfiber (Kevlar 49) 1, Ensrettet komposit 1, Quasi-isotropisk 1, Stål 7, Aluminium 2, Træ (på langs ad åre) 0, er behov for at udnytte et materiales stivhed og styrke i alle retninger er det mere retfærdig at sammenligne de konventionelle isotropiske materialer med de quasi-isotropiske fiberkompositter. I så tilfælde kan kompositmaterialerne kun opnå specifikke stivheder og styrker, som er ca. 3 gange større end de tilsvarende værdierne for stål og aluminium. Den store forskel i materialernes specifikke stivhed og specifikke styrker er også illustreret i figur

14 Figur 1.1 Sammenhørende værdier af specifik stivhed og specifik styrke for forskellige ensrettede og quasiisotropiske plastbaserede kompositmaterialer med et fiberindhold på 60 vol-%. 0 =Ensrettede fiberkompositter; Q9 = Quasi-isotropiske fiberkompositter. Til sammenligning er også vist værdierne for henholdsvis stål, aluminium og træ (Ref. 2) MPa glcm ~ 600 >. +-' ~ 400 ~.~ 200 Q. Vl Kulfiber 1MB Kulfiber P-120S Specifik stivhed GPa glcm Eksempler på anvendelse af avancerede fiberkompositter Udviklingen og brugen af avancerede fiberkompositter startede omkring (Ref. 5) inden for rumfarts-, luftfartsog militærindustrien. Det er stadig inden for disse sektorer materialerne benyttes mest, men efterhånden som materialepriserne falder, materialedata og designkriterier bliver tilgængelige og fremstillingsprocesserne bliver hurtigere spreder anvendelsen sig til andre områder. Dette er illustreret ved en række eksempler (Ref. 3): 14

15 Figur 1.2 Parabolantenne til Voyagersatellit. Materiale: Kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Let pga høj specifik stivhed. Lav termisk udvidelse. Kulfibre har en negativ termisk længdeudvidelseskoefficient. Ved passende opbygning af laminatet kan parabolantennen opnå en udvidelseskoefficient på nul, dvs opretholde sin geometri, hvad enten den befinder sig i solen eller i skyggen. Kilde: Fiberite, USA Figur 1.3 Lasteluger. 2 af de 8 lasteluger til Columbus-rumfærgen. Materiale: Kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Let pga høj specifik stivhed. Kilde: Fiberite, USA Figur 1.4 Haleror. F-16-fly med haleror og sideror af fiberkomposit. Materiale: Kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Let pga høj specifik styrke og stivhed. Som eksempel kan nævnes, at British Aerospace har fremstillet vinger til et Jaguar-jagerfly og opnået en vægtbesparelse på 13% 15

16 Figur 1.5 Bladfjedre. øverst i stål, nederst i komposit. Materiale: Kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: pga den høje specifikke stivhed vejer kompositfjederen kun ca. 1/4 af, hvad stålfjederen vejer. Kilde: European Chapter Meeting of SAMPE, Nov 1981 Figur 1.6 Vindmøllevinger. Materiale: Glasfiberforstærket polyester. Egenskab: Gode udmatteisesegenskaber. Skadeudviklingen sker meget langsomt. Det er billigt at fremstille aerodynamisk optimal profil og overflade. Kilde: Prøvestationen for vindmøller, Risø. Figur 1.7 Trykbeholder til fx lagring af bremsenergi på køretøjer. Materiale: Glasfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Lav vægt pga høj specifik styrke. En kompositbeholder vejer mellem en trediedel og halvdelen af en stålbeholder afhængig af fibertypen. Ved overbelastning bliver en kompositbeholder utæt før brud, hvilket er en ekstra sikkerhedsfaktor. Kilde: Afdelingen for Materialeforskning, Risø 16

17 Figur 1.8 Ski og skistave. Materiale: Skistavene er lavet af kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Pga høj specifik styrke og stivhed er de lettere end konventionelle stave: 140 g mod normalt 240 g. Kilde: Exel, Finland Figur 1.9 Måleværktøj og borelærer. Materiale: Kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Dimensionsstabil ved varierende tempeatur pga meget lav (eller nul) varmeudvidelseskoefficient. Let at håndtere. Kilde: MBB, Tyskland 17

18 Figur 1.10 Patientbord til røntgenundersøgelse med en CT-skanner. Materiale: Kulfiberforstærket epoxyplast. Egenskab: Lav røntgenabsorption giver bedre billedopløsning. Røntgenabsorptionen af kulfiberforstærket epoxyplast er ca 6 gange mindre end af aluminium. Kilde: Cyanamid and Fothergill, England Figur 1.11 Fyrtårn. 3 m i diameter og 46 m højt. Materiale: Glasfiberforstærket polyester. Egenskab: Korrosionsbestandigt. Lave vedligeholdelsesomkostninger. Svingningsdæmpende laminatopbygning. Kilde: Deutsche Geratebau GmbH, Tyskland 18

19 FrernstiIIing 2 Indledning til fremstilling 2.1 Under konstruktion og design af fiberkompositkomponenter fastlægges krav og ønsker til: Matrixmateriale Fibertype Fiberandel Fiberorientering Geometrisk udformning Antal Når de nævnte parametre er fastlagt, skal der vælges en proces, som er velegnet til fremstilling af komponenten. Skønt der findes mange forskellige processer, hver i flere varianter, til fremstilling af avancerede fiberkompositter, er det ikke altid, at der eksisterer en proces, som umiddelbart kan anvendes til den givne komponent. Enten må eksisterende processer modificeres, nye udvikles, eller der må foretages et re-design eller omvurdering af kravene til komponenten. Denne vekselvirkning mellem konstruktion, design og fremstilling er meget karakteristisk for udvikling af komponenter i kompositmaterialer, og der stilles derfor store krav til en samlet og koordineret viden på disse områder. Ligesom konstruktøren må have et overordnet kendskab til hvilke materialetyper, der findes på markedet, og til de forskellige fremstillingsprocessers muligheder og begrænsninger, skal producenten være opmærksom på, at samtidig med at komponenten får sin ydre form, dannes materialets mekaniske, fysiske og kemiske egenskaber via den indre fiberstruktur og procesbetingelserne.. Fibermaterialer og halvfabrikata De fiberprodukter og halvfabrikata, der anvendes til fremstilling af avancerede fiberkompositter, er under fortsat udvikling, og der kommer stadig nye typer til. Produkterne findes 19

20 i mange varianter med en-, to- og tre-dimensionale fiberstrukturer, og med og uden matrixmateriale tilsat i forskellig form (Ref. 3). De rene fiberprodukter kan typisk være: Fiberprodukter Roving (ensrettede kontinuerte fibre) Bånd (overvejende ensrettede fibre) Vævet klæde (af roving) Fiberpreforms (vævet, flettet, strikket eller sammensyet tredimensional fiberstruktur) De halvfabrikata, hvor matrixmaterialet allerede er tilsat fibrene, fås som: Prepreg og postpreg Prepreg (fibre som allerede er vædet med matrix; preimpregnated) Fibre + matrixfolie Fibre + matrixfibre Fibre + matrixpulver De tre sidstnævnte kategorier anvendes hovedsageligt i forbindelse med termoplastiske matrixmaterialer. Gruppen kaldes under et for postpreg, da fibrene endnu ikke er vædet med matrixmaterialet. Det bliver de først i en efterfølgende proces. Fiberarrangementer med tilfældigt orienterede fibre anvendes ikke til avancerede kompositmaterialer, idet det ikke er muligt at opnå et højt indhold af fibre. Fibrene skal være velorienteret og arrangeret i et ordnet mønstre for at kunne pakkes tæt sammen. Det fiberindhold og tilhørende mekaniske egenskaber der kan opnås ved anvendelse af forskellige fiberarrangementer er illustreret i figur 2.1, hvor glasfiber i en polyestermatrix er taget som eksempel. Fiberindholdet og tilhørende egenskaber for et givet fiberarrangement kan, afhængig af den valgte procesteknologi, variere inden for de viste intervaller. 20

21 GPa MPa Figur Kontinuerte 900 ensrettede rovings 800 Ensrettet 700 roving-væv 600 Opnåelige fiberindhold og tilhørende mekaniske egenskaber for forskellige fiberarrangementer (Ref.6) Balanceret roving-væ Q) ~ ~ ~ 100 ~ ~ o Glasfiberindhold I I I I I I o Glasfiberindhold æ~ ~ vol-% I 60 I 70 I 80 I 90 vægt-% Termohærdende og termoplastiske matrixmaterialer For at tilvejebringe kompositmaterialer med gode mekaniske egenskaber er det vigtigt, at der etableres en god binding mellem fibre og matrixmateriale. En god og komplet binding mellem matrix og de individuelle fibre opnås lettest, hvis matrixmaterialet er lavviskøst i imprægneringsfasen. En tyndtflydende matrix har lettere ved at gennemtrænge en tætpakket fiberstruktur og sikre, at alle fibrene bliver vædet og omsluttet af matrixen. Binding mellem fibre og matrixmateriale De termohærdende plastmaterialer har i mange år domineret som matrixmateriale for de avancerede fiberkompositter på grund af deres lave viskositet før hærdning og krydsbinding af molekylestrukturen, men metoder til fremstilling af avancerede plastbaserede fiberkompositter med termoplastisk matrix er under hastig udvikling. Termoplast har i mange år været benyttet som matrixmateriale for fiberkompositter i forbindelse med sprøjtestøbning af emner med korte tilfældigt orienterede fibre, men anvendelsen af termoplast til avancerede fiberkompositter er først begyndt omkring Udviklingen er startet inden for den 21

22 højteknologiske sektor, men materialerne er så småt ved at vinde indpas i andre sektorer. Det forudses, at de avancerede termoplastiske fiberkompositter i nær fremtid på mange områder vil komme til at erstatte både de termohærdende kompositmaterialer og de konventionelle materialer som stål og aluminium. Årsagen til dette er, at følgende attraktive egenskaber kan opnås (Ref. 6-7): Fordele ved termoplastiske fiberkompositter Større slag- og brudsejhed Mindre fugtfølsomt Højere anvendelsestemperatur Hurtigere processer; termoformning er af natur hurtigere end hærdning Mulighed for efterformgivning Ubegrænset lagertid uden nedkøling af råvarer og halvfabrikata Reduceret spild da emner med fejl kan re-processes Overskudsmateriale kan anvendes i andre processer Mulighed for genanvendelse Forbedret arbejdsmiljø Man må dog ikke overse følgende potentielle ulemper ved de termoplastiske fiberkompositter: Ulemper ved termoplastiske fiberkompositter Amorfe termoplastiske polymeer er følsomme over for opløsningsmidler Prepreg er stive og ikke-klæbrige, og dermed vanskelige at håndtere i visse processer Postpreg stiller større krav til procesbetingelserne Hvis der ønskes anvendelsestemperaturer over 150 C betyder det at proces- temperaturen ofte er C De mest anvendte termoplasttyper er stadig dyrere end for eksempel epoxy Fremsti IIingsprocesser Der findes ingen entydig opdeling af de processer som anvendes til fremstilling af avancerede fiberkompositter. De kan opdeles efter, hvorledes fibermaterialerne håndteres og placeres, efter hvorledes matrixmaterialet tilføres, eller efter ved hvilken temperatur og eventuel tryk processen foregår. 22

23 Ved oplægning, som enten kan være maskinel eller manuel, opbygges komponenten ved at flere lag af fibre placeres oven på hinanden i et formværktøj. Metoden er velegnet til fremstilling af komplicerede former og komponenter med varierende godstykkelse. Ved vikling opbygges komponenten ved at rovings eller tape vikles omkring en dorn. Metoden er velegnet til fremstilling af beholdere og lukkede profiler med konveks overflade. Ved profiltrækning opbygges komponenten ved at fibermaterialet trækkes igennem et formværktøj, som danner profilen. Metoden er velegnet til fremstilling af kontinuerte profiler med konstant tværsnit. Ved envåd proces tilføres matrixen i flydende tilstand umiddelbart før eller samtidig med at fibrene placeres i formværktøjet, vikles på dornen eller trækkes igennem profilværktøjet. Ved en lukket proces placeres tørre uimprægnerede fibre i et lukket formhulrum. Derefter suges eller presses den flydende plast ind imellem fibrene og væder disse. Dette kan også foregå kontinuert i forbindelse med profiltrækning. Ved en tør proces placeres både fibre og matrixmateriale i formen, vikles på dornen eller trækkes igennem profilværktøjet, og en efterfølgende procescyklus (temperatur og tryk) danner komponenten. Matrixmaterialet kan enten være en termohærdende plast eller en termoplastisk plast. Hvis der anvendes en termohærdende matrix er den i en "halvfast" let klæbrig tilstand ved rumtemperatur. Uanset hvilken proces, halvfabrikat og matrixtype, der anvendes, skal man ved design af emnegeometri og procesudstyr være opmærksom på, at mange af fibrene vil knække, hvis de presses ned i et formværktøj med for skarpe kanter og hjørner, eller hvis de føres over ruller og trisser med for lille radius. Det virker umiddelbart overraskende, at fibre som kun er ca. 10 J.lm i diameter kan knække blot ved at blive bøjet over kanter eller lignende, men det skyldes, at selve fibrene er meget stive. I tabel 2.1 (Ref. 3) er angivet hvilke krumningsradier, ~in' der vil føre til brud af forskellige typer fibre. Det ses at man skal være særlig opmærksom ved anvendelse af de meget stive fibre (kul P120S) eller de meget tykke fibre (Bor Textron og SiC SIGMA). For at undgå for sto- Oplægning Vikling Profiltrækning Våd proces Lukket proces Tør proces Fibres minimale krumningsradius 23

24 re indre spændinger i fibrene i de færdige komponenter anbefales det, at alle hjørner og kanter i formværktøjet udformes med en krumningsradius, som er større end 10 X ~in. Tabel 2.1 Krumningsradius som fører til brud af forskellige fibertyper Fiber Diameter Stivhed Styrke Krumningsd E (T radius [Jlm] [GPa] [MPa] R min [mm] Glas E ,10 Kul T ,23 Kul P120S ,8 AramidK ,20 ca. 700* ca. 1,0* Polyetylen Spectra ,84 Bor Textron ,6 SiC SIGMA ,3 SiC Nicalon ,71 Al ex FP ,7 * Aramid K49 deformeres i tryk ved meget lavere spænding. Mest anvendte processer Nogle af de metoder, der har vundet stor udbredelse til fremstilling af avancerede fiberkompositter, er autoklavehærdning, vakuumsækhærdning, autoklavekonsolidering, vikling, profiltrækning og matrixinjicering. Ikke alle metoderne er velegnet (økonomisk) til massefabrikation af kommercielle produkter, men en gennemgang af metoderne og tilhørende udstyr vil give en grundlæggende forståelse af principperne i fremstilling af fiberkompositkomponenter Autoklaveproces Autoklaver En autoklave er et procesudstyr som har et kammer, hvori der kan etableres tryk og varme samtidigt. I autoklaver, som anvendes til fremstilling af fiberkompositter, er det desuden 24

25 muligt at evakuere selve emnet. I forbindelse med fremstilling af emner af kompositmaterialer anvendes autoklaver både til formgivning og hærdning af emner fremstillet ud fra termohærdende prepreg, og til formgivning og konsolidering af emner fremstillet ud fra termoplastiske prepreg eller andre former for termoplastiske halvfabrikata. Moderne autoklaver, som anvendes til fremstilling af højtemperatur termoplastiske fiberkompositter, skal kunne operere med tryk og temperaturer på op til henholdsvis 2 MPa (20 bar) og 450 C. Til hærdning af termohærdende prepreg er kravene noget mindre. Her er tryk- og temperaturniveauerne på henholdsvis 1 MPa og 250 C tilstrækkeligt. Størrelsen af autoklaven sætter selvsagt begrænsningen på hvor store emner, der kan fremstilles ved denne teknik. De største autoklaver, som findes i dag er op til 7,6 m i diameter og 27 m lange (Ref. 8). De anvendes hovedsageligt til fremstilling af komponenter til flyindustrien. Figur 2.2 Stor autoklave installeret hos BP Chemicals Advanced Materiais, Bristo!. Autoklaven er 5,8 m i diameter og 14,3 m lang (Ref. 9) Autoklaverne tryksættes med komprimeret atmosfærisk luft, nitrogen eller kuldioxid. Atmosfærisk luft anvendes kun ved lave procestemperaturer (under 150 C), hvor der er ringe risiko for antændelse eller oxidering af de materialer, der indgår i processen. Opvarmningen af proceskammeret på mindre autoklaver foregår med elektriske varmelegemer, og på større autoklaver Tryksætning Opvarmning 25

26 Figur 2.3 Moderne computerstyret autoklave installeret på Forskningscenter Risø. Autoklavens arbejdsrum er 0,8 m i diameter og 1,5 m langt. Den kan gå op til 2,0 MPa i tryk og 530 e i temperatur foregår det med gasfyring via en varmeveksler, idet omkostningerne ved elektrisk opvarmning på store autoklaver er for store (Ref. 1). For at få en hurtig opvarmning og en jævn temperaturfordeling i proceskammeret og i emnerne er det nødvendigt med en kraftig cirkulation af luftarten forbi varmelegemer, varmeveksler og emner. Varmluftcirkulationen etableres af en indvendigt monteret ventilator. Køling Evakuering Moderne autoklaver er også monteret med kølesystem. Dels for at forkorte procestiden, og dels for at kunne kontrollere emnernes afkølingshastighed. Det sidste har betydning for materialeegenskaberne af de termoplastiske kompositmaterialer. Kølesystemet består ofte af en indvendigt monteret varmeveksler, hvorigennem der ledes kølevand. Med til autoklavefremstilling af fiberkompositter hører også at selve emnerne skal kunne evakueres under procesforløbet. Autoklaver er derfor også forsynet med vakuumpumpe, vakuumbeholder og fleksible vakuumforbindelser fra autoklavens ydervæg til emnerne. 26

27 Varmelegme eirkulationskanai Luftcirkulation Varmelegme Termoelement Emne Figur 2.4 Principskitse af autoklave. Længde- og tværsnit i Vakuumforbindelse Autoklaveprocessens fordele og ulemper Autoklaveprocessen kan karakteriseres som en meget alsidig men langsom proces, hvor procesudstyret er relativt dyrt. Fordelen ved processen er, at der fremstilles emner af meget høj og ensartet kvalitet, specielt fordi procestrykket let kan kontrolleres og styres, og fordi metoden sikre en ensartet trykfordeling; også på emner med kompleks geometrisk udformning. Processen er derfor især udbredt inden for rumog luftfartsindustrien, anden højteknologisk industri, og i forsøgs- og udviklingsarbejde til undersøgelse af nye materialer og karakterisering af optimale procesbetingelser. Autoklavehærdning af termohærdende fiber- 2.3 kompositter. Prepreg og vådoplæg Tynde lag af forimprægnerede fibre stables med skiftende fiberorientering for at danne det ønskede laminat, som illustreret i figur 2.5. Prepreg er den type halvfabrikata, som anvendes mest i forbindelse med autoklavehærdning, men der er intet til hindre for, at et vådoplagt laminat, hvor fiberlagene påføres matrix- 27

28 Lamina + Lamina Figur 2.5 Et laminat er opbygget af lamina med forskellige fiberorienteringer. Et lamina er et lag med ensrettede fibre ~ Lamina + ~ Lamina + ~ Lamina + m6jejjijø Lamina ~ Lamina l Laminat + + materiale efterhånden som de placeres i formen, også kan formes, sammenpresses og hærdes ved en autoklaveproces. Brede, 0,125 mm tynde prepreg-folier med ensrettede fibre har vundet stor udbredelse, da de giver konstruktøren stor frihed til at vælge fiberorienteringer og godstykkel~esvariationer i det oplagte laminat. Ved fremstilling af emner med stor godstykkelse er det dog mere almindeligt at anvende ensrettede prepreg med større tykkelse, eller prepreg fremstillet af vævet rovings, for at nedsætte arbejdsindsatsen i forbindelse med selve oplægningen af laminatet. Opbevaring af prepreg Prepreg, som opbevares ved rumtemperatur, har en lagertid (levetid) på 1-2 måneder. Hvis materialet opbevares ved -18 C, forlænges lagertiden til 6-12 måneder. Prepreg- materiale, som opbevares køligt, skal emballagers i en tæt forseglet indpakning, og når materialet skal anvendes, skal det 28

29 bringes op til rumtemperatur, før forseglingen brydes, for at undgå kondensation af vanddamp på materialet. Procesparannetre Når prepreg-materialet er oplagt i formværktøjet, gøres laminatet klar til autoklavehærdningen ved at blive indpakket i en række hjælpematerialer, for derefter at gennemløbe selve hærdeprocessen, som illustreret henholdsvis i figur 2.6 og figur 2.7. Generelt gælder det for alle hjælpematerialerne, at de ikke må kunne forurene selve laminatet, så en eventuel efterfølgende limning eller maling af emnet bliver umuligt eller vanskeliggjort. De må heller ikke under processen afgive gasser, som kan resultere i porøsiteter i laminatet, og endelig skal materialerne selvfølgelig kunne tåle den maximale procestemperatur (Ref. 1). Figur 2.6 Principskitse for oplægning og indpakning af prepreg-materiale, som skal autoklavehærdes. 1. Tætningsmasse. 2. Formværktøj. 3. Afdækningsfolie. 4. Dæmning. 5. Emne (prepreg-materiale). 6. Porøs slipfolie. 7. Opsugningsmateriale. 8. Skillefolie. 9. Andeklæde. 10. Vakuumfolie Autoklave Laminatet evakueres for at fjerne indesluttet luft imellem de enkelte lamina, således at det færdige laminat bliver kompakt og uden eller med meget få porøsiteter. Et vakuum på Pa (abs.) er tilstrækkeligt. For avancerede fiberkompositter bør porøsitetsindholdet altid være under 2 vol-%. Laminater med stort porøsitetsindhold er følsomme over for Vakuum 29

30 Figur 2.7 O( Typisk procesforløb for hærdning 200 af epoxy-baseret prepreg MPa 1, ,5 ~ 50 :::J +J to ~ Vakuum ~ i El: ~ O O 2 3 Tid E :::J :::J ~ to> Ol o ~ ~ O... 4 Timer fugtoptagelse, og som det fremgår af figur 2.8 vil et stigende porøsitetsindhold også medføre et fald i den interlaminære forskydningsstyrke. Det skyldes, at porøsiteteme ofte er koncentreret imellem de enkelte lamina, som illustreret i figur 2.9. Den absolutte værdi af den interlaminære forskydningsstyrke, som svarer til 100% i figur 2.8 afhænger af det aktuelle fiber/matrix-system, og værdierne ligger typisk i intervallet MPa. Figur 2.8 % Interlaminær forskydningsstyrke 100 som funktion af porøsitetsindholdet i kompositmaterialer med ensrettede fibre (Ref. 10) I I 024 Porøsitetsindhold I 6 I 8 I 10 I 12 I 14vol-% 30

31 Figur 2.9 Typiske mikrostrukturer i kulfiber/epoxy-iaminater med et porøsitetsindhold på henholdsvis ca. 5 vol-% og ca. 1 vol-% Hvis emnets godstykkelse er stor, eller hvis formværktøjet har skarpe hjørner og kroge, som det er vanskeligt at presse prepreg-materialet helt ud i, kan det være nødvendigt at foretage nogle mellemliggende procestrin med vakuumkonsolidering, hvor emnet for hver ca. 2-3 mm oplagte lagtykkelse indpakkes i en vakuumfolie og evakueres. Denne fremgangsmåde sikre god materialekvalitet med lavt porøsitetsindhold, ingen delamineringer i "indvendige" hjørner, og kontrolleret fiberorientering hen over "udvendige" kanter. Autoklavetrykket komprimerer laminatet og presser det ned imod formen under hærdningen, således at det færdige emne får den ønskede form. De fleste typer prepreg indeholder ca. 15% mere matrixmateriale, end der ønskes i det færdige laminat. Trykket presser den overskydende matrixmængde ud af laminatet og over i opsugningslaget før hærdningen starter. Denne vandring af matrixmateriale fra laminat til opsugningslag foregår i laminatets tykkelsesretning og er med til at trække eventuelle resterende luftindeslutninger ud af laminatet. Trykkets størrelse har afgørende indflydelse på fiber/ matrix-forholdet i det hærdede laminat, og det må nøje afpasses i forhold til prepreg-type, laminattykkelse og mængden og karakteren af opsugningslaget, for at sikre et tilfredsstillende fiberindhold på ca. 60 vol-% (Ref. 11). Normalt anvendes et autoklavetryk i intervallet 0,3-0,7 MPa. Ved opvarmning til procestemperaturen hærder matrixmaterialet og sikrer, at laminatet får de ønskede termiske og mekaniske egenskaber. Autoklavetryk Hærdetemperatur 31

32 Temperaturforløbet er af afgørende betydning for laminatets kvalitet. Det første, der sker under opvarmningen, er, at viskositeten af matrixmaterialet falder. Senere i forløbet begynder matrixmaterialet at hærde, og viskositeten stiger nu hurtigt. Det er vigtigt, at tryksætningen sker kort tid før viskositeten begynder at stige. Hvis tryksætningen sker for tidligt, er der risiko for, at for meget af matrixmaterialet når at blive presset ud af laminatet, og sker tryksætningen for sent, er materialet blevet så sejt, at det er umuligt at opnå en tilstrækkelig komprimering af laminatet. Matrixmaterialets viskositetsændring under processen afhænger af matrixtype og opvarmningshastigheden. I figur 2.10 er viskositetsændringen for tre forskellige matrixtyper vist. Figur 2.10 Matrixmaterialets viskositetsændring under opvarmningen (2 C/min) som funktion af temperaturen (Ref. 12) A: Fiberdux 913 (Ciba-Geigy). Høj-viskøst 120 C hærdesystem B: Fiberdux 914 (Ciba-Geigy). Høj-viskøst 170 C hærdesystem C: Fiberdux 922 (Ciba-Geigy). Lav-viskøst 175 C hærdesystem Pa s C 50 Temperatur C Hærdning af tykke laminater Da hærdning af matrixmaterialet er en eksoterm proces, skal man specielt ved fremstilling af tykke laminater være opmærksom på, at temperaturen inden i laminatet ikke bliver for høj. Temperaturen kan blive så høj, at matrixmaterialet dekomponerer, eller at komponenterne ligefrem antændes. For at undgå dette, skal man vælge et langsomt-reagerende matrixsystem, eller indlægge en meget lang holdetid ved en 32

33 temperatur, som er en del lavere end den maksimale procestemperatur. Laminattykkelsen indflydelse på temperaturen under hærdning er illustreret i figur 2.11, hvor temperaturen i midten af selve laminaterne for tre forskellige laminattykkelser på henholdsvis 4 mm, 8 mm og 16 mm er vist. I et 16 mm tykt laminat når temperaturen op på ca. 250 C, hvorimod den i et 4 mm tykt laminat kun når op på ca. 185 C ved en maksimal autoklavetemperatur på 177 C. For at forhindre den alt for høje temperatur i det 16 mm tykke laminat, skal holdetiden ved de 130 C gøres meget længere. O( Figur 2.11 Temperaturen målt i midten af et henholdsvis 4 mm, 8 mm og 16 mm tykt kulfiber/epoxy-iaminat hærdet under identiske autokiavebetingelser (Ref. 13) ;:, +-' 100 ~ 50 Cl) Co E Cl).- Tid 2 1. Autoklavetemperaturer 2. 4 mm tykt laminat 3. 8 mm tykt laminat mm tykt laminat 3 4 Timer Tætningsmassen sikrer at vakuumfolien slutter tæt til formen. Ved fremstilling af mange ens emner kan der med fordel benyttes en genanvendelig gummipakning. Formværktøjet sikre, at emnet får den ønskede form. Et optimalt værktøj har lille varmekapacitet (lav vægt og lav specifik varmefylde), god vamledningsevne, og en varmeudvidelseskoefficient, som matcher med de kompositmaterialer, der skal fremstilles. Formværktøjer kan fremstilles af stål, aluminium, nikkei-jernlegeringer, grafit, keramik og plastbaserede fiberkompositter. (Ref. 14). Afdækningsfolien skal sikre, at laminatet ikke hæfter til formværktøjet, og at formen ikke bliver forurenet med overskydende matrixmateriale. Afdækningsfolien kan udelades, hvis formen i stedet påføres et slipmiddel, hvilket ofte er nødvendigt ved dobbeltkrumme forme, idet folien her vil Tætningsmasse Formværktøj Afdækningsfolie 33

34 folde(ell~rrynke~i"difdækrtingsfolieri fås.ogsåsomcselv!klæ~en+j de;'iolie1r.,de.' er}lett~re at ll,\~htere' i; fonm:ertrog:!<jari antvend~$;"'; man~l"gal1ge~'" Dæmning Opsugningsmateriale Vedifterilstilling af,tykiejaminaterrelr;der lr.isiwoifor;:at:qel~);'\, 7>. øverste!ffberlag~blivet'-~rftlnet'følr,m~ixtnåtejtial0'/rnedhp.an+n ge p6tøsiteter.,iog.!d~}aminetmgeritiitfølgejeletskyld.iespsom) rl; i tidligere-~vlit, cåt matrio(tnat~ialet ;urldet~ opvamin.rlijj\gen; lih~.' V~JnlaiVv!iskl2Jstl:og devjor:mt kan:løbe\væ}qlfni lammatet> D~tte, ri kan forhindre~v~d atpmgive)4ltriin2ft~tline!d\et"pakningsrila.;j,:~: teriale, som dæmmer op for materialet, eller ved at vælge et matrixsystem, som ikke bliver ekstremt lavviskøst. Som idæfuningsmateriale kan anvend~~gummi, silikonegummi, k9rk~<~~~ eller metalstænger beha~~t\nedet slipmiddel.!,t / ~:~ ~\ I ~:;;::~~i;;!~~~~~: i~:~:~lf:l~:~::':~;s sjøi den sikre, at de øvrige hjælpem~~~!jkke,j.1æfte til laminatet, således at det hærdede emne i<,~'ii:trlg~~s. Sl~pfolie~'~~I~R~~M$~;;~~~\v'Tvetklæde af glasfib~r,'~~stfhl~ ler poly;~~~;.}s1,~q~t~~~1være behandlet ~!lled et s~m~ddel!; som ikke(ø'verføres~aiihlaminatet,så en efterfølgende'~g:~~ eller m:atifig åf~lamin~tetter mulig. For eksempel er PTFr-be)i : 1.",', lagtglasvæv-"ofte.a~vendt.. Polyamidvæv..kan,ikke,anvehdes, hvis!h~rdetemperaturenoverstiger 150 CJEn perforeret plastfolie kan også anvendes. Opsugningsmaterialet opsuger den overskydende mængde matrixij:$orhrtidligete næm'rtterrarten1og'mængdenaf,.'opsug"':':' ningsmaterialetmecltilrsanrmen.medtry.j,<kt!t:iat1regtilere fi ~ berandelen i d~~lfæraig femne.';gla~fibervæv~uqr,ari4etiab~:;,.i sorberende materiale, som kan tåle procestemperaturen, kan aritr~ncl~s:!defanb~fales sy'ste:rhatisk'at!indsamlei"eghe:ecla;j. ':,',; ringer'fort d~, 'm~terialer kt)lhbinationer; 'detlånvendes) før at lettepioceoøptimeringen,for;!rerrttidige!nye,~j;natetiølekombi-+: nationet.rdetrindsimlled~eria,ringsmhterialejkanj anvendes,til, opstiuingcaf~ enkti[!ve;:bd]rrv.i~t\ i: ~igurf2.1~i:hvor~der',,' er'anført' antauetiatepsllgnithgslagjrefustjlleb :~Æil"2iZ'gIrmJ:-gIasfiber~ væv (style 120), som skal anvendes prl'lag:'prepreg)fqfhæhgig; af matrixindholdet i prepreg'en, når der ønskes et laminat med 621vol~~/o:fibr.eJfremstilletl af, k'utfiber~prepreg ;nl-edr~ ;;:<-' arealvægtpå t1;45' gfm2.:,j1(jr}eksempelskal(cl~v tiletrlt6:1ags! 1 kulfiberlaminat fmmstil.let,' af-en :prepreg)med :-4fl fviægt;,?/o'rna..;. trixincthold anvendes~[6'xfo~q lag'~127tg'art\4g1asfibervæv;i alt 10 lag,. 34"

35 1,0 Cl.!2 0,9 Cl Cl) ~ C- Cl) ~ 0,8 C- Figur 2.12 Antalopsugningslag af glasfibervæv (127 g/m 2 ) der skal anvendes pr. kulfiber/epoxy-prepreg som funktion af matrixindholdet i prepreg-materialet (Ref. l) ~ C- 0,7 -N... E Cl,..., Ṉ 0,6 > Ri 0,5 ~ Cl)..o \t= 0,4 '"~ Cl ~ 0,3 Vi Cl C 'c Cl 0,2 ~ '"Co 0,1 ni +ol C <{ Vægt-% Matrixindhold i kulfiber/epoxy prepreg Omkostningerne til fremstillingen af emner kan reduceres væsentligt, hvis opsugningslagene helt kan undværes. Det kan de i visse tilfælde, hvor der kan anvendes prepreg uden overskydende matrix, hvor der ikke er krav om vægtoptimering, og den overskydende matrix derfor kan forblive i laminatet, eller i forbindelse med fremstilling af sandwichlaminater, hvor den overskydende matrix fungerer som lim mellem laminater og sandwichkerne. Skillefolien er normalt en tæt plastfolie, som sikrer, at matrixmaterialet ikke suges videre op i åndeklædet. For matrixmaterialer, som afgiver gasser under processen, kan der anvendes en folie med små perforeringer med indbyrdes stor afstand. Åndeklædet sikrer en jævn fordeling af vakuummet ud over hele emnet. Åndeklædet er åben i strukturen og tillader luften at passere i klædets plan, selv efter at det er sammenpresset af trykket. Åndeklædet skal have god forbindelse til vakuumtilslutningen. Skillefolie Andeklæde 35

36 Vakuumfolie Vakuumindpakningsfolien danner barriere mellem vakuummet og trykket. De mest anvendte typer er fremstillet af polyamid. Hvis procestemperaturen overstiger 150 C, må der anvendes polyamid-6,6. Ved fremstilling af mange ens emner kan der med fordel anvendes en genanvendelig facon-tildannet gummimembran Processtyring og kontrol Tryk, temperatur og vakuum er som tidligere nævnt vigtige procesparametre, som må styres præcist for at opnå tilfredsstillende materialekvalitet i de færdige emner. Moderne autoklaver er derfor udstyret med en eller anden form for elektronisk styring af alle tre parametre, og der findes som regel også et program-lager, som kan indeholde de mest anvendte hærdeprogrammer. Den termoføler, som styrer procestemperaturen kan, afhængig af hvor kritisk procesforløbet er, enten føle på lufttemperaturen i autoklaven eller på temperaturen et eller flere steder på emnet. Den mest normale form for styring er, at procesparameterne tvangsfølger et fastlagt nominelt procesforløb, som er afpasset til en konkret kombination af materiale og emne. Men selve hærdeforløbet af matrixmaterialet i en given type prepreg afhænger også af hvor"gammel" prepreg'en er, og det vil derfor være en bedre styring af processen, hvis tryksætning, evakuering og temperaturen styres direkte af matrixmaterialets viskositetsforandring under processen. Inden for de seneste år er der udviklet små sensorer, som løbende kan registrere denne viskositetsforandring, når de er placeret i laminatet. Sammen med ligeledes nyudviklet computerprogrammer kan disse målinger, i kombination med en række temperaturmålinger i autoklaven og på emnet, aktivt styre procesforløbet og sikre optimale materialeegenskaber (Ref. 1 og Ref.15-17). For at kunne dokumentere procesforløbet for en autoklavehærdet komponent, må samtlige procesparametre registreres løbende. Tryk-, vakuum- og temperaturtransducere opsamler porcesværdierne og registrerer dem enten på en analog-skriver eller et digitalt elektronisk lager. Procesforløbet kan så senere præsenteres i form af tabeller eller kurver. Til et veldokumenteret procesforløb,hører, at temperaturen er registreret flere steder på eller i emnet. Hertil anvendes små modstandstermofølere eller termoelementer. 36

37 Figur 2.13 Mange komponenter på Airbus A320 bliver fremstillet ved autoklavehærdning af kulfiber/epoxy-prepreg. En af de større komponenter er det lodrette haleror. Det vejer 20% mindre end et tilsvarende haleror i aluminium, og det består kun af ca. 100 enkelt-dele, hvor der er over 2000 i aluminium-udgaven. De to billeder viser dels et haleror under montage, hvor forkanten endnu mangler, og dels en af side-dækpladerne på vej ud af autoklaven, hvori den er blevet hærdet (Ref. 18) Autoklavekonsolidering af termoplastiske fiberkompositter 2.4 Prepreg og postpreg Autoklavekonsolidering minder om autoklavehærdning. Der er blot tale om en smeltning og efterfølgende størkning af matrixmaterialet, og ikke om en hærdning. Når matrixmaterialet er smeltet, konsoliderer autoklavetrykket laminatet og fastholder det i den sammmenpressede tilstand, ind-til matrixmaterialet atter er størknet. Halvfabrikata til fremstilling af termoplastiske fiberkompositter findes både som prepreg og postpreg. Termoplastiske prepreg fås både som smalle og brede 'bånd med kontinuerte og ensrettede fibre, som væv fremstillet af smalle bånd, og som bånd med diskontinuerte men ensrettede fibre. Bånd med kontinuerte fibre er velegnet til fremstilling af plane og enkelt-krumme emner, hvorimod væv af smalle bånd benyttes til fremstilling af emner med svagt dobbeltkrum facon. Bånd med diskontinuerte fibre anvendes i forbindelse med en speciel fremstillingsteknik, som minder Termoplastiske prepreg 37

38 om dybtrækning af metalplader (Ref. 28). Dette kan lade sig gøre, da de diskontinuerte fibre kan glide i forhold til hinanden under deformation af materialet. Termoplastiske postpreg Fibre - matrixfolie Fibre - matrixfibre Fibre + matrixpulver I termoplastiske postpreg kan matrixmaterialet være tilsat i form af folie, fibre eller pulver. Fibre + matrixfolie fås som fiberklæder monteret med en folie over hele klædet, eller fiberklæder med indvævede strimler af folie. Fibre + matrixfibre fås som sammenblandede kontinuerte ensrettede fibre (comingied), som lufttexturerede kontinuerte fibre (hybridgarn), som sammenspundne ikke-kontinuerte fibre (Filmix ), eller som væv, hvor nogle af skud- og/eller kædetrådene er matrixfibre. Fibre + matrixpulver fås som "pulver-imprægnerede" rovings eller klæder. En type af "pulver-imprægneret" roving fås omgivet med en tynd plastslange, som sikrer at det elektrostatisk bundne pulver ikke drysser af under den videre håndtering og forarbejdning af materialet. Almindeligt forekommende tekstilteknologier kan anvendes til at fremstille vævede, strikkede, flettede eller sammensyede klæder eller preforms af termoplastiske postpreg. Procestid Som producent af emner fremstillet af termoplastiske fiberkompositter har man altså valget mellem at anvende prepreg eller postpreg som udganngsmateriale. Ved anvendelse af prepreg kan man opnå meget hurtige processer (få sekunder), da prepreg-iagene blot skal smeltes sammen, presses i den ønskede facon, og afkøles. Ved anvendelse af postpreg er procestiden noget længere (minutter til timer), idet den højviskøse termoplast skal have tid til at flyde ind imellem og omslutte alle fibre. Hvis procestiden er for kort, vil materialekvaliteten blive ringe, idet de enkelte rovingbundter blot bliver omsluttet af og ikke gennmvædet med matrixmatrialet. Vædningsforsøg med skiftende lag af fibre og matrixfolie viser, at det kan tage op til 2 timer for matrixmaterialet at trænge fiber-tykkelser ind i de enkelte roving-bundter, afhængig afpressetrykket (3,5-7 MPa) (Ref. 1). Procestidenkan dog afkortes, hvis procestrykket øges, eller hvis der anvendes en type postpreg, hvor fibre og matrix på forhånd er blandet på fiberniveau, således at flydevejen for matrixmate- 38

39 Set fra siden Tværsnit I Prepreg (Bånd) Figur 2.14 Principskitse af forskellige typer af termoplastiske prepreg og postpreg... e. Postpreg (Commingled)... Postpreg (Hybridgarn) Postpreg (Filmix ) Postpreg (Pulver) Fibre E!ITJ... Matrix rialet bliver mindre. Eksempler på procestider for forskellige materialer og halvfabrikata er vist i tabel 2.2 (Ref. 6-7). 39

40 Tabel 2.2 Procesbetingelser for forskellige typer af termoplastiske prepreg og postpreg Konsolideringsproces Matrix- Type af halvfabrikata Temperatur Tryk Tid materiale [OC] [MPa] [min] PEEK Prepreg-bånd (APC-2 ICI) 380 1,0 2 sek. PEEK Prepreg-bånd (PPC-2, ICI) 390 0,3 30 PEEK Postpreg. Filmmix -klæde 390 1,4 30 PEEK Postpreg. Fiberklæde + matrixfolie 400 1,4 120 PPS Postpreg. Fiberklæde + matrixfolie 315 0,7 30 PET Postpreg. Fiberklæde + matrixfolie 275 0,7 30 Smelteviskositeten af de termoplastiske polymerer er som nævnt meget høj. Værdierne ligger typisk i intervallet Pa s. Til sammenligning ligger værdierne for de termohærdende polymerer i intervallet0,1-20 Pa s. Figur 2.15 Smelteviskositet af forskellige ty- Pa s per termoplast som funktion af temperaturen,\p \6 PEI ~ PEEK PPS ~ +-' Cl) '" +-' PBT.;;; o 100 ~ ~ 'S; '" (lj +-' Q) E 10 '" ae Temperatur '\ ~ Prepreg er uhåndterlige Selvom termoplastiske prepreg er nemme og hurtige at konsolidere til færdige laminater og emner, er det ikke altid de mest hensigtmæssige halvfabrikata at anvende. Det skyldes dels, at de er forholdsvis stive og uhåndterlige, og dermed vanskelige at lægge op og få til at følge formens geometri, og dels at de ikke er let klæbrige som de termohærdende pre- 40

41 preg, og derfor vanskelige at fiksere i formen og i forhold til hinanden. Punktsvejsninger mellem de enkelte prepreg-iag kan dog delvis afhjælpe den sidstenævnte ulempe. Modsætningsvis er postpreg meget draperbare og forholdsvis lette at placere og fiksere i formen før konsolidering til færdige emner, men som tidligere nævnt skal konsolideringstrykket være større og procestiden længere. Postpreg er draperbare Figur 2.16 Eksempler på forskellige kulfiber/peek prepreg og postpreg. Yderst til venstre et prepregbånd med ensrettede fibre, i midten et prepreg-væv vævet af sma Ile prepregbånd, og de to lodretstående ru Iler er postpreg-klæde fremstillet af sammenspundne kulfibre og PEEK-fibre Procesparametre Autoklaveprocessen kan anvendes til konsolidering af både prepreg og postpreg. Processen er relativ langsom men velegnet til fremstilling af emner med høj materialekvalitet og til undersøgelse af procesparametrenes indflydelse på materialekvaliteten. Et typisk procesforløb til autoklavekonsolidering af termoplastiske fiberkompositter er vist i figur 2.17, og efterfølgende er de enkelte procesparametres betydning gennemgået med vægten lagt på de forskelle, der er mellem autoklavehærdning af termohærdende fiberkompositter og autoklavekonsolidering af termoplastiske fiberkompositter. 41

42 Figur 2.17 Typisk procesforløb for autoklavekonsolidering af højtemperatur termoplastiske fiberkompositter 400 Temperatur MPa 2, ,0 100 o-l===========;:==========::;=========:t:::i- Tid 0,5 1,0 1,5 Timer Vakuum Autoklavetryk Vakuummet tjener til at fjerne luften i det oplagte materiale, således at det sammensmeltede og konsoliderede materiale indeholder så få porøsiteter som muligt. Det er specielt vigtigt ved anvendelse af postpreg, som indeholder meget luft mellem fibre og matrixmateriale. Desuden tjener vakuumet til at fjerne eventuelle afgasninger fra materialerne under opvarmningen; for eksempel vanddamp. Når først matrixmaterialet er smeltet, gør vakuummet ikke længere nogen synderlig gavn, idet vakuummet vanskeligt vil kunne trække eventuelt resterende porøsiteter ud af den højviskøse matrix. På den ånden side gør det heller ikke nogen skade, og da det forøger konsolideringstrykket med ca. 0,1 MPa, opretholdes det normalt gennem hele procesforløbet. Autoklavetrykket tjener til at konsolidere laminatet. Ved anvendelse af prepreg er det de enkelte lag som bliver presset sammen, og ved anvendelse af postpreg er det både lagene der bliver presset sammen, og matrixmaterialet der bliver presset ind mellem alle fibrene. Konsolideringstryk på 0,3-0,5 MPa er tilstrækkeligt til prepreg, hvorimod det til postpreg ofte skal være 1,5-2,0 MPa, afhængig af postpreg-typen og fiber/matrixforholdet, for at porøsitetsindholdet når ned på et acceptabelt niveau, som eksemplet i figur 2.18 viser. 42

43 Vol-o/a '"C (5 ~ '"C 6 c: Vi 4 +ol (J) +ol Vi s oq.. 2 Postpreg Filmix-klæde med Vf = 0,6 Figur 2.18 Porøsitetsindholdet i kulfiber/peek som funktion af konsolideringstrykket for forskellige typer halvfabrikata. Vf er volumenandelen af fibre (Ref. 7) 0,5 Konsol ideringstryk 1,0 1,5 2,0 MPa Trykket skal påsættes fra starten af processen for atfastholde materialet under opvarmningen. Dette er specielt vigtigt ved anvendelse af hybridgarn eller foliestabling, hvor de strakte matrixfibre eller strakte matrixfolier vil krympe under opvarmningen og forårsage en uønsket misorientering af de strukturelle fibre i det færdige emne. Tryksætning af autoklaven fra starten af processen har iøvrigt den effekt, at opvarmningen kan gå hurtigere, da der er flere gasmolekyler til stede til at flytte energien fra varmelegemerne til emnet. Varmen skal smelte materixmaterialet, så det kan flyde sammen til en homogen sammenhængende masse, der binder til fibrene. I princippet kan opvarmningen foregå så hurtigt, det er muligt, da der ikke er kemiske reaktioner involveret i processen, men hvis råmaterialerne indeholder fugt, og de ikke på forhånd er tørret, kan der i processen indlægges en tørrecyklus, før matrixmaterialet bringes til smeltning. Procestemperaturen ligger i intervallet C, afhængig af hvilken type plast der anvendes; se tabel 2.3. Procestemperatur 43

44 Tabel 2.3 Omslagstemperatur, smeltetemperatur og procestemperatur for de mest anvendte matrixmaterialer Materiale Omslags- Smelte- Procestemperatur, Tg punkt temperatur [OC] [OC] [OC] PE <O PP PA PA PBT PET PPS PEEK PEI 215 Amorft PES 230 Amorft De forholdsvise høje procestemperaturer og de store forskelle mellem fibrenes og matrixmaterialemes termiske udvidelskoefficienter (tabel 2.4) medfører, at de fremstillede emner ved rumtemperarur enten vil indeholde store indre spændinger eller er deformeret i forhold til formgeometrien, afhængig af laminatopbygning og emnegeometri. Ved design og konstruktion af komponenter er det derfor nødvendigt at tage disse forhold i betragtning. For de semikrystallinske polymerer (for eksempel PEEK og PPS) er afkølingshastigheden af afgørende betydning for krystallinitetsgraden i de konsoliderede fiberkompositter, og dermed også af stor betydning for materialets brudsejhed og resistens mod opløsningsmidler. Som det fremgår af figur 2.19, skal man tilstræbe, at afkølingshastigheden af emner ligger i intervallet lo-500 C/min. 44

45 Tabel 2.4 Vejledende værdier af de termiske udvidelseskoefficienter for fibre og termoplastiske matrixmaterialer Materiale PE PP PA-6 PA-66 PBT PET PPS PEEK PEI PES Termisk udvidelseskoefficient [. l~ C- 1 ] Kulfiber (på langs) Kulfiber (på tværs) Aramidfiber (på langs) Aramidfiber (på tværs) Glasfiber (på langs) Glasfiber (på tværs) % Figur 2.19 Krystalinitetsgraden i deikrystallinske termoplastiske matrixmaterialer som funktion af afkølingshastigheden (Ref. 1) 50 Procesvindue 40 0, AfkøHngshastighed min 45

46 Vakuumindpakning Vakuumindpakning og klargøring af emnerne før autoklavekonsolidering er principelt skitseret i figur Indpakningen er mere simpel end ved autoklave-hærdning (afsnit 2.3.3), idet der ikke anvendes opsugningslag. Til gengæld stilles der større krav til temperaturbestandigheden af hjælpematerialeme ved fremstilling af de højtemperaturbestandige termoplastiske fiberkompositter. Der findes vakuumfolie og tætningsmasse, som kan anvendes op til 400 C, men de er vanskelige at arbejde med. Vakuumfolien (polyimid) er stiv og uhåndterlig, og tætningsmassen (modificeret silicone) klæber ikke særlig godt til folien ved rumtemperatur. Tætningsmassen nedbrydes relativt hurtigt ved de høje procestemperaturer; især hvis den udsættes for oxygen. Hvis procestiden er lang (2-3 timer), er det nødvendigt at beskytte tætningsmassen ved at tape vakuumfolien ned til formværktøjet. Til dette formål anvendes en højtemperaturbestandig tape (polyimid med silicone). Det kan ligeledes være nødvendigt for at skabe og opretholde en vakuumtæt indpakning under hele processen at anlægge et lille pres oven på vakuumfolien ned imod tætningsmassen, for eksempel i form af dødvægte, som opretholder presset under opvarmningen, selvom tætningsmassen flyder lidt. Figur 2.20 Principskitse for oplægning og indpakning af termoplastisk prepreg og postpreg, som skal autokiavekonsolideres. 1. Beskyttelsestape. 2. Tætningsmasse. 3. Presring. 4. Formværktøj. 5. Afdækningsfolie. 6. Emne (prepreg- eller postpreg-materiale). 7. Skillefolie. 8. Åndeklæde. 9. Vakuumfolie Autoklave 46

47 Figur viser eksempler på emner fremstillet i fiberforstærket termoplast, og de materialekvaliteter der kan opnås. Figur 2.21 Kulfiber/PEEK-plader fremstiilet af henholdsvis prepreg-bånd med ensrettede fibre, vævet prepreg-bånd og vævet postpreggarn 47

48 Figur 2.22 Mikrostrukturen i de i figur 2.21 viste plader. Alle plader er af meget høj materialekvalitet med et højt fiberindhold, et meget lavt porøsitetsindhold og en komplet vædning af alle fibre. øverst: Pladen fremstiilet af prepreg-bånd med ensrettede fibre har strakte og velorienterede fibre. I midten: Pladen fremstillet af vævet prepreg-bånd har svagt bugtede men stadig velorienterede fibre. Nederst: Pladen fremstillet af vævet postpreg-garn har mange ustrakte fibre, og fiberorienterimgen er delvis ukontrolleret 48

49 Figur 2.23 Fremstilling af en bildør af fiberforstærket termoplast. Formværktøjet med termoelementer og vakuumforbindelser er klar til autoklavekonsolideringsprocessen. Bildørene i forgrunden er fremstillet af vævet postpregklæder. De anvendte materialekombinationer er kulfiber/peek og glasfiber/pet (Ref. 19) Figur 2.24 Prototype af nederste svingarm til baghjulsophænget på en Mercedes. Svingarmen er fremstillet af kulfiber/pei (Ref. 20) 49

50 Figur 2.25 Haleplan til en Westland Helikopter fremstillet af kulfiber- og aramidfiberforstærket PEI (Ref.21) Vakuumsækhærdning Vakuumsækhærdning kontra autoklavehærdning Den eneste forskel mellem vakuumsækhærdning og autoklavehærdning er, at autoklavetrykket er udeladt. Det betyder, at omkostningerne til procesudstyret reduceres væsentligt, da vakuumsækhærdning kun kræver vakuumudstyr og et varmekammer, hvor varmekammeret endog kan undværes, hvis rumtemperaturhærdning af emnerne kan accepteres. Det gør blandt andet processen attraktiv til fremstilling af meget store emner; for eksempel både og vindmøllevinger på op til 30 m i længden. Selvom autoklavetrykket er udeladt kan materialekvaliteten stadig blive meget høj, men kompositmaterialerne kan ikke under hærdningen komprimeres i samme grad som ved autoklavehærdning. Det betyder at matrixindholdet må være større, hvis porøsitetsindholdet stadig skal holdes på et acceptabelt niveau, og det medfører, at emner med samrnme funktionsegenskaber kommer til at veje mere. Sagt med andre ord er materialets specifikke 50

51 styrke og stivhed mindre. De fiberindhold der normalt opnås ved vakuumsækhærdning ligge mellem vol-%, afhængig af fibermateriale, oplægningsmønster, godstykkelse og vakuummets størrelse. Som eksempel på hvad processen kan præstere er der i figur 2.26 vist en ultralet kaproningskano (Ref.22). Figur 2.26 Ultralet kaproningskano. Kanoen er 5,2 m lang, 0,75 m bred og vejer kun 6,5 kg. Den er opbygget som en sandwichkonstruktion med en PVC-skumkerne i midten og et epoxy-vædet væv af kulog aramid-fibre på begge sider. En tilsvarende kano i mahogny vejer 16 kg Procesparametre og udstyr Vakuumet har to funktioner. Det skal primært komprimere laminatet under hærdningen, men det skal også fjerne luftindeslutninger for at minimere porøsitetsindholdet. Vakuummet skal opretholdes under hele procesforløbet, da trykforskellen mellem atmosfæretrykket og trykket under vakuumsækken er den eneste kraft der presser laminatet sammen under hærdningen. Vakuumets størrelse har derfor stor indflydelse på, hvor meget laminatet bliver presset sammen, og hvor højt et fiberindhold der kan opnås. Vakuumet skal være mindre end 750 hpa (abs.), før man opnår tilstrækkelig fordel af processen, men vakuum helt ned til 10 hpa anvendes også. Selv ved moderate vakuum opnås der store sammenpresningskræfter sammenlignet med mekaniske presseteknikker, og yderliger er der den fordel, at pressetrykket anlægges jævn over hele komponenten. Som eksempel vil et laminat på 1 m 2 blive presset sammen med en kraft på ca. 70 kn, hvis vakuumtrykket er 300 hpa (Kraft = [Patmosfære - Pvakuum] Areal) Vakuumet komprimerer laminatet og fjerner luftindeslutninger Ved meget lav vakuum skal man være opmærksom på, at eventuelt opløst luft og gasser i matrixmaterialet vil blive 51

52 trukket ud og danne mange porøsiteter, som det er vanskeligt helt at fjerne igen. I sjældne tilfælde kan der også være tale om afkogning af materialer med lavt damptryk. Matrixmateriale, blandingsrnetode og påføringsmetode skal derfor vælges, så det er afstemt til det vakuum, der tænkes anvendt. Opvarmning af emnerne Opvarmning af emnerne til procestemperaturen kan ske på forskellig vis. Nogle eksempler er: Varmluftovn med cirkulerende varmluft Varmeovn med passiv konvektionsvarme Infrarøde varmelamper Varmelegmer monteret i formen og udvendig isolering af emnet Varmetæppe og isolering placeret oven på laminat Temperaturkontrol Store emner Formværktøj Den nemmeste temperaturkontrol og den mest jævne temperaturfordeling opnås i en varmluftovn med cirkulerende varmluft, men uanset hvilken opvarmningsmetode der anvendes, er det lettest at styre hærdeprocessen, hvis ovnen eller formen er godt isoleret og effekttilførelsen er lille. Ved fremstiling af meget store emner, er det ofte benyttet at opvarme hele arbejdslokalet. I så tilfælde anvendes selvfølgelig matrixsystemer med moderate krav til procestemperaturen på bekostning af længere hærdetid; typisk henholdsvis C og 1-2 døgn. Hvis der er mulighed for at bygge en isoleret boks omkring emnet, således at hærdetemperaturen kan bringes op på C, kan man med fordel anvende et prepreg-system beregnet til disse procestemperaturer, idet prepreg-systemets tilladelige opholdstid ved rumtemperatur bliver noget længere; typisk 1-2 uger mod 1-3 dage for prepreg-sytemer beregnet for procestemperaturer på C. Hvis emner er meget store og komplekse i opbygningen, er det måske nødvendigt med den længere opholdstid ved rumtemperatur, for overhovedet at nå at lægge laminatet op. Med hensyn til formværktøjet gælder de samme generelle betragtninger, som nævnt under autoklavehærdning (afsnit 2.3.3). Ofte kan forme beregnet til håndoplægning også anvendes til vakuumsækhærdning. Man skal blot sikre sig, at formen kan tåle procestemperaturen, og at den er vakuumtæt. Normalt kræves dog en lidt større flange på formen for at få plads til tætningsmassen. Skulle flangen være for lille el- 52

53 ler formen ikke være vakuumtæt, kan man ved mindre og simple forme løse dette problem ved at komme hele formen ind i en vakuumsæk. Hvis selve formen ikke kan forsynes med en vakuumtilslutning, kan tilslutningen føres igennem vakuumfolien. Hertil findes specielle studse, som let monteres. De fibermaterialer og hjælpematerialer, der anvendes ved autokiavehærdning (afsnit og 2.3.3), kan også anvendes ved vakuumsækhærdning af fiberkompositter, men da materialets slutlige fiberindhold bliver mindre, er der en tendens til at anvende prepreg med lidt højere matrixindhold, eller benytte mindre mængde opsugningsmateriale; alternativt helt at udelade opsugningsmaterialet. Fibermaterialer og hjælpematerialer løvrigt henvises til "SPI Handbook of Technology and Engineering of Reinforced Plastics/Composites, Second Edition" (Ref. 5) for mere værkstedspraktiske detaljer. Vikling Vikling er en gammel og velkendt teknik til fremstilling af emner i fiberkompositter. Metoden er ganske enkel. Fibermaterialet vikles om en dom, der har den ønskede indvendige form for emnet. 2.6 Vikling er en gammel og velkendt teknik Ud fra dette udgangspunkt kan metoden varieres på en række måder. Blandt andet med hensyn til udgangsmateriale, domopbygning fiber-imprægnering og kombination af viklemønstre. Geodætisk vikling Som allerede nævnt er grundprincippet i metoden, at fibre vikles om en dom. Der er derfor 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: 53

54 Eksempler på geodætiske baner Emne Plan flade Cylinder Kugle Geodætiske baner Ret linie Skruelinie Storcirkel 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). Fordel ved geodætisk vikling Ulemper ved geodætisk vikling Afvigelse fra geodætisk vikling 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 domen. 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, som illustreres i de følgende afsnit, 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. 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 dom. Friktionen mellem emn~ 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 friktionskoefficienten mellem tråd og emne og af den lokale krumning i påføringspunktet. Som yderpunkter kan nævnes: 54

55 Vådvikling med en lille vinkel på en cylinder (stor stigning på skruelinie), hvor både krumning i påføringpunktet og friktionskoefficient er lille, og der stort set ikke kan afviges fra en geodætisk bane. Prepregvikling med en vinkel nær 90 (omkreds viklinger) hvor både friktion og krumning er høj, og 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. Figur 2.27 viser som eksempel en beholder med halvkugleformede endebunde. På et sådant emne er det naturligt at tale om viklevinklen, som på det cylindriske stykke er det samme som vinklen mellem tråden og emnets akse. Viklevinkel 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. Figur 2.27 Vikling på en beholder med halvkugleformede endebunde Geometri for geodætisk vikling I det følgende beskrives en række generelle forhold for geodætisk vikling på rotationssymmetriske emner. Man kan ikke beskæftige sig med eller læse om vikling uden at støde på begrebet Clairauts udtryk eller Clairauts konstant. Clairaut var en fransk matematiker, der i det 18. århundrede fandt og beskrev den enkle sammenhæng mellem Rotationssymmetriske emner Clairauts konstant 55

56 vinklen mellem en geodætisk bane og en meridian (viklevinklen), og den lokale radius på et rotationssymmetrisk emne. Betingelsen er: r sin(a) = konstant Geodætisk bane på en kegle Man kan let overbevise sig om rigtigheden af udtrykket for en geodætisk bane på en en kegle, idet man husker, at den geodætiske bane på en udfoldelig flade bliver en ret linie. På figur 2.28 ses en cirkelsektor, der fremkommer ved udfoldningen af en kegle. Clairauts betingelse fremgår umiddelbart af de retvinklede trekanter ABC og AlBC, idet der er en simpellineær sammenhæng mellem radius på det udfoldede cirkelsegment, og radius på keglen. Figur 2.28 Illustration af Clairauts betingelse ved vikling på en kegle. Keglen er vist udfoldet B Clairauts udtryk gælder for alle rotationssymmetriske emner Man vil kunne tilnærme et vilkårligt rotationssymmetrisk emne med en række af keglestubbe (eller cylinderflader, hvor vinklen naturligvis er konstant) hvorfor Clairauts udtryk er gældende for alle sådanne emner. Man bemærker, at radius får sin mindste værdi når sin(a) 1, dvs. for a = 90. Af figur 2.28 ses også, at den geodætiske bane vender i dette punkt, hvorfor man også kalder størrelsen r sin(a) for venderadius. En anden benævnelse for samme størrelse er Clairauts konstant. En geodætisk bane er fastlagt ud fra sammenhørende værdier af radius og viklevinkel En vigtig følge af denne sammenhæng er, at har man valgt et startpun1<t med tilhørende radius og viklevinkel, har man også bestemt hvilket område på emnet der vil blive dækket 56

57 af fibre, samt diameteren af åbningen i begge ender af viklingen, uanset hvordan endebunden er udformet. Dette er illustreret i figur Figur 2.29 Geodætisk vikling på rotationssymmetrisk emne. Venderadius er den samme i begge ender, selv om endebundene har forskellig udformning Beregning af geodætiske viklinger Ved planlægning af en vikleproces har man brug for at kunne beregne geodætiske baner både i konstruktionsfasen, ved styrkeberegning og ved fremstilling, til at generere data til maskinstyring. Det vil være naturligt at bruge cylinderkoordinater til at beskrive en geodætisk bane på et rotationssymmetrisk emne. Det vil sige at et punkt på emnet (banen) er beskrevet ved en vinkel <1>, en position langs aksen z, og en radius r. Sammenhængen mellem disse størrelser på en kegle eller cylinderflade kan let udledes (Ref. 23 og Ref. 24), og man kan således ved, som tidligere omtalt, at tilnærme det aktuelle emne med en række af keglestubbe eller cylinderflader, beregne sammenhørende værdier for r, z og <I> for ethvert punkt på banen. De væsentligste informationer om en vikling vil være: Kan den i praksis udføres? Problemerne her kan være konkavitet af domen nogle steder på banen, eller manglende plads til føreanordningerne til tråden (kollision med dom). Vinkel og tykkelse af laget som funktion af radius, til brug ved dimensionering. Viklemønster. Det vil sige hvor mange gange en bane skal gentages, før end den placeres direkte ovenpå en allerede viklet, og den tilhørende nødvendige bredde for at dække den største radius, hvis dette er ønskeligt. 57

58 Konkavitet Konkavitet vil for de fleste typiske emner (beholdere) ikke være et problem. For at en vikling kan udføres, må der være et kontakttryk mellem tråd og dorn. Det væsentlige for kontakttrykket er krumningen af den geodætiske bane. Ligger centrum for krumningen i et givet punkt på samme side af banen som emnets akse, er der kontakttryk mellem tråd og emne, i modsat fald vil tråden trækkes væk fra dornen, og det vil normalt ikke være muligt at udføre en vikling. Tilsyneladende konkave emner kan imidlertid vikles. Det afgørende vil være om tråden, i området fra påføringspunktet til føreøjet, kolliderer med dornen. Afstanden fra omdrejningsaksen til tråden kan let beregnes ud fra den lokale hældning af dornoverfladen i forhold til aksen, og den lokale viklevinkel. Kalder man omdrejningsaksen z og radius r, og koordinaterne i påføringspunktet zl og ri' får man føreøjets position (zf,rf), for fibertrådlængden f: rf (f sin (a»2 + (ri + f cos (a)/ VI + (~:)2 )2 Figur 2.30 rf som funktion af zf for dr =O, r, =1, z, =0, og forskellidz ge værdier af viklevinklen Cl 2 1,8 1,6 1,4 1 ~L ~~~;;;;~===========a.=00 0,8 0,6 0,4 0,2 ~ O r------r r ,r , Zf 0,5 1,5 2 2,5 3 58

59 Som man ser, har man et minimum ved z =O. Positionen af d ette minimum.. afhænger af - dr, h' VIS - dr < O VI'1 minimumdz.. dz værdien findes for z > o. Kravet for at viklingen kan udføres vil være, at dornradius for enhver z-position skal være mindre end afstanden fra omdrejningsaksen til tråden, for den samme z-position. Som allerede beskrevet, er der ved geodætisk vikling en entydig sammenhæng mellem radius og vinkel. Ændringen af vinklen med radius medfører en ændring af den lokale lagtykkelse, idet fibermængden er konstant ved de fleste anvendelser af processen. Lagtykkelse Tværsnitsarealet af et skråt snit i et fiberbundt er omvendt proportionalt med cosinus til snittets vinkel, og derfor får man for tykkelsen t r ved radius r: trcos(a) =konstant I nærheden af vendepunkterne, hvor a er tæt ved 90 giver dette udtryk urealistisk store værdier. I Ref. 24 gives der en række eksempler på metoder til beregning af tykkelsen i omegnen af vendepunkterne. I de fleste tilfælde er dette dog ikke særligt vigtigt for styrkeberegningen, men kan være det for beregning af den ydre form af emnet efter viklingen. Den entydige sammenhæng mellem radius, vinkel og lagtykkelse i et givet lag er en af ulemperne ved viklemetoden. Som regel er den givne sammenhæng ikke den optimale af styrke/ stivhedshensyn, og man må så afveje fremstillingsomkostningerne med styrkehensyn, og eventuelt foretage fremstillingen som en kombination af flere viklemønstre, eller kombinere med andre fremstillingsmetoder. Man vil ofte ønske at dække overfladen helt med et viklemønster. Det kan ske på mange forskellige måder. Den mest naturlige er at placere båndene umiddelbart ved siden af hinanden, således at vinkelforskydningen mellem to på hinanden følgende bånd bliver den effektive båndbredde divideret med radius. Den effektive båndbredde er den virkelige båndbredde divideret med cosinus til den lokale viklevinkel. Viklemønster 59

60 Som tidligere nævnt er forløbet af en bane fuldstændig bestemt, når der er valgt et startpunkt og en startvinkel. Det betyder at vinkelforskydningen mellem to på hinanden følgende lag også er givet. Det siger sig selv, at det kun sjældent vil være tilfældet at en bane, der er bestemt ud fra styrke/stivhedshensyn, netop vil give en forskydning svarende til en båndbredde. Man kan så vælge at ændre viklevinkel (eller dorn) for at opnå den ønskede forskydning, eller man kan ændre båndbredde eller mønster. Ud over den naturlige placering af to på hinanden følgende baner ved siden af hinanden (hvor der er en variationsmulighed i at den følgende bane placeres før eller efter den første), kan man opnå et dækkende mønster ved en bane, der skal gennemløbes flere gange, før den placeres ved siden af et allerede påviklet bånd. Man kan sammenligne med et flerløbet gevind, hvor omkredsen deles i to, tre eller flere dele. Så længe man holder sig til 2-10 løb er forholdene rimeligt overskuelige, men mere kompliceret mønstre kan også være anvendelige, og disse findes lettest ved brug af computerprogrammer, der kan beregne viklebaner, forskydning, og søge dækkende mønstre blandt de mulige baner. Egnetheden af de forskellige mønstre afhænger af den aktuelle opgave. Som regel vil man foretrække et enkelt mønster, der giver få overkrydsningspunkter, og mindre tilbøjelighed til dannelse af porøsiteter i laminatet. Endelig kan man nævne, at hvis dornen er udformet således at diameteren i begge ender er lig med Clairauts konstant for den aktuelle vikling, kan banen let ændres til en hvilken som helst ønsket forskydning, idet man så kan indføre en ekstra rotation over disse områder, uden at det påvirker resten af forløbet af banen Viklemaskiner Påviklingen af tråd på en dom kan foregå på mange forskellige måder. Det viser sig, at to bevægelser principielt er tilstrækkeligt til at udføre en hvilken som helst vikling, hvis der ikke er specielle hensyn at tage med hensyn til kollision med domen uden for det egentlige vikleområde. Det vil sige, at en maskine, der er opbygget som en drejebænk med en langsgående og en rotationsbevægelse, vil kunne udføre de fleste viklinger. Det er da også en meget almindelig udførelse af viklemaskiner, med en række variationer i konstruktionen. 60

61 Aksen kan være lodret, hvilket er en fordel ved lange, tunge dorne, eller føringerne kan være placeret over domen, 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 metalbearbejdning. Slædebevægelsen forgår ofte ved kædetræk, og den mekaniske opbygning kan være lettere end ved en bearbejdningsmaskine. Styring af slædebevægelsen i forhold til rotationen foregik oprindelig ved en mekanisk kobling mellem de to bevægelser. En meget brugt anordning er vist på figur 2.31, hvor diameteren af de to kædehjul kan vælges, så man får en bevægelse, der tilnærmes den teoretisk korrekte for et givet emne. En sådan maskine er selvfølgelig meget robust og stabil, og bruges stadig hvor man har lange serier af ens emner. Mekanisk styring Slæde Kæde med medbringertap, som glider i spor på slæde. Figur 2.31 Princip for mekanisk styret vikiemaskine I dag er det overvejende flertal af nye viklemaskiner computerstyrede. Viklemønstre kan lagres, og de forskellige bevægelser kan styres af en computer. Fordelen i forhold til de mekaniske styringer er den hurtige omstilling mellem forskellige emner, ubegrænsede variationsmuligheder med hensyn til viklebaner, samt muligheden for enkel og samtidig styring af blandt andet trådspænding og temperatur som funktion af vikleforløbet. Lagringen af programmer til vikling af forskellige emner og baner kan foregå på forskellige måder. Der vil ofte i maskinens styrecomputer være programmer til beregning af styre- Computerstyring Lagring af vikleprogrammer 61

62 data for simple emner som for eksempel cylindre med halvkugleformede endebunde. Et alternativer en indlæringsprocedure, hvor man styrer maskinen manuelt og gemmer punkter på banen, så den senere kan gentages. Ved mere komplicerede emner kan det være en fordel at bruge et separat program til beregning af viklebaner, og de tilhørende styredata. Her vil det ofte også være en fordel at bruge en maskine med mere end to akser. Problemet her er, at hvor en geodætisk bane er fuldstændig bestemt ved valg af udgangspunkt og vinkel, er der ved maskiner med mere end to bevægelser uendelig mange kombinationer af parametre, der vil få tråden til at følge den ønskede bane. Som regel er der en række forhold der gør nogle parametre mere egnede end andre: Viklehastighed Acceleration Kollision Af hensyn til vædningen og trådens afspoling vil man ofte ønske en tilnærmet konstant viklehastighed ved vådvikling. Maskinens kapacitet kan sætte grænser for viklehastigheden, hvis de valgte parametre kræver store hastighedsændringer for dom eller andre akser. Det siger sig selv, at styreparametrene må vælges således, at føreøjet ikke kolliderer med dorn eller understøtninger. Man vil som regel ikke kunne finde parametre, der er optimale med hensyn til disse forskellige ønsker, hvorfor man må eksperimentere sig frem til et sæt af data, der giver et passende kompromis. Her er det en stor fordel at have adgang til et program, der umiddelbart giver de nødvendige oplysninger om viklingen for et givet parametersæt, frem for at være henvist til at udføre forsøg i praksis. Som nævnt er en drejebænkslignende opbygning af viklemaskiner almindelig, men næsten alle tænkelige kombinationer af bevægelser bruges til forskellige formål. Ved meget store og tunge dorne kan man lade domen være stationær, og lade påføringsøjet udføre den roterende bevægelse. Til vikling af korte cylindre eller kugler er en såkaldt polarviklemaskine hensigtsmæssig, princippet er vist på figur Påføringsøjet sidder her på en roterende arm, der bevæger sig i et plan, der danner en vinkel med emnets akse. 62

63 Figur 2.32 Princip for polarvikling Vikledorne Som allerede nævnt i indledningen, 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. I det følgende omtales en række forskellige metoder til at løse dette problem. 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 gas- eller væsketæthed, og fibrene giver styrken. Den anden hovedfremgangsmåde er at bruge dorne, der på en eller anden måde kan fjernes fra emnet efter viklingen. Integreret liner Dorne som kan fjernes Her kan man skelne mellem forskellige principper: Mekanisk adskillige og sammenklappelige dorne. Opblæselige 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. Sammenklappelige dorne Opbiæselige dorne Udsmeltelige dorne 63

64 Dorne af gips Faste dorne 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 endepartierne 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. Opblæselige dorne er rimeligt billige, og kan bruges til fremstilling af beholdere (kugletanke) hvor kravene til geometrien ikke er for store. Udsmeltelige eller udvaskelige dorne kræver et ekstra fremstillingstrin, idet der i princippet bruges en dom per emne. Det kan være en fordel at kombinere de forskellige metoder, således at der f.eks. bruges et sammenklappeligt mekanisk stativ med en ydre skal af gips, voks eller lignende. Derved kan man få en stabil og let ramme, og den ydre profil kan tildannes på enkel vis. Drostholm-metoden Endelig kan man i denne forbindelse nævne Drostholm-metoden til vikling af rør. Domen er her dannet af en metalstrimmel, der er viklet op i et spiralrør, som er langt nok til at emnet kan nå at hærde medens det befinder sig på røret. Spiralrøret bliver endeløst, idet metalbåndet føres tilbage gennem spiralrøret, og danner dette i en kontinuert proces Vådvikling af termohærdende fiberkompositter Grundlæggende princip Som udgangsmateriale til vådvikling af avancerede fiberkompositter anvendes uimpregnerede (tørre) fibre, som kontinuert tilføres matrixmateriale før de vikles på dornen. Rovings er det billigste og mest anvendte fiberprodukt til vådvikling, men andre typer, for eksempel vævede bånd, kan også anvendes. Materialekvaliteten af de fremstillede emner afhænger blandt andet af, hvorledes matrixmaterialet tilføres, viskositeten (temperaturen) af matrixmaterialet, tråd- 64

65 spændingen (kraften i fibrene) under vikling, præcisionen hvormed fibrene placeres på emnet, viklehastigheden og endelig hærdeforløbet af matrixmaterialet. For at opnå en god materialekvalitet i viklede emner skal man sikre en komplet vædning af alle fibre, et lavt porøsitetsindhold, en korrekt sammensætning og blanding af matrixmaterialet, samt en kontrolleret hærdning af de færdigvikledeemner. Krav til god materialekvalitet Det grundlæggende princip i vådvikling er vist i figur Fibrene afspoles, føres over en mekanik til regulering af trådspændingen, derefter igennem vædningsapparatet, videre over et slækoptagningsarrangement, gennem føreøjet, og endelig vikles de på domen. Afspoling med bremse Regulering af trådspænding Vædning med matrixmateriale Slækoptag Vikledorn Figur 2.33 Grundlæggende princip i vådvikling af termohærdende fiberkompositter Trådspænding i fibrene under vikling Afspoling af fibrene og regulering af trådspændingen er ofte bygget sammen i en enhed. Der findes forskellige principper; lige fra passiv afspoling og trådspændingsindstilling til aktiv servostyring og regulering af begge funktioner. Ved passiv afspoling og spændingsregulering er det viklemaskinens rotation af domen, og dermed træk i fibrene, som trækker fibrene af spolen og hele vejen frem til domen. Systemet kan være simpelt; for eksempel en aksel med en fast indstillelig friktionsbremse, figur Når først friktionsbremsen er indstillet, yder den et fast bremsemoment. Det betyder, at trådspændingen vil stige, efterhånden som fiberspolens diameter bliver mindre under forbruget af fibre. Hvis der er stor for Passiv afspoling og spændingsregulering 65

66 skel på diameteren af en fuld og en tom fiberspole, vil det medføre stor variation i fiberspændingen. En anden ulempe er, at med lav trådspænding og stor og tung fiberspole, vil bremsen være lang tid om at standse spolen. Så ved (pludselige) stop af viklemaskinen, vil afspoling af fibre fortsætte et stykke tid. En tredie ulempe er, at der er risiko for, at fibrene knækker under opstart af maskinen eller ved store variationer i fiberforbruget under viklingen; for eksempel under vikling af ikke-rotationssymmetriske emner. Der vil herved opstå et stort træk i fibrene, dels fra bremsen og dels fra accelerationen af især store og tunge spoler. Figur 2.34 Passivt afspolesystem med fast indstiilelig friktionsbremse (Ref.25) Aktiv spændingsregulering Aktivt afspole- og spændingsregulering En væsentlig forbedring af det passive afspolesystem opnås, hvis det kombineres med en aktiv trådspændingsregulering. Det kan for eksempel gøres ved at føre fibrene hen over en fjederbelastet svingarm. Svingarmens position, som nu er et udtryk for kraften i fibrene, kan således anvendes tilløbende at løsne eller stramme for bremsernekanismen. Denne regulering kan enten forgå mekaninsk eller elektronisk. Den aktive trådspændingsregulering af den passive afspoling kan ikke mindske trådspændingen som kommer fra ac- 66

67 celerationen af fiberspolen, så hvis spændingen ved et givent arrangement (for eksempel stor tung spole og tynd roving) bliver uacceptabelt store, kan man kombinere trådspændingsreguleringen med et aktivt afspoleapparat. Et aktivt afspoleapparat er forsynet med en motor, som både kan accelerer og decelerere fiberspolen, således at trådspændingen holdes konstant under alle forhold. Et aktivt afspole- og trådspændingsreguleringssystem er vist i figur Figur 2.35 Aktivt servostyret afspole- og spændingsreguleringssystem. Hver fiberspole har sin egen motor (monteret på bagsiden af panelet) med tilhørende regulering (Ref.26) Trådspændingen i fibrene øges undervejs frem til domen på grund af den friktion, der er i vædningsudstyr, slækoptag, føreøje m.v. Der kan let være en faktor 2-3 mellem trådspændingen ved afspoleenheden og helt fremme ved domen, og en lille variation i friktionsforholdene vil derfor føre til store variationer i trådspændingen helt fremme ved domen. Hvis der er krav til meget præcis kontrol og styring af trådspændingen på selve emnet, skal reguleringen flyttes frem til en position lige før føreøjet. Det kræver dog et dobbelt reguleringssystem med et mellemliggende bufferarrangement, da det reguleringsteknisk ikke er muligt"at styre afspoleenhedens bremsekræft med en trådspænding målt helt fremme ved føreøjet. 67

68 Fiberspole placeret på roterende drejeskive En attraktiv variant af at afspole fibrene er at trække dem ud over enden af spolen; enten fra ydersiden eller indvendigt fra. Fordelen er, at trådspændingen ved spolen hele tiden er konstant, meget lille (tæt på nul) og ikke varierer med fiberforbruget, eller om spolen er fuld eller næsten tom. Den ønskede trådspænding kan let etableres ved efterfølgende at føre fibrene over nogle stænger eller ruller, hvis friktion gradvis opbygger spændingen i fibrene. Når fibrene trækkes ud over enden af spolen, må de ikke skride hen over fiberspolens overflade. De skal først ledes bort fra overfladen og derefter ud over spolens ende. Hvis de slæber hen over overfladen, vil mange enkelte fibre knække og give anledning til procesproblemer og forringelse af materialeegenskaberne. Fibre, som trækkes ud over enden af en stationær spole, vil blive snoet. I tilfælde hvor dette er uacceptabelt, må spolen bringes til at rotere med en hastighed der er afstemt efter fiberforbruget. I de fleste tilfælde vikles der med mere end en roving ad gangen, og det anbefales at anvende en trådspændingsreguleringsenhed per roving for at opnå en ensartet spændingsfordeling i alle rovings. Hvis der benyttes en fælles trådspængingsregulering, risikerer man, at den samlede trådspænding fordeles på få rovings med fiberbrud og produktionsstop til følge. De trådspændinger, der anvendes ved vådvikling, ligger typisk i området 5-75 MPa; målt helt fremmme ved domen. Niveauet afhænger meget af dorngeometri, viklemønster og viskositeten af matrixmaterialet. Sammenhængen mellem trådspænding og den kraft, der skal trækkes med i en aktuel roving, er givet ved: hvor F (J' A = (J'. mil P F =Kraften i rovingbundtet (J' = Trådspændingen A = Tværsnitsarealet af fibrene ml =Massen af fibre per længdeenhed p =Massefylden af fibrene 68

69 For henholdsvis en 1200 tex glasfiber og en 12K kulfiber fås: Fiber Masse per længde [g/km] Massefylde [g/cm 3 ] Spænding [MPa] Kraft [N] 1200 tex glasfiber 12K kulfiber ,58 1, ,3-35 2,2-33 Trådspændingen har stor indflydelse på fiberindholdet og dermed på materialekvaliteten i de viklede emner. Med stigende trådspænding bliver fibrene pakket bedre sammen på dornen, og det resulterer i et højere fiberindhold. Et typisk sammenhæng er vist i figur 2.36, hvor målingerne er foretaget på standardiserede vikleprøveemner; såkaldte NOL-ringe (Naval Ordnance Laboratorie, USA), som er 146 mm i indvendig diameter og udelukkende består af omkredsviklinger (a =90 ). Trådspændingen har stor indflydelse på fiberindholdet Vol-% ~ 60.r:. "'C c.i:: Cl)..c Li: ,-----,-----,-----,----., Trådspænding MPa Figur 2.36 Fiberindholdet i vådviklede kulfiber/epoxy-ringe som funktion af trådspændingen. I det aktuelle tilfælde er der anvendt et lawiskøst (40 mpa s) epoxysystem, og trådspændingen bør ikke overstige 40 MPa, da stigende fiberindhold medfører faldende interlaminær forskydningsstyrke (Ref.27) Dorngeometri, viklemønster og viskositet af matrixmaterialet har også stor indflydelse på fiberindholdet i det viklede emne. Med stigende dorndiameter og faldende viklevinkel vil den lokale krumningsradius i pålægningspunktet stige og føre til et faldende fladetryk af fibrene mod dornen (for fastholdt trådspænding); og et lavere fladetryk vil medføre et lavere fiberindhold. Sammenhængen mellem krumningsradius (rk), dornradius (r) og viklevinkel(a) er givet ved: Lokal krumningsradius 69

70 Dette er illustreret i figur 2.37, hvor fibre med en viklevinkel på (l vikles på en cylinder med radius r. Et plan gennem pålægningspunktet skære cylinderdomen i en elipse, og elipsens største krumningsradius er lig med viklemønstrets lokale krumningsradius rk' Figur 2.37 Geometrisk illustration af vikiemønstrets lokale krumningsradius rkl som funktion af viklevinkel et og dornradius r r a=-.- Sina r a a 2...k. = - => rk=a r r Irk=~ I 'b / _ - - FI re Vinkeldorn Pålægningspunkt Føreøje En øget viskositet af matrixmaterialet vil ligeledes fører til et faldende fiberindhold (for fastholdt trådspæmding), da det er vanskeligere at presse fibrene tæt sammen, når matrixmaterialet er mere sejtflydende. Det er ikke muligt på simpel vis præsist at fastlægge en trådspænding til vikling af en given komponent, da alle de nævnte faktorer spiller ind. Det er normalt nødvendigt at fastlægge procesparametrene ud fra forsøg, hvis materialet skal have optimale egenskaber. Eksemplet i figur 2.36 viser, at hvis der ønskes et fiberindhold på 60 vol-%, skal trådspændingen være 22 MPa for det aktuelle kulfiber/ eopxy-system, hvis krumningsradius på emnet er lig med NOL-ringens indvendige radius (73 mm) Vædning af fibrene Vædningen af fibrene er den procesparameter, som har størst indflydelse på porøsitetsindholdet i det færdige emne, og dermed også stor betydning for materialekvaliteten. Uanset hvilken form for vædningsprincip der anvendes, er det vigtigt at matrixmaterialet og fibrenes overfladebehandling (sizing) er kompatible, og at matrixmaterialet er lavviskøst, så 70

71 fibrene let og hurtigt gennemvædes af matrixmaterialet. Det er ønskeligt, at viskositeten ligger i området mpa s, men i visse tilfælde er det muligt at etablere acceptabel vædning, selvom viskositeten er helt op imod mpa s. Matrixmaterialets viskositet kan reguleres ved tilsætning af fortyndingsmidler eller ved at kontrollere temperaturen. Fortyndingsmidler kan kun tilsættes i begrænsede mængder af hensyn til materialeegenskabeme i slutproduktet. Ved temperaturregulering er det vigtigt, at både matrixmateriale, vædemekanik og dornen (emnet) er opvarmet, idet fiberbundterne ofte først bliver fuldt gennemvædet og porefri, efter at de er viklet på domen. Det mest simple vædningsprincip er dypvædning, som består i, at fibrene trækkes igennem et kar, som indeholder matrixmateriale. Fibrene kan ledes igennem karret enten ved at føres skiftevis over og under nogle faste stænger eller under en medløbende tromle, som vist i figur 2.38 De faste stænger yder mere modstand og opbygger større trådspænding i fibrene, samt øger risikoen for brud af enkelte fibre. Hvis ikke matrixmaterialet er ekstremt lavviskøst, vil der normalt hænge for meget matrixmateriale ved fibrene, og den overskydende mængde må derfor stryges af eller klemmes ud af fiberbundtet. Dette kan gøres ved at lede fibrene imellem nogle afstrygerstænger, igennem en kalibreringsdyse, eller imel- Dypvædning Figur 2.38 Principskitse af dypvædning. øverst med faste stænger og ka Iibreringsdyse, og nederst med en medløbende tromle og afstrygervalser 71

72 lem et sæt afstrygervalser. Det er en stor ulempe ved dypvædning, at al den luft, de indkommende fibre indeholder, bliver trukket med ned i matrixbadet, og at det deraf hurtigt bliver forvandlet til noget, der minder om et skumbad. For at fremstille acceptable emner med dypvæddede fibre er det derfor nødvendigt, at de vædede fibre under deres videre vej frem til domen, eller på selve domen, har mulighed for at slippe af med de fleste luftindeslutninger, eller også må der anvendes et matrixmateriale, hvor tendens til skumdannelse er mindre. Tromlevædning Ved tromlevædning, figur 2.39, føres fibrene hen over en tromle, som dypper ned i et kar med det flydende matrixmateriale. Fibrene trækker selv tromlen rundt, som derved fører matrixmateriale over på fibrene. En afstrygerskinne med en justerbar spalteåbning mellem skinne og tromle kan anvendes til at kontrollere mængden af matrixmateriale, som overføres til fibrene. Fordelen ved tromlevædning set i forhold til dypvædning er, at luften i fiberbundtet ikke føres ned i karret med matrixmaterialet, men i stedet af matrixmaterialet på tromlen presses ud imellem fibrene og bort til omgivelserne. Ved anvendelse af meget store viklehastigheder eller højviskøse matrixmaterialer er der dog også ved denne metode tendens til skumdannelse i karret, idet tromlen pisker luft med ned i matrixmaterialet, og det matrixmateriale, som "plasker" tilbage i karret ved afstrygerskinnen, også trækker luft med. Det sidstnævnte kan dog minimeres ved at placere afstrygerskinnen tæt på væskeoverfladen. Da afstrygerskinnen ikke er i kontakt med fibrene, udøver den ingen skader på disse, og denne metode til kontrol af fiber/matrixforholdet er derfor at foretrække frem for de metoder, der er nævnt under dypvædning. Figur 2.39 Principskitse af tromlevædning. Spalteåbningen mellem vædetromle og afstrygerskinne kan justeres Fibre Afstrygeskinne 72

73 Uanset om matrixmaterialet tilføres karret batchvis eller kontinuert, må man sikre, at der er en jævn udskiftning af materiale overalt i karret. Hvis der er hjørner eller kroge i karret, hvor materialet ikke udskiftes, vil det her begynde at hærde og indvirke negativt på viskositeten og hærdeforløbet i resten af karret. En praktisk metode til at undgå en begyndende hærdning af matrixmaterialet er at benytte to separate vædningsudstyr, som kører parrallelt. I det ene udstyr hæløes en blanding af matrixmateriale og accelerator, og i det andet udstyr hældes en blanding af matrixmateriale og katalysator. Begge blandinger har meget lange arbejdstider (potlife). To fiberbundter, som har passeret hvert sit vædningsudstyr, føres herefter sammen og ledes videre samlet over på domen. Princippet kan også anvendes, hvis der ønskes en ekstrem hurtig hærdning af det viklede emne. En blanding af alle matrixmaterialets komponenter i et og samme kar vil i et sådant tilfælde ikke være muligt. To separate vædeudstyr Princippet med to separate vædeudstyr kan benyttes hvis matrixmaterialet er polyester eller vinylsester, idet hærdningen her foregår ved krydsbinding til og mellem styren, som allerede er iblandet materialet. I epoxy sker hærdningen derimod ved at molekyler i henholdsvis harpiks-delen og hærder-delen krydsbinder, og for at sikrer en kontrolleret og acceptabel hærdning skal disse to komponenter blandes godt. En simpel sammenføring af to fiberbundter, som har passeret hvert sit kar med henholdsvis epoxyharpiks og epoxyhærder, vil ikke resulterer i en tilstrækkelig blanding af de to komponenter. En anden metode til at undgå en begyndende hærdning af matrixmaterialet i karret er at benytte drypvædning, figur 2.40 og figur 2.41, hvor matrixmaterialet blandes og tilsættes IIdråbevis" i takt med fiberforbruget. Fibrene løber neden om en vædetromle, som trækkes rundt af fibrene. Via en hulskive, som er fastgjort til vædetromlen, styres tilsætningen af matrixmaterialet, således at doseringen sker i takt med fiberforbruget. Doseringsmængden kan kontrolleres på styrepanelet, dels ved at indstille antallet af pulser, der skal modtages, før doseringsventilen åbnes, og dels ved at indstille den tid i hvilken ventilen skal være åben. Et mini-reservoir med tilhørende afstrygerskinne sikrer, at matrixmaterialet fordeles jævnt over vædetromlens bredde. Fordelen ved Drypvædning 73

74 drypvædning set i forhold til tromlevædning er, at vædetromlen ikke pisker luft ned i matrixmaterialet, og at viskositeten af matrixmaterialet er ensartet under hele vikleprocessen. Figur 2.40 Principskitse af automatisk blanding og drypvædning. Matrixmaterialet tilsættes dråbevis, og doseringshastigheden styres elektronisk af hulskiven Hærder Trykluft Matrixmateriale Trykluft Trykluft D 00 D 00 Styrepanel Matrixmateriale Dråbevis dosering :'\.. Føler Spildbakke 74

75 Figur 2.41 Afspoling, drypvædning og trådspændingsregulering monteret på en fælles enhed, som følger føreøjets position frem og ti 1 bage langs viklemaskinen. Blandeenheden for matrixmaterialet står oven på kassen, doseringspistol og vædetromle er nederst til højre i kassen, og for oven til venstre i kassen er trådspændingsregulatoren (Ref. 26) Viklehastighed Af produktionsøkonomiske årsager ønskes viklehastigheden at være så stor som muligt, men der er en lang række procestekniske faktorer, som hver især sætter sine begrænsninger. Faktorerne er: Viklemaskinens kapacitet og styring Vikledornens masseinertimoment Faktorer som begrænser vikiehastigheden Vikledornens største diameter Vædningsudstyrets kapacitet Hvis vikledornen har et stort masseinertimoment, kræves der en robust og kraftig viklemaskine for at sikre en præcis styring, og dermed en korrekt placering af fibrene; specielt hvis rotationshastigheden er stor. Hvis diameteren på emnet er stor skal rotationshastigheden være lav, for ikke at matrixmaterialet skal slynges væk fra emnet. Rotationsaccelerationen skal derfor være mindre end tyngdeaccelerationen, og sammenhæng mellem emnediameter og maksimal tilladelig rotationshastighed er vist i figur

76 Figur 2.42 Maksimal tilladelig rotationsha- O"l II stighed som funktion af dorndia- Omdr.lmin. mimin. ~ Lo. meteren for at forhindre, at matrixmaterialet slynges bort. Det ~ ~ tilladelige arbejdsområde er det,.> der ligger under kurven. Tilhø- 22 "'C '" QJ Lo. rende viklehastigheder for vikie- ~ E vinkler på 90 (omkredsviklinger) o "'C er også angivet QJ "'C.t=. 37 QJ > ~..;i "'C QJ '" to.t=..t= ~..;i '" c o..;i 112.t=. to QJ +-' o ~ o:: O mm Diameter - o QJ ~ to '" :> Hvis fibrene løber for hurtigt gennem vædningsudstyret, har de ikke tid til at opsamle den fornødne mængde matrixmateriale og sikre en fuld gennemvædning af alle fibre. Hvis vædekar eller vædetromle gøres større, kan hastigheden øges, idet fibrenes kontakttid med matrixmaterialet herved kan holdes uforandret. Viklehastigheden kan også øges, hvis fiberbundterne spredes ud til et tyndt lag, når de løber hen over vædetromlen. Herved nedsættes den nødvendige vædningstid. Stor viklehastighed og god materialekvalitet kan opnås med drypvædning Sammenligning mellem tromle- og drypvædning af kulfiber/ epoxy NOL-ringe viser, at der kan vikles med større hastighed og opnås højere materialekvalitet ved anvendelse af drypvædning (Ref. 27). Med en vædetromlediameter på 100 mm begynder materialekvaliteten ved tromlevædning at falde, når viklehastigheden overstiger 8 m/min. Ved drypvædning er kvaliteten uforandret, selvom hastigheden stiger til 16 m/min. (Ved de aktuelle målinger i Ref. 27 er der ikke viklet hurtigere end 16 m/min, og der er derfor mulighed for endnu større hastighed uden at miste kvalitet). Med korrekt indstilling af procesparametrene er det muligt at opnå meget høje materialekvaliteter ved vådvikling. Den i figur 2.43 viste kulfiber/ epoxy trykbeholder er fremstillet ved drypvædning. Den har et fiberindhold på 55 vol-%, et porøsitetsindhold på under 0,5 vol-%, og en interlaminær forskydningsstyrke på 85 MPa. 76

77 Figur 2.43 Trykbeholder og dens mikrostruktur. Beholderen er fremstillet af kulfiber/epoxy ved drypvædning, og den har et fiberindhold på 55 vol-% og et porøsitetsindhold på under 0,5 vol-% Slækoptag og føreøje Slækoptaget har til formål dels at udglatte uregelmæssigt fiberforbrug, for at få en tilstrækkelig jævn fiberhastighed gennem vædemekanikken og ved afspoleenheden, og dels at sikre, at fibrene hele tiden holdes udstrakte mellem føreøjet og emnet. Ved visse kombinationer af emnegeometri, viklemønster og maskintype kommer man ud for, at fibrene skal trækkes baglæns gennem føreøj~tfor hele tiden at holdes udstra~. \ De-mest benyttede typer af føreøjer er en kam, et øje, en rulle eller en ringføring.en kamføring kan få mange rovings til at dække et bredt bånd, et føreøje kan samle mange rovings til et smalt tykt bånd, en førerulle er mest skånsom overfor fibrene, og en ringføring, som omslutter vikledomen, sikrer et ensartet radielt træk i alle retninger på domen. Det sidste er vigtigt ved vikling af slanke emner; især hvis trådspændingen er høj. 77

78 Figur 2.44 Eksempel på kombineret kamog øjeføring (Ref. 26) På viklemaskiner med mange frihesgrader er det muligt aktivt og løbende at positionere førearrangementet optimalt i forhold til emnegeomeiti og viklevinkel. På maskiner hvor førearrangementet ikke kan positioneres, er det muligt i visse tilfælde at benytte et passivt positionerende førearrangement, der er designet således, at trækket i fibrene hele tiden svinger arrangementet i den ønskede position. Figur 2.45 Passiv svingbar førerulle. Trækket i fibrene positionerer rullen Hærdning af viklede emner Under hærdningen af de færdige emner skal man selvfølgelig være opmærksom på de generelle faktorer, som er nævnt under autoklavehærdning af termohærdende fiberkomposit- 78

79 ter, afsnit 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 for neden 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 matrixmateriale 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 matrixmaterialet i at løbe af. Indpakningen kan ske med viklemaskinen ved at vikle et bånd af plastfolie eller tætvævet klæde omkring emnet. Prepregvikling af termohærdende fiberkompositter Prepregvikling 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. Fordele ved prepregvikling Materialekvaliteten er høj og ensartet, og der kan opnås et højt fiperindhold selv på store emner med små viklevinkler. Der opstår få skader på fibrene under viklingen, da de er beskyttet af matrixmaterialet. Matrixtyper med gode højtemperaturegenskaber kan benyttes. Viklemønstret kan afvige fra de geodætiske linier, da prepreg-båndet et klæbrigt. Det giyer større designfrihed. Det er en renlig og materialebesparende proces, da dryp og spild af matrixmateriale undgås. Men der er selvfølgelig også nogle ulemper: Materialeprisen er højere. Prepreg skal opbevares koldt for at have en acceptabel levetid. Ulemper ved prepregvikling 79

80 Der er begrænset udvalg af materialekombinationer, medmindre man fremstiller sin egen prepreg. Prepreg er mere stiv og uhåndterlig end uimprægnerede rovings. Lokaliseret opvarmning af prepreg-båndet kan være nødvendigt flere steder. For eksempel under afspoling, ved førerullen, og på selve emnet. Den lokaliserede opvarmning af prepreg'en 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. (Se også afsnit 2.3: "Autoklavehærdning af termohærdende fiberkompositter" og afsnit 2.5: "Vakuumsækhærdning"). Hvis emnets godstykkelse er stor, skal sammenpakningen af de påviklede lag foretages grundigt, for at sikre en kontrolleret fiberorientering i de yderste lag. Vakuummet ellet 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 prepreg-iagene er at foretage nogle mellemliggende procestrin med vakuumkonsolidering, hvor emnet for hver ca. 2-3 mm påviklede lagtykkels indpakkes i en vakuumfolie og evakueres Vikling af termoplastiske fiberkompositter er af nyere dato Princip og metoder Vikling af termoplastiske fiberkompositter Grundlæggende princip Vikling af termoplastiske fiberkompositter er af meget ny dato og befinder sig endnu på et eksperimentelt udviklingsstade. Demonstrationseksempler på aksler og beholdere til for eksempel fly og biler er fremstillet og afprøvet med et teknologisk tilfredsstillende resultat, men produktionshastigheden er stadig for lille til, at processen endnu har fået en udbredt kommerciel anvendelse. Der forskes meget inden for området, og det forventes, at et egentligt kommercielt gennembrud vil komme inden for de nærmeste år (Ref ). Princippet i vikling af fiberforstærket termoplast består i at vikle fibre og matrixmateriale (prepreg eller postpreg) om- 80

81 kring dornen og samtidig eller efterfølgende at smelte matrixmaterialet og konsolidere kompositmaterialet. De metoder, der anvendes, kan inddeles i in-situ konsolidering, ovnvikling og rumtemperaturvikling. Ved in-situ konsolidering opvarmes matrixmaterialet, efterhånden som det kontinuert vikles på dornen (emnet), ved ovnvikling er dornen placeret indvendigt i en ovn, som er opvarmet til procestemperaturen, og ved rumtemperaturvikling vikles materialet på dornen ved rumtemperatur, hvorefter en efterfølgende opvarmning og konsolidering af materialet skal foretages. Med hensyn til materialetyper og generelle fremstillingsteknologiske aspekter for de termoplastbaserede fiberkompositter henvises til afsnit 2.4: "Autoklavekonsolidering af termoplastiske fiberkompositter". In-situ konsolidering Et arrangement til in-situ konsolidering består af en afspoleenhed med trådspændingsregulering, en forvarmestrækning, et føreøje, en koncentreret varmekilde, en opvarmet dorn, en konsolideringsrulle eller glidesko, og en viklemaskine, som vist i figur Konsol ideringsrulle ~ Varme Afspoling med bremse Regulering af trådspænding Forvarmning Føreøje Vikledorn Figur 2.46 Grundlæggende princip i vikling og in-situ konsolidering af termoplastiske fiberkompositter Som halvfabrikata er det kun praktisk muligt at anvende (smalle) prepreg-bånd. In-situ konsolidering af postpreg vil resulterer i mange porøsiteter i det færdige materiale; dels fordi procestiden (tiden hvor matrixmaterialet er smeltet og i kontakt med konsolideringsrullen) er meget kort, og dels for- Luftindeslutninger skal minimeres 81

82 di det er meget vanskeligt kontinuert at presse al den indesluttede luft ud igennem det højviskøse matrixmateriale. Men selv ved anvendelse af prepreg-bånd er det vigtigt at undgå luftindeslutninger mellem de successivt påviklede lag, idet luftindeslutningerne vil reducere den interlaminære forskydningsstyrke ganske betydeligt. Et konkret eksempel på dette er vist i figur Figur 2.47 Den interlaminære forskydningsstyrke som funktion af porøsitetsindholdet i in-situ konsoliderede NOL-ringe viklet af 3 mm brede kulfiber/peek prepregbånd (Ref. 29) MPa Porøsitetsindhold vol-% Energitilføreise Kortbølgede infrarøde 1amper Den vigtigste procesparameter i in-situ vikling af fiberforstærket termoplast er temperaturforholdene gennem hele processen. Det man idelt tilstræber er at tilføre præcist så meget varmeenergi, at materixmaterialet smelter, både på det indkommende bånd og på dornen, og løber sammen i kontaktpunktet. Hvis der tilføres for lidt varme, kan det påviklede lag ikke smelte sammen med det materiale, der allerede er viklet på dornen, og hvis der tilføres for meget varme, er der dels risiko for, at matrixmaterialet nedbrydes, og dels at det påviklede materiale skrider, hvis viklemønstret afviger fra geodætiske baner. I stræben efter større viklehastighed, højere materialekvalitet og lavere energiforbrug er der udført mange forsøg med vidt forskellige energikilder; lige fra varmluftblæsere, over fokuserende kortbølgede infrarøde lamper, til forskellige. typer lasere. Gode resultater er opnået med kortbølgede infrarøde lamper; hovedsageligt fordi man kan kontrollere energiafgivelsen meget præcist. Lamperne kan bringe materialerne op på pro- 82

83 cestemperaturen på under 3 sekunder, og energiafgivelsen kan afbrydes momentant (Ref. 33). Porøsitetsindhold på 1-2 vol-%, og interlaminær forskydningsstyrke på MPa for viklede NOL-ringe af kulfiber/peek viklet med en hastighed af m/min., er et eksempel på hvilke materialekvaliteter og viklehastigheder, der kan opnås med fokuseret varmetilføreise i og omkring kontaktpunktet som eneste energikilde (Ref. 29). Selv med anvendelse af laser som opvarmningskilde, har det endnu ikke været muligt at opnå større viklehastigheder. Årsagen til dette er blandt andet vanskeligheden med kun at afsætte energien i kontaktpunktet mellem den indkommende prepreg og emnet. Når laserstrålen nærmer sig det smalle gab, rammer den prepreg og emne, før den rammer kontaktpunktet, og strålen spredes, og dermed energien. Stor viklehastighed kræver stor energitilførelse, som resulterer i meget høje temperaturer på det indkommende prepreg-bånd. Temperaturen bliver let så høj, at matrixmaterialet nedbrydes (Ref.34). Der kan også fremstilles materialer af høj kvalitet ved at benytte simple varmluftblæsere med fokuserende varmestrøm i kombination med en forvarmning af både den indkommende prepreg og af emnet. Det er ikke den mest energibesparende proces, men det er relativt let at styre procestemperaturen overalt. For at mindske kravet til energiafgivelsen og fokuseringen af varmestrømmen fra varmluftblæseren, holdes temperaturen af emnet og forvarmestrækningen normalt på et niveau så tæt på procestemperaturen, som det er muligt, uden at matrixmaterialet når at blive nedbrudt under vikleprocessen. Ved at forlænge forvarmestrækningen bør det i princippet være muligt at vikle med relativt store hastigheder, men aktuelle værdier foreligger endnu ikke. Konsolideringen af det påviklede materiale kan enten foregå ved hjælp af trådspændingen i prepreg-båndet, ved hjælp af en konsolideringsrulle eller en glidesko, som presser mod emnet umiddelbart efter pålægningspunktet, eller ved en kombination af begge metoder. Hvilket princip der vælges afhænger af emnegeometri, viklemønster og materialetype. Emner med stor diameter, eller viklemønstre med stor krumningsradius, kræver en konsolideringsrulle eller en glidesko, da trådspænddingen skal være uacceptabel høj for at skabe Laser Varmluftblæser Konsolidering 83

84 et tilstrækkeligt stort konsolideringstryk. En høj trådspænding resulterer i store indre spændinger i det færdige emne. En typisk trådspænding (kraft) for vikling af ø 150 mm ringe med et 6 mm bredt kulfibrer/peek prepreg-bånd er på N, hvis der ikke anvendes anden form for konsolidering. Hvis der alen anvendes en konsolideringsrulle, skal der typisk presses mod emnet med en kraft på N per mm bredde af prepreg-båndet Vikling i opvarmet kammer Fordele og ulemper Ovnvikling Ovnvikling af termoplastiske fiberkompositter adskiller sig fra in-situ konsolidering ved, at domen og emnet er placeret i et ovnkammer, som er opvarmet til procestemperaturen under hele vikleprocessen. Prepreg-båndet skal opvarmes til procestemperaturen, før det bringes i kontakt med emnet, og det er derfor nødvendigt med en forvarmestrækning for at opnå acceptable viklehastigheder. Det er normalt ikke nødvendigt at anvende en konsolideringsrulle, da materialerne har god tid til at flyde sammen (Ref ). I forhold til in-situ konsolidering er ovnviklingsprocessen meget lettere at styre både temperaturmæssigt og mekanisk, da der ikke er nogen konsolideringsrulle eller fokuserende varmekilde, som hele tiden skal følge pålægningspunktet. Derimod kræver det et ovnkammer og en speciel bevægelig varmetætning, der hvor førearmen går igennem ovnvæggen. Hvis procestiden er lang, er det yderligere nødvendigt at fylde ovnkammeret med en inaktiv atmosfære for at forhindre nedbrydning af matrixmaterialet. Endnu en ulempe er, at viklemønstret ikke kan afvige fra de geodætiske baner. Der kan fremstilles emner med meget høj materialekvalitet ved ovnvikling. På 5 mm tykke og ø 150 mm rør af kulfiber/peek er der målt porøsitetsindhold på under 0,5 vol-% og interlaminære forskydningsstyrker på 110 MPa (Ref. 35). De bedste resultater opnås, hvis der benyttes en vikledorn med lav termisk udvidelse; for eksempel keramik. Årsagen er, at efter afslutning af selve viklingen og under afkøling af emne og dom, skal domen understøtte emnet indtil matrixmaterialet er størknet. Hvis dornen fjerner sig fra emnet, er der risiko for delamineringer i emnet. 84

85 Figur 2.48 Langs- og tværgående slib i et kulfiber/peek rør fremstillet ved ovnvikling af prepreg-bånd. Mikrostrukturen viser at materialekvaliteten er høj; det vil sige stort fiberindhold, velorienterede fibre og et meget lil Ie porøsitetsindhold (Ref. 35) Rumtemperaturvikling Rumtemperaturvikling af termoplastiske fiberkompositter består i først at vikle materialet (fibre og matixmateriale) omkring en ståldom ved rumtemperatur, og dernæst foretage en autoklavekonsolidering af emnet, som beskrevet i afsnit 2.4. Fordelene ved processen er, at den er relativ simpel, da selve viklingen foregår ved rumtemperatur uden tilføreise af varme, at viklehastigheden kan være meget stor.(kun begrænset af dornens masseinertimoment og af viklemaskinens mekanik), og at der som halvfabrikata kan benyttes såvel termoplastisk prepreg som postpreg, i modsætning til in-situ konsolidering og ovnvikling, hvor kun prepreg kan benyttes. Til gengæld skal emnerne gennem flere procestrin før de er færdige, og investeringerne i procesudstyr er større, da det består af både en viklemaskine og en autoklave. Procesforløbet kan opdeles i fire trin som vist i figur Trin 1 illustrerer vikledom og det viklede emne vakuumindpakket og klar til autoklavekonsolidering. Trin 2 viser ståldorn og kompositmateiale opvarmet til procestemperaturen Tp og påført konsolideringstrykket. Domen har udvidet sig, og det påviklede kompositmateriale er pres- Fordele og ulemper Proces i 4 trin Trin 1 Trin 2 85

86 set sammen, idet den luft, som blev introduceret under viklingen, er fjernet af vakummet under vakuumfolien (vakuumfolien er ikke vist). Trin 3 Trin 4 Under den efterfølgende afkøling begynder matrixmaterialet at størkne og bliver derved i stand til at optage kræfter. Den elastiske forlængelse af fibrene relakseres i starten af afkølingen. Ved en given temperatur, der betegnes sliptemperaturen Ts, vil der optræde spændingsligevægt i kompositmaterialet, idet trækspændingerne i fibrene optages af trykspændinger i matrixmaterialet. Det viklede emne "låses" således i denne position, og under den fortsatte afkøling vil vikledornen slippe fra det konsoliderede emne. Trin 4 illustrerer det konsoliderede emne og dorn afkølet til rumtemperatur TR' Figur 2.49 Fire procestrin under rumtemperaturvikling og autoklavekonsolidering af termoplastiske fiberkompositter. (De angivne procestemperaturer er gældende for kulfiber/ PEEK) (Ref. 37) Trin 1 Trin 2 Trin 3 Midter- '-'-'-'- Trin 4 akse ISS] Påviklet kulfiber/peek ~ Konsolideret kulfiber/peek fz2i Ståldorn Som det fremgår af figur 2.49, fylder det påviklede materiale ved rumtemperatur en hel del mere end det konsoliderede laminat. Det skyldes, at der uundgåeligt vil være en del luft i det påviklede materiale, hvad enten det er prepreg-bånd eller postpreg-garn. Under opvarmningen og tryksætningen sker der to ting, som begge har afgørende betydning for, at materialet bliver perfekt sammenpresset. Dels vil dornen udvide sig, strække de inderste fibre og mase materialet ud på en større diameter, og dels vil trykket i autoklaven presse materialet ind imod dornen. Fibrene skal pakkes tæt sammen Det er væsentligt for opnåelse af et godt resultat, at fibermaterialet under vikling ved rumtemperatur bliver pakket tæt 86

87 sammen, med så lidt luft (mellemrum) mellem fibrene som muligt. Hvis store mængder dårligt sammenpakket materiale vikles på dornen, bliver den ydre diameter af det viklede emne så stor, at der er risiko for, at de yderste fibre i det færdige emne ikke opretholder den ønskede fiberorientering. Skønt dornen udvider sig under opvarmningen, vil de yderste fibre alligevel blive presset ind på en mindre diameter (end ved rumtemperatur) af konsolideringstrykket, og fibrene vil danne tilfældige folder og bugter på overfladen, som illustreret i figur Figur 2.50 Illustration af opståede fiberfolder i et laminat Materiale Dorn Tværsnit efter vikling Tværsnit efter konsolidering Der kan opstilles en teoretisk model til bestemmelse af den maksimale laminattykkelse (t max )' det er muligt at vikle på dornen, uden at der opstår fiberfolder i det konsoliderede laminat (Ref. 37). Fiberfolder kan kun undgås, hvis de yderste pålagte fibre ikke er blevet presset ind på en mindre diameter, når laminatet har opnået sin endelige form ved sliptemperaturen Ts. Den maksimale laminattykkelse kan findes, når yderradius, r w ' på det rumtemperaturviklede emne er den samme som yderradius på det konsoliderede laminat. Modellen er illustreret i figur 2.51, hvor de to skitser svarer til procestrin 1 og procestrin 4 i figur Teoretisk model Figur 2.51 IIIustration af teoretisk model for rumtemteraturvikling Dorn Trin 1 87

88 Det fremgår af modellen at t max kan beregnes som: t max = r w - r s Radius r s ved sliptemperaturen Ts kan findes som: hvor at er differensen mellem de termiske udvidelseskoefficienter på henholdsvis dornmateriale og fibermateriale (i omkredsretningen). Kompaktionsgraden, c, er en faktor mellem nul og en, der angiver hvor godt materialet er sammenpakket under viklingen. Ved optimal sammenpakning er c = l, hvilket svarer til, at der ikke er luft tilstede i det påviklede materiale, mens c = Osvarer til, at alt det påviklede "materiale" er luft. Heraf fås: Den maksimalt tilladelige relative laminattykkelse kan udtrykkes som: Dornradius og de termiske udvidelseskoefficienter for dornmaterialet og fibermaterialet er kendte størrelser. Den luftmængde, som introduceres i materialet under viklingen ved rumtemperatur (kompaktionsgraden c), afhænger blandt andet af typen af halvfabrikata, viklemønster og trådspændingen. Kompaktionsgraden kan bestemmes eksperimentelt ved en simpel måling af diameterforøgelsen under vikling, og sammenholde den med den nominelle tykkelse af det aktuelle halvfabrikat. Sliptemperaturen afhænger af halvfabrikata, fiberorientering samt afkølingshastigheden, og det er ligeledes nødvendigt at bestemme denne parameter eksperimentelt. Eksempel på anvendelse af modellen Som eksempel på anvendelse af modellen er der i figur 2.52 vist den maksimalt tilladelige relative laminattykkelse som funktion af kompaktionsgraden for henholdsvis kulfiber/ PEEK prepreg-bånd og kulfiber/peek postpreg-garn. 88

89 tmaxlr 0,100 Figur 2.52 Maksimalt tilladelige relative laminattykkelse, tma/r, for kulfiber/peek som funktion af kompaktionsgraden c. {at =17x10-6 0(-1, T s = 252 O( for prepregbånd, T s = 319 O( for postpreggarn), (Ref. 37) Cl) ~ 0,010 ~ ~ ~ > '+:i tv ~ (ij E 'Vi ~ tv ~ 0, r -~- r - r - r_- r_- r - r_- r_-..., O 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Kompaktionsgrad (c) I praksis er det vanskeligt at opnå kompaktionsgrader på mere end 0,55, uanset om der benyttes prepreg eller postpreg. Det er måske ikke så overraskende, at det er vanskeligt at kompaktere postpreg-garn til mere end 0,55, men man skulle umiddelbart forvente, at prepreg-bånd kan pakkes tættere sammen. At det ikke er muligt, skyldes dels at prepreg-båndene ikke er helt jævne på overfladen, dels at de har en lille variation i båndbredden, dels at der forekommer overkrydsningspunkter i viklemønstret, og endelig at viklemaskinens præcision måske ikke er tilstrækkelig god til denne proces. En upræcis styring resulterer i, at prepreg-båndet Opnåede resultater i praksis Prepreg-bånd viklet med overlap 1 lag Figur 2.53 Illustration af overlap og mellemrum ved upræcis placering af prepreg-bånd (Ref. 37) Mellemrum 3 lag Prepreg-bånd viklet med mellemrum 89

90 placeres med overlap eller mellemrum, som illustreret i figur 2.53, og det medfører selvfølgelig en dårlig kompaktionsgrad. Rumtemperaturvikling har på prototype-niveau demonstreret, at der kan fremstilles emner med en meget høj materialekvalitet (figur ), så længe den relative laminattykkelse er lille. Rør med en diameter på 235 mm af kulfiberjpeek kan fremstilles med den ønskede fiberorientering og med perfekt materialekvalitet, når blot godstykkelsen ikke overskrider 0,6 mm, men da den maksimalt opnåelige godstykkeise er ligefrem proportional med emnets diameter, kan emner med en diameter på 2 m fremstilles med en godstykkelse på op til 5,3 mm. Man skal dog ved alle emnedimensioner være opmærksom på, at hvis fiberorienteringen alene består af omkredsviklinger, vil dornens udvidelse introducere store indre spændinger i de konsoliderede emner, med mindre der benyttes halvfabrikata med diskontinuerte fibre, som er i stand til at glide i forhold til hinanden, når emnet er opvarmet til procestemperaturen. Figur 2.54 Eksempler på kulfiber/peek rør fremstillet ved rumtemperaturvikling. Prepreg-bånd og postpreg-garn er vist i forgrunden, henholdsvis til højre og venstre (Ref.37) 90

91 ~~ ~~ ~~~ Figur 2.55 Langs- og tværgående slib i et kulfiber/peek rør fremstillet ved rumtemperaturvikling af prepreg-bånd. Laminattykkelsen er 0,56 mm, fiberindholdet er 57 vol-%, og porøsitetsindholdet er 0,5 vol-o/a (Ref. 37) Profiltrækning 2.10 Profiltrækning er en rationel proces til fremstilling af fiberforstærkede kontinuerte profiler, og processen har vundet stor udbredelse til fremstilling af profiler baseret på de termohærdende matrixmaterialer. Procesteknologien til fremstilling af profiler baseret på de termoplastiske matrixmaterialer er under hastig udvikling, men har endnu ikke opnået 91

92 nogen stor kommerciel udbredelse. Det forventes at komme inden for de nærmeste år, da ønsket/kravet til anvendelse af termoplastiske matrixmaterialer er stigende Grundlæggende princip Den traditionelle proces til fremstilling af profiler med termohærdende matrixmaterialer består i at fibermaterialet først trækkes igennem et vædningsudstyr, hvor matrixmaterialet tilføres. Derefter trækkes det væddede fibermateriale ind igennem et opvarmet matriceværktøj, hvor profilets geometri dannes, og hvor matrixmaterialet hærder. En variant af processen består i at trække de tørre fibre direkte ind i det opvarmede matriceværktøj, hvor matrixmaterialet kontinuert injiceres. Figur 2.57 Principskitse som viser profiltrækning af fiberforstærkede profiler (Ref. 38) Fiber Opvarmet matriceværktøj ~ ~X-injicering /~8~ ~ FiberI I ~ ;;..- ~ ;;...- Opvarmet matriceværktøj Profiltrækning, som i sin mest simpel form har været anvendt siden 1948 (Ref. 6), anvendes i dag til fremstilling af mange forskellige typer profiler af varierende størrelse, geometri og kompleksitet. ProfiIstørrelse De største produktionsanlæg kan fremstille profiler med ydre tværsnitsmål på op til 900 x 600 mm (Ref. 2). Et af de kraftigste profiler, som er fremstillet, er et kvadratisk firkantrør med et tværsnit på 425 x 425 mm og en godstykkelse på 25 mm, hvortil der er anvendt ca rovings (Ref. 6). 92

93 Figur 2.58 Profiltrækningsanlæg. Fiberrovings trækkes igennem en ledeplade, som styre fibrenes placering i profilet og videre frem til matriceværktøjet (Ref. 39) Produktionshastigheden for standardprofiler af moderat størrelse ligger på 1-1,5 mimin, men ved mindre og simple profiler kan hastigheden komme op på 4-5 mimin, hvis profilet kun indeholder ensrettede fibermateriale. Produktionshastighed Profilgeometri Profilernes tværsnitsgeometri kan være runde, kantede, massive, åbne, lukkede (hule) og med varierende godstykkelse, som illustreret i figur Begrænsninger på de tværsnitsgeometrier, som kan fremstilles, afhænger af de fibermaterialer, der benyttes. For eksempel kan fiberrovings presses ud i skarpere hjørner end fibermåtter kan, og som generelle retningslinier kan følgende begrænsninger anføres: Fibermateriale Mindste krumningsradius [mm] Mindste godstykkelse [mm] Største godstykkelse [mm] Roving 0,8 1,0 75 Måtte 1,6 1,

94 Figur 2.59 Eksempler på fiberforstærkede konstruktionsprofiler, som er fremstillet ved profiltrækning. Eksemplerne illustrerer det brede spektrum af profiltværsnit, der kan fremstilles (Ref. 40) Figur 2.60 Profiltrukne fiberforstærket bygningsprofiler (Ref.41) 94

95 Figur 2.61 Profiltrukne armeringsstænger med forankringssystem (Ref. 39) Figur 2.62 Verdens første større bro, som helt er bygget af fiberforstærket plast. Det er en 120 m lang fodgængerbro, som spænder over floden Tay i Skotland. Hovedparten af broens komponenter er fremstillet ved profiltrækning (Ref.42) Fibermaterialer Fibermaterialet i de første profiler, der blev fremstillet ved profiltrækning, bestod udelukkende af langsgående rovings. Profiler af denne karakter er meget stærke og stive i længderetningen, men de har kun lav styrke på tværs af fiberretningen og har også lav forskydningsstivhed og dermed lav vridningsstivhed. For at overvinde disse svagheder har processen, og de fibermaterialer der anvendes til profiltrækning, gennemgået en udvikling, som betyder, at man i dag stort set 95

96 kan fremstille profiler med de materialeegenskaber, man ønsker; blot de ligger inden for fibermaterialernes naturlige og fysiske begrænsninger. De materialetyper, der anvendes (ofte i kombination med hinanden), er følgende: Materialetyper Roving Spunroving (roving med spredte løkker) Textureret roving (luftblæst "fyldig" roving) Måtte (med endeløse fibre) Filt Væv (vævet rovings) Fletninger (flettede rovings) Kombinationsvæv (sammensyet eller "sammennålet" materiale bestående af flere lag af forskellig type) Til fremstilling af torsionsaksler eller rør er det almindeligt at kombinere profiltrækningsudstyret med en flettemaskine, således at for eksempel en +/ fiberretning flettes ind i fiberlaminatet, før det ledes ind i matriceværktøjet. Det er selvfølgelig også muligt at indflette andre fiberorienteringer. Begrænsninger på materialevalg Varierende materialesammensætning Overfladevæv Typen og kombinationen af fibermateriale kan ikke vælges fuldstændigt frit. Det er nødvendigt, at profilet indeholder tilstrækkeligt mange langsgående fibre til at kunne bære den kraft profilet trækkes igennem matricen med. Det er også nødvendigt, at fibermaterialet udfylder hele tværsnitsarealet for at sikre en kontrolleret fiber/matrix fordeling overalt i profilet. Det er således ikke muligt at fremstille et profil med et fiberindhold på kun 30 val-o/o, som kun indeholder rovings. De få rovings vil "klumpe" sammen i et "hjørne" af profilet og resultere i en inhomogen fiberfordeling. Profilerne kan have forskellige materialesammensætning forskellige steder i tværsnittet. For at sikre korrekt placering af alle fibrematerialerne i tværsnittet anvendes ledeplader og føreøjer til at dirigere de forskellige materialer hen til den ønskede placering, før de trækkes ind i matricen. Mange profiler fremstilles med et fintvævet overfladevæv af polyester eller polyamid. Det tjener flere formål: Dels giver det en pæn glat overflade uden aftegninger af underliggende fiberstruktur, dels beskytter det matrixmaterialet mod solly- 96

97 sets nedbrydende ultraviolette stråler, dels nedsætter det sliddet på matriceværktøjet, og endelig kan det benyttes som afrivningsvæv for at skabe en ren frisk overflade, som er velegnet til limning eller anden overfladebehandling. Matrixmaterialer De matrixmaterialer, som almindeligvis anvendes i forbindelse med profiltrækning af fiberkompositter, er termohærdende polyester, vinylester, epoxy og phenolplast. Alle typer fås i specielle kvaliteter beregnet til profiltrækning. Viskositeten ved procestemperaturen skal være lav (mindre end 500 mpa s) tor at sikre en hurtig og effektiv vædning af fibrene. Doseringen af accelerator og katalysator skal være præcis og ensartet for at sikre et kontrolleret hærdeforløb under profilets vej gennem matriceværktøjet, og doseringsmængden skal afpasses til profilets geometri, værktøjets temperatur og trækhastigheden. Matrixmaterialet tilsættes ofte et farvepigment, som dels giver profilet den ønskede farve, og dels yder beskyttelse mod sollysets ultraviolette stråler. Desuden tilsættes et "slipmiddel" (metalliske sterater eller organiske fosfater) så matrixmaterialet ikke binder til matricen og for at mindske friktionen mellem profil og værktøj. Den måde, hvorpå matrixmaterialet tilsættes, er af afgørende betydning for porøsitetsindholdet i det færdige profil. Det er vigtigt, at luften mellem fibrene har mulighed for at slippe ud, før den bliver ført med ind i matriceværktøjet og indesluttet i materialet. Som ved vådvikling (afsnit 2.7.3) er drypvædning af fibrene at foretrække frem for tromlevædning eller dypvædning, idet drypvædning resulterer i en perfekt vædning med et minimalt indhold af luftindeslutninger i fibermaterialet. Herefter er det vigtigt at føre alle fibermaterialerne ind i matriceværktøjet på en sådan måde, at luft ikke indfanges og føres med igennem. Hvis matrixmaterialet injiceres i matriceværktøjet, skal værktøjet designes således, at al luften imellem fibrene kontinuert bliver presset bagud i værktøjet; det vil sige imod trækretningen af det indkommende matrixmateriale. Det tryk, som matrixmaterialet injiceres med, ligger normalt i området 0,1-0,5 MPa (Ref. 38) Matrixmaterialer med lav viskositet og tiisætningsstoffer Drypvædning eller injicering Matriceværktøj og procesparametre Længden af matriceværktøjet ligger i området mm afhængig af profilets geometri og trækhastigheden. Værk- 97

98 tøjet kan fremstilles af værktøjsstål, som hårdforkromes, eller af hærdet værktøjsstål, som højglanspoleres (R a = 0,25 f.!m). Værktøjet slides under brug men kan renoveres ved ny pålægning af hårdkrom. Værktøjet standtid mellem renoveringer er ca. 30 km profil (Ref. 1). Procestemperatur Temperaturprofilen hen gennem det opvarmede matriceværktøj er nok den mest kritiske procesparameter ved profiltrækning. Temperaturen, som kontrollerer hærdeforløbet, skal være tilstrækkelig høj til at sikre, at profilet er gennemhærdet, når det forlader værktøjet, så det kan bære trækket i profilet, uden at der opstår skader. På den anden side må temperaturen heller ikke være så høj, at den i forening med den eksoterme varmeudvikling under hærdningen forårsager en termisk nedbrydning af matrixmaterialet. Formtemperaturen ligger i intervallet C afhængig af profilets størrelse, dets godstykkelse, type og formulering af matrixmaterialet og endelig af trækhastigheden. Hvis fibermaterialet forvarmes før det ledes ind i matriceværktøjet, kan trækhastigheden øges. Det er normalt nødvendigt at afkøle profilerne, straks de forlader værktøjet for at bringe temperaturen ned under matrixmaterialets glastemperatur, således at profilet kan modstå trækket. Afkølingen kan ske med luft eller vand. Trækkraft Den kraft, profilet trækkes med, afhænger selvfølgelig af profilets størrelse og udformning. Trækkraften skal overvinde de friktionskræfter, der opbygges i fibrene under deres vej gennem afspoleapparat, vædeudstyr og matriceværktøjet. Den maksimale trækkraft for standard-profiltrækningsudstyr ligger i området kn, men specialmaskiner med en kapacitet på 200 kn er fremstillet. Selve trækket i profilet etableres via nogle formtildannede bakker, som klemmer fast omkring profilet. Da trækket skal foregå kontinuert, kan flere af disse bakker være monteret på to "larvefødder", som klemmer imod profilet fra hver sin side. Trækket i profilet kan også etableres ved, at to sæt klembakker skiftevis overfører trækkraften, idet det ene sæt trækker, mens det andet sæt frit kører tilbage og griber om profilet et nyt sted. Profilet kan afkortes til ønskede længder med en "flyvende" sav, som er en sav, der følger med profilets bevægelse, mens det saves over. Hvis profilet er tyndt, kan det alternativt spoles op på store tromler. 98

99 For yderligere detaljer om profiltrækning af fiberkompositter, eksisterende standardprofiler og designanvisninger henvises til Ref. 1, 2, 5, 40, 43, 44 og 45. Matrixinjicering Grundlæggende princip Til fremstilling af termohærdende fiberkompositter ved matrixinjicering anvendes to formparter, som i samlet tilstand danner et formhulrum svarende til geometrien af det færdige emne. Fremstillingsmetoden kan kort beskrives ved følgende procestrin: 1. Formparterne påføres et slipmiddel Procestrin 2. Formparteme påføres, hvis påkrævet, et lag gelcoat 3. Det uimprægnerede (tørre) fibermateriale placeres i den ene formpart 4. De to formparter samles 5. Formhulrum med fibermateriale evakueres 6. Matrixmaterialet injiceres i formhulrummet, hvor det væder fibrene 7. Matrixmaterialet hærdes; eventuelt under varmetilførlse 8. Emnet afformes 9. Emnet afgrates og kanterne trimmes 99

100 Figur 2.63 Principskitse af matrixinjicering af termohærdende fiberkompositter (Ref. 6) :'-=-'=,,:~-;.\ " """"" \\ \\ \\ \\ \\ \\ 1. Det tørre (uimprægnerede) fibermateriale placeres i formen. Vakuum t Vakuum t f Matrix injiceres under tryk 2. Formen lukkes, og matrixmaterialet injiceres. f Matrixinjicering kontra håndoplægning Set i forhold til håndoplægning eller sprøjteoplægning af fiberkompositter har matrixinjicering en række fordele: Processens fortrin Miljøvenlig proces Præcis og reproducerbar fiberplacering Stort fiberindhold kan opnås Kan let automatiseres Emnerne opnår en god og ensartet materialekvalitet Glat overflade (eller kontrolleret struktur) på begge sider af emnet Miljøvenlig proces Matrixinjicering er en miljøvenlig proces, fordi den flydende plast hele tiden opbevares i lukkede beholdere eller i formhulrum. Det betyder, at både dampene, som frigives til omgi- 100

101 velserne, og den direkte kontakt med det flydende plastmateriale minimeres. Processen har tidligere fortrinsvis været anvendt til emnestørrelser på op til 2 x 4 m og seriestørrelser på op til stykker, men interessen for processen er stigende, og den bliver nu anvendt til større emner og større serier. 20 m lange både (Ref. 6) og store tanke med en overflade på 100 m 2 til tankbiler (Ref. 46) fremstilles ved matrixinjicering, og bilfabrikkerne er også begyndt at se på processen. Ford Motor Company har udført et konceptstudie, hvor frontstrukturen til en Ford Escort er fremstillet i fiberforstærket plast ved matrixinjicering. Den oprindelige part består af 90 ståldele, og den nye fiberkomposit-front, som kun består af 2 dele, er stærkere og stivere, og den vejer kun 66% af stålpartens vægt (Ref.1). Procestiden (incl. hærdning og afformning) kan varierer fra 3 minutter til et døgn, afhængig af blandt andet matrixtype, hærdetemperatur, emnestørrelse og godstykkelse. Som eksempel er procestiden for de ovenfor nævnte dele til frontparten til en Ford Escort på ca. 8 minutter i et prototypeværktøj. Emnestørrelse og styktal Procestid Figur 2.64 Indvendig beklædning til en motorbåd fremstill~tved matrixinjicering. Det er en sandwichkonstruktion, som er 4,5 m lang og vejer 35 kg. Procestiden er 4 timer mod 19 timer ved håndoplægning (Ref. 47) Procesparannetre Selve injiceringen af matrixmaterialet kan foregår på forskellige måder. Enten ved evakuering af formhulrummet, tryk- 101

102 sætning af beholderen med matrixmaterialet eller ved en kombination af både evakuering og tryksætning. Vakuum Tryk Materialekvalitet Vakuumet i formhulrummet ~ener to formål. Dels suger det matrixmaterialet ind i formen, og dels er det med til at skabe et porefrit emne. I mange tilfælde er et vakuum på 0,05 MPa (abs.) (O,S bar) tilstrækkeligt, men hvis man ønsker emner med et meget lavt porøsitetsindhold, skal vakuummet ned på ca. 300 Pa (abs.), og formen skal være vakuumtæt. Tryksætning af matrixindløbet kan være nødvendigt ved fyldning af store formhulrum eller fyldning af formhulrum, som er tætpakket med fibermateriale. Ofte vil et tryk på 0,2 0,7 MPa være tilstrækkeligt, men i ekstreme tilfælde har tryk på 2 MPa været anvendt (Ref. 38). øget tryk nedsætter fyldetiden og dermed procestiden, og det er en betingelse for at opnå succes med processen, at fyldetiden er lav (stor stømningshastighed af matrixmaterialet), vædningshastigheden af fibermaterialet er stor, og at matrixmaterialet under injiceringen danner en ensartet og jævnt fremadskridende flydefront. Ved større emner kan matrixmaterialet injiceres med en hastighed på op til 10 kg/min. Der kan let opnås en god materialekvalitet karakteriseret ved et fiberindhold på vol-o/o og et porøsitetsindhold på 0,5 1 vol-o/o. Ved gunstig emnegeometri, laminatopbygning og procesbetingelser kan der fremstilles emner med et fiberindhold på op til 65 vol-% og helt uden porøsiteter (Ref. 27 og 48). Hvis fiberindholdet er meget stort, skal man være opmærksom på risikoen for at få presset fibermaterialet så tæt sammen indbyrdes eller mod formvæggen, at fibrene næsten virker som pakgam og forhindrer matrixmaterialet i at trænge ind og væde alle fibrene. Figur 2.65 Transparent trykbeholder fremstillet af glasfiberforstærket epoxy. Trykbeholderen er først viklet med uimprægnerede fibre, og derefter placeret i et formværktøj, hvor matrixmaterialet er injiceret (Ref. 48) 102

103 Fibermaterialer Fibermaterialer, som er velegnet til anvendelse i forbindelse med matrixinjicering, har en lidt åben struktur, indeholder ikke løse korte fibre og har en sizing (overfladebehandling), som er kompatibel med det anvendte matrixsystem. Den åbne fiberstruktur skal sikre, at matrixmaterialet let kan presses ind overalt i formhulrummet. Der findes specielle fiberprodukter, hvor rovings er omviklet med tynde plastfibre for at skabe små kanaler, hvorigennem matrixmaterialet kan trænge frem. Almindelige fibermåtler (med korte tilfældigt orienterede fibre) er ikke velegnet til brug i forbindelse med matrixinjicering, da det fremtrængende matrixmateriale vil skubbe fibrene med foran sig. Det giver dels anledning til ukontrolleret fiberplacering, og der er dels risiko for, at fibrene pakker sammen og forhindrer matrixmaterialet i at komme frem overalt i formhulrummet. Fibermåtter fremstillet af endeløse fibre er mere velegnet, især når de benyttes i kombination med vævede fiberprodukter. Anvendelsen af fiberpreforms i forbindelse med matrixinjicering sikre en hurtig og let placering af fibermaterialet i formhulrummet, og sikre at fibrene ikke forskubber sig under sel- Åben fibestruktur Fibermåtter med endeløse fibre Fiberpreforms Figur 2.66 Fiberpreforms til en styrthjelm og et dæksel fremstillet af draperbart glasfibervæv med et lille indhold af termoplastiske plastpartikler eller plastfibre. Vævet er formstabiliseret ved en varmpresning ved ca. 90 O( (Ref. 50) 103

104 ve injiceringen af matrixmaterialet. Fiberpreforms er en betegnelse for et halvfabrikat, hvor fibrene er placeret efter ønskede retninger og danner den endelige geometriske form af det færdige emne, men endnu ikke via matrixmaterialet er bundet sammen til dannelsen af en strukturel fiberkomposit. Fremstillingen af selve fiberpreformen kan foregå ved vævning, strikning, hækling, fletning, syning eller ved en kombination af flere af processerne (Ref. 49). Figur 2.67 T-stykke og hjørnesamling fremstillet ud fra strikket giasfiberpreforms og injiceret med epoxy. Både fiberpreforms og de færdige komponenter er vist (Ref. 51) Lav viskositet Matrixmaterialer Epoxy, vinylester og polyester findes alle i specielle kvaliteter, som er velegnet til matrixinjicering. De har typisk en viskositet på mpa s ved procestemperaturen, og de indeholder ingen tilsætningsstoffer, som koger ved det anbefalede vakuum, idet dette ville give anledning til dannelse af porøsiteter i emnet. Ligeledes, for at undgå porøsiteter i emnet, er det vigtigt, at der ikke blandes luft med ind i matrixmaterialet under iblanding af hærder og accelerator. Ofte anvendes et lukket system hvor matrixmaterialet og hærder i afstemte mængder kontinuert pumpes fra hver sin beholder op i et blandekammer og videre frem til formhulrummet. Hvis matrixmateriale og hærder blandes batchvis i åbne kar, er det nødvendigt at afgasse blandingen under vakuum før den injiceres i formen Formværktøjet Formværktøjet, som kan fremstilles af fiberkompositter, stål eller aluminium, skal dimensioneres med hensyn til styrke 104

105 og stivhed (deformation) for det injiceringstryk, der skal anvendes. Ved store formarealer fører selv moderate injiceringstryk til meget store kræfter i formparternes samlingsflade. Hvis fibermaterialet skal pakkes tæt sammen i formhulrummet, kan det også være nødvendigt at anvende store kræfter for at lukke formen, ligesom det kan kræve store kræfter at åbne formen ved afformning af emnerne; specielt ved kompliceret emnegeometri og store overflader. For yderligere detaljer om matrixinjicering af fiberkompositter, tilhørende udstyr og konstruktionsanvisninger på formværktøj henvises til Ref. l, 38, 53, 54 og 55. Figur 2.68 Fiberforstærkede skaller til bilsæder fremstillet ud fra fiberpreforms og ved matrixinjicering i et stålværktøj (Ref. 52) 105

106

107 Ikke-destruktive undersøgelser af fiberkornpositter 3 Ikke-destruktiv prøvning (eller Non Destructive Testing forkortet til NDT) er en fælles betegnelse for metoder og teknikker, der bruges til undersøgelse og kontrol af materialer og komponenter uden at undersøgelserne ændrer eller skader emnerne. Ofte bruges forkortelsen NDE (Non Destructive Evaluation). I dette ligger også, at metoderne nu mere bruges til at karakterisere og "evaluere" emner og materialer og ikke kun til at kontrollere og prøve, om emnerne har fejl eller revner. NDT har i årevis været brugt til kontrol af metalliske materialer, hvor man specielt har søgt efter revner og lignende fejl, men ved fiberkompositter er der også et behov for at karakterisere materialerne for at kunne evaluere emnernes homogenitet og indre struktur. De fleste af de kendte teknikker fra metaller kan også bruges til fiberkompositter Ved gennemgang af de ikke-destruktive teknikker lægges der specielt vægt på præcisionsscanning med ultralyd til evaluering af fiberkompositter. Først følger dog en kort gennemgang af principper for og anvendelse af andre NDT-metoder, der hyppigt bruges til evaluering af fiberforstærket plast. NDT-metoder der ikke er baseret på puls-ekko ultralyd 3.1 Visuel inspektion Mange skader og fejl på fiberkompositmaterialer kan ses direkte ved en visuel inspektion. Ved glasfiberkompositemner er det også muligt at se forskelle (fejl) i materialernes indre ved gennemlysning. Denne metode bør anvendes i så vid udstrækning som muligt, da den er både billig og hurtig. Den har dog sine begrænsninger, og specielt ved kulfiberforstærket plast kan der skjule sig mange forskelle i materialets indre, som ikke kan ses ved visuel inspektion Gennemlysning kan bruges ved visuel inspektion 107

108 3.1.2 Radiografi (Røntgen/Isotop) Ved radiografimetodeme sendes stråling gennem emnet, der skal undersøges. Forskellige grundstoffer absorberer (dæmper) strålingen forskelligt. Her kan der være tale om forskellige strålingstyper og bølgelængder. Dette giver forskellig gennemtrængningsevne og følsomhed for forskellige materialekombinationer og fejltyper. Bag emnet anbringes en fluorescerende skærm eller en detektor, der kan kobles til et TV-udstyr. Herved kan der fås et REAL TIME billede af emnet, der viser dæmpningen af strålingen og dermed forskelle i materialet. Man kan også anbringe en fotografisk film eller papir på den modsatte side af emnet, overfor strålingskilden. Filmen fremkaldes og sværtningsforskelle er et udtryk for forskellig dæmpning. Film kan fås med forskellig kornstørrelse og eksponeringshastighed, og dette har stor indflydelse på opløsningsevnen af små fejl. Radiografi med røntgen eller isotoper til måling af forskelle i dæmpning af radiografisk stråling Siden tyverne har røntgenstråling fra røntgenapparater været anvendt til materialeundersøgelser. Det er således en gammel og velkendt metode. Den finder også anvendelse til undersøgelse af fiberforstærket plast. En stor fordel ved et røntgenapparat er, at det kan tændes og slukkes, som man ønsker det. Man kan også med samme udstyr arbejde med forskellige accellerationsspændinger og strømstyrker og derved ændre røntgenstrålernes egenskaber, så de tilpasses den aktuelle opgave. Røntgenrør kræver en ekstern energikilde (lysnet og transformatorer eller akkumulatorer), og apparatet bliver derfor relativt stort og tungt selvom selve røntgenrøret kan udformes ret kompakt. Radioaktive isotoper er en anden strålingskilde. Selve isotopen behøver ikke at være ret stor, men den må lukkes inde i en effektiv afskærmning, når den ikke bruges, da den ikke kan "slukkes". Strålingen fra een isotop har bestemte egenskaber som ikke kan ændres, og der er derfor ikke samme muligheder for at optimere strålingens egenskaber til det foreliggende problem. Isotopen må med fjernbetjening (kabeltræk) bringes i stilling til exponeringen og bagefter britlges tilbage til sin beskyttelsesbeholder. Isotopen kan anbringes på mindre plads end røntgenrøret (f.eks. inde i et rør), og den kan også fås til kortere bølgelængde (større gennemtrængning) end røntgenrør. Dette har dog ingen betydning ved plast, hvor det er de bløde (langbølgede) røntgenstråler, der anven- 108

109 des. Det kan have betydning, at isotopundersøgelser ikke kræver en ydre energikilde, og derfor kan være mere mobil. Dæmpningsforskelle (eller sværtningsforskelle) skal afsløre forskelle i materialet. Her kan generelt siges, at dæmpningen stiger med atomvægten, således at det f.eks. er let at se en metaltråd i et plastemne, hvilket kan udnyttes ved at indbygge metaltråde under fremstilling af kompositter for senere ikke-destruktiv kontrol af fiberretninger. Porer og revner kan også ses ved radiografi, da luft dæmper meget mindre end plast. Det er dog nødvendigt at poren har en udbredelse på nogle procent i stråleretningen for at dæmpningsforskellen kan ses. Revner kan også ses, hvis de har en udstrækning i stråleretningen (altså vinkelret på overfladen), mens delamineringer i praksis er umulige at se. Ved kanten af emnerne kan der komme randfænomener, som kan minimeres ved afskærmning. Røntgen-billedet på film eller TV-monitor kan "forbedres" ved billedbehandling. Det er også muligt at bruge projektionsradiografi, hvor film eller sensor anbringes i nogen afstand fra emnet, således at man får et forstørret billede. Dette kræver et mikrofokusrøntgenudstyr for at få skarpe billeder. Ved undersøgelser af fiberkompositter er det dog normalt ikke nødvendigt at gå til grænserne for at finde de forskelle og fejl, man ønsker. Ved at bruge neutroner (f.eks. fra en reaktor) til gennemlysning kan man udnytte, at neutronerne særlig bremses af brint. Derfor kan man ved neutronradiografi for eksempel se plastpakninger i metalfittings, hvilket ikke er muligt ved normal radiografi. TermografilTermovision Termovision kan sammenlignes med normalt TV. I stedet for et optisk billede i det synlige område arbejder man med sensorer, der er følsomme i det infrarøde område. Det er muligt at se selv meget små temperaturforskelle. Man kan enten måle i et punkt (optisk pyrometri) eller en linie og få en temperaturgradient over et emne. Det er også muligt at lave et todimensionalt billede af temperaturen, og derved få et termofarvebillede af emnet. Fejl (delaminering) i emnet giver forskelle i varmeledningsevnen, og dette kan udnyttes til inspektion af sandwichstrukturer eller rene laminater. Varmen kan tilføres på kontrolleret måde (varmluftsblæser, fotoblitz), Termovision viser et varme- (farve-) billede af materialer 109

110 og man kan (eventuelt ved video-optagelser) følge, hvorledes varmen udbredes. Særlig ved kulfiberforstærket plast, der har en høj varmeledningsevne, er det nødvendigt at følge dynamikken i varmeudbredelsen. Ved langsom gennemspilning af videobåndet kan man så bedre vurdere fejlene. En anden mulighed er at bruge termovison til at se på komponenter f.eks. under udmattelsespåvirkning, for at følge varmeudvikling og varmefordeling. Desuden findes der varmefølsomme film eller folier med flydende krystaller, der også kan bruges til at se temperaturforskelle. Temperaturfølsomme flydende krystaller kan også fås som maling Holografisk interferometri kan vise deformationer Holografi (holografisk interferometri) Ved laserlys optages et hologram af en hel komponent (for eksempel en flyvinge). Dette hologram bringes til at interferere med endnu en optagelse af samme komponent, der ikke flyttes eller røres imellem de to optagelser. Mellem de to optagelser udsættes komponenten for en (svag) belastning, for eksempel ved opvarmning med en varmluftsblæser. Dette vil deformere den lidt. Det nye hologram bliver derfor lidt forskellig fra det gamle. Uregelmæssigheder i interferensmønstret mellem de to kan bruges til at identificere fejl i komponenten. Både termovision og holografi kan bruges til at undersøge store emner eller hele komponenter på een gang. Apparaturet er dog kostbart, og det er også nødvendigt med mørke i et lukket lokale uden forstyrrelser for at få gode og reproducerbare målinger til kontrol af komponenterne. Desuden er det hyppigt nødvendigt med specielle fiksturer til at holde på komponenterne Coin tapping Mekanisk impedans-teknikker registrerer ændring i den mekaniske impedans i et emne, der skyldes tilstedeværelse af en defekt. Et defekt område "klinger" forskelligt fra et fejlfrit område, når det slås an. Tapping er en hurtig metode til grovere undersøgelser af større emner Hvis en mønt bankes let mod et emne, og man lytter til den lyd der fremkommer, vil man få en mere"død" lyd fra et defekt område (dårlig binding eller delaminering i emnet), mens en bedre klang (klarere lyd) viser et godt materiale. 110

111 Dette er en meget enkel, hurtig og billig metode, men den er også meget subjektiv. Den er blevet videreudviklet og automatiseret i f.eks. "Tapometer", hvor der også arbejdes med signalanalyse. Tapping-metoden er velegnet til at finde bindingsfejl i sandwich-strukturer. Tapometeret er en af mange kommercielle udviklede mekanisk impedans-målemetoder. Hvirvelstrøm (Eddy Current) Denne metode, der bruges meget til metaller, finder kun begrænset anvendelse ved kompositmaterialer. Metoden forsøges anvendt på de elektrisk ledende kompositter med kulfibre. Akustisk emission Før omtalen af de egentlige ultralydundersøgelsesteknikker skal nævnes et par varianter, der også bruger registrering af ultralydsignaler. Når materialer udsættes for belastning, der frembringer eller øger skader, kan der opstå lyd eller ultralyd (Akustisk Emission). Hvis den akustiske emission opfanges med flere transducere kan skadens placering bestemmes. En nærmere analyse af signalintensitet og form søges brugt til bestemmelse af skadens størrelse og væksthastighed. H Acousto Ultrasonics" er en variant af denne teknik. Her belastes emnet ikke, men der sendes i stedet ultralyd ind i materialet med en sendertransducer. Når ultralyden opfanges igen med en modtagertransducer i nogen afstand fra senderen, kan signalform og frekvensindhold analyseres på lignende måde som ved akustisk emission. Herved fås oplysninger om materialeegenskaber af emnet mellem sender- og modtagertransducer. Ved Akustisk Emission opfanges lyd fra skadeudbredelse "Acousto Ultrasonics" Der kan bruges to kontakt-transducere på samme side af en kompositplade. Metoden kan også bruges til rimelig reproducerbar måling af lydhastighed uden at man kender den mekaniske tykkelse af materialet, idet afstanden mellem sender og modtager er konstant. Da målingerne sker i pladens retning er det muligt ved denne teknik at finde fiberorienteringens indflydelse på hastigheden. Hermed kan også fås en ikke-destruktiv bestemmelse af stivhed (E-modul) i forskellige retninger. 111

112 3.2 Ultralyd til ikke-destruktive undersøgelser Ultralydteori Her gives kun den nødvendige ultralydteori for at man kan forstå baggrunden for anvendelsen af ultralyd til materialeundersøgelser. Ultralyd er lyd over 20 khz Harmoniske bølger Ved ultralyd forstås normalt lyd med frekvens over 20 khz (grænsen for hørbar lyd). Til materialeundersøgelser benyttes oftest frekvenser i området 100 khz til SO MHz. For en harmonisk bølge, der udbreder sig i et medium, gælder, at forstyrrelsen i hvert enkelt punkt i rummet varierer sinusformet med både tiden og positionen. En sådan eendimensional bølge (se figur 3.1), der udbreder sig i x-aksens retning, kan skrives på formen U(X/t) = A sin(w t - k X), hvor u(x,t) = forstyrrelsen ved positionen x og tiden t A =amplituden af forstyrrelsen (pp, volt) w = vinkelfrekvensen (radian per sekund) k = vinkelbølgetallet Figur 3.1 Harmonisk bølge med definition af bølgelængde, amplitude, periode og frekvens 1 4 T eller A _I C\' A = bølgelængde (med afstandsakse x) A = amplitude af sinusbølge T periode (med tidsakse t) f = lit =frekvens t Ieller x Vinkelfrekvensen w er givet ved hvor f = frekvensen w = 2 n f, 112

113 Vinkelbølgetallet er antal bølgelængder (A) per længdeenhed skaleret med faktoren 2 1t. Det vil sige k=2 1t/A. Bølgelængden Aer afstanden mellem to efterfølgende toppe på bølgen. For hastigheden v hvormed bølgen udbreder sig i rummet gælder v = w/k = f A. Denne fundamentale relation gælder for alle harmoniske bølger. Der findes mange forskellige bølgetyper, hvoraf de vigtigste er: longitudinale bølger, transversale (shear) bølger, overfladebølger og kombinationer af disse. I forbindelse med materialeundersøgelser er longitudinale og transversale bølger de mest benyttede. Kun disse bølger kan udbrede sig frit i et medium. De øvrige er mere eller mindre bundet til grænseflader til tilstødende medier. I det efterfølgende er kun de longitudinale og transversale bølgetyper behandlet. Bølgetyper Det er de elastiske egenskaber af mediet, der er bestemmende for, hvordan ultralydbølgerne udbreder sig. Derfor gives i det følgende definitionerne for de vigtigste elastiske konstanter, der indgår i udtrykkene for ultralydhastighederne. Hookes lov angiver sammenhængen mellem mekanisk trækspænding (J og tøjning E for en elastisk deformation af et fast stof. For isotrope materialer fås: IT = E E, hvor E er elasticitetsmodulet eller Youngs modul. Lames elastiske konstanter er givet ved L = E V / «1 + v) (1-2v)) G = E / (2 (1 + v)), hvor v er Poisons forhold, defineret som forholdet mellem tøjningen i tværretningen og tøjningen i længderetningen. Sammenhæng mellem lydhastighed og elastiske konstanter 113

114 Lydhastigheden for longitudinale bølger er givet ved VL = Y(L+2.G)/p, hvor p er massefylden. Lydhastigheden for transversale bølger er givet ved VL vil altid være større end VT Refleksion og transmission. Love for lys og ultralyd ligner hinanden Ultralyds egenskaber kan på mange måder sammenlignes med lys. Når lydstrålen rammer en grænseflade mellem to medier, vil en del af lydenergien reflekteres, mens en del passerer grænsefladen. Til beskrivelse af refeleksion og transmission benyttes materialekonstanten Z, kaldet den akustiske impedans. Den akustiske impedans Z er bestemt ved: z = v p Hvis lydstrålen kommer vinkelret ind mod grænsefladen gælder der følgende for den transmitterede intensitet: TI kaldes intensitetstransmissionskoefficienten. For den reflekterede intensitet gælder: RI kaldes intensitetsrefleksionskoefficienten. Indeks 1 refererer til det medium, hvor den indfaldende lydstråle befinder sig, og indeks 2 refererer til det medium, hvor den transmitterede lydstråle udbredes. Ser man på forholdet mellem amplituden af den transmitterede og reflekterede lydbølge fås koefficienterne T = 2 Z2 / (Z1 + Z2) (amplitudetransmissionskoefficient) og 114

115 R = (Z2 - Z1) / (Z1 + Z2) (amplituderefleksionskoefficient) Det er altså materialernes forskellige lydhastighed og massefylde der gør, at ultralyden ikke uforstyrret kan passere en grænseflade mellem to forskellige materialer. Det er af denne grund, at ultralyd kan udnyttes til at finde fejl (inhomogeniteter). Når en ultralydbølge udbreder ~ig i et materiale, vil den miste energi, som afsættes som varme i materialet. Derudover kommer et energitab på grund af refleksioner fra inhomogeniteter i materialet. Grænserne mellem fibre og matrixmateriale giver anledning til små refleksioner, der sammenlagt bliver væsentlig. Den samlede effekt af energitabene kaldes dæmpningen. Den kan beskrives som: Dæmpning (decibel) u = Uo e- ax, hvor D er amplituden i afstanden x, og Do er startamplituden. a kaldes dæmpningskonstanten. Dæmpningskonstanten er af meget kompliceret natur. Den er afhængig af lydfrekvensen samt adskillige materialeegenskaber. Ekkohøjder måles ofte i enheden decibel, der er kendt fra akustikken. Det gælder, at forholdet mellem to ekkohøjder er db = 20 log(e2/el) eller E2/El = 10dB/2o. En øgning af signalet med 1 db svarer til en stigning på ca. 12% og en halvering svarer til ca. -6 db. Dæmpning måles logaritmisk i decibel (db) Ultralydtransducere Transduceren er den kritiske del af ultralydudstyret. Dennes karakteristika er afgørende for systemets funktion. Dltralydbølger skabes normalt med en elektromekanisk transducer, der kan omforme elektrisk energi til mekanisk energi og vice versa. Piezoelektriske krystaller (for eksempel kvarts, bariumtitanat og litiumsulfat) har disse egenskaber, og er det mest benyttede materiale til transducere. Transducerens specifikationer (frekvens, lydfelt, dæmpning m.m.) bestemmes af krystallens dimensioner, krystaltype og montering. Da man ofte udformer transducere med henblik på et bestemt Krystallen kan omdanne elektrisk energi til ultralyd og omvendt 115

116 prøvningsproblem, er det svært at give generelle retningslinier for, hvordan transducere skal udformes for at give optimalt resultat. Transducere kan inddeles i to hovedgrupper: kontakt-transducere og immersions-transducere. Kontakt-transduceren er i direkte kontakt med emnet, hvor der ved immersionstransducere er væske (som regel vand) mellem transducer og emne. Anvendelsen beskrives i det følgende afsnit: Udførelse. Ultralyd kan fokuseres Man kan benytte linser -ligesom i optikken - til at fokusere lydstrålen fra transduceren. Herved fås en større følsomhed for små fejl. Linsen kan sættes direkte på krystallen, men der kræves en vis afstand til emnet for at få optimal følsomhed. Immmersions-transducere er ofte fokuserede. Ultralyden kan sendes ind i materialet under en vinkel forskellig fra 90. Dette kan ved kontaktmåling gennemføres ved, at der er en særlig udformet sko p~ krystallen, og denne teknik er meget anvendt ved undersøgelser af svejsninger i stål. Ved "Normal"-måling sendes lyden ind vinkelret på overfladen Ved langt de fleste scanningsundersøgelser ved immersionsmåling af fiberkompositter sendes lyden ind vinkelret på overfladen. Det er dog også muligt ved immersionsmåling at dreje transduceren i forhold til overfladen, og derved sende ultralyden skråt ind i emnet Ultralydundersøgelser må optimeres efter opgaverne Ultralydapparater Hovedfunktionen for et ultralydapparat er at skabe en elektrisk startpuls til transduceren, som er af størrelsesorden volt. Modtagerdelen sørger for at opfange og forstærke ekkosignalet. I dag er mange ultralydapparater computerstyret, hvorved indstilling af parametre lettes. Ofte kan måledata overføres til computer. Ultralydapparater kan være meget forskellige, alt efter hvad de skal bruges til, men der er dog nogle funktioner, der findes i de fleste udstyr. Afpasning af transducerfrekvens Indstilling af puls-repetitionsfrekvens Indstilling af forstærkning af ekkosignalet Valg mellem puls-ekko og through-transmission 116

117 Indstilling af måleområder (tidszoner eller gates i ekkobilledet) Indstilling af afstandsmåling (time of flight) Puls-ekko teknik En kort ultralydpuls sendes fra en transducer mod prøvematerialet, der skal undersøges. Signaler (ekkoer), der tilbagekastes fra materialet, registreres af samme transducer. Det er forskel i akustisk impedans, der giver anledning til refleksioner (se Refleksion og Transmission). Det forstærkede signal fra transduceren vises på en oscilloscopskærm, hvor ekkohøjden afbildes vertikalt og tiden horisontalt. Ultralydpulsen repeteres så hurtigt efter hinanden, at man ser et kontinuertbillede på oscilloscopskærmen. Pulsrepetitionsfrekvensen ligger typisk i området l-10khz. Den begrænses af hvor langt et tidsforløb, man ønsker at se på (max. 100 fls ved 10 khz). Det afhænger igen af forløbsstrækning og emnetykkelse samt lydhastighed i emnet Puls-ekko teknikken sammenlignes ofte med radar eller ekkolod til målinger foretages i sekundet Figur 3.2 viser et typisk ekkoforløb af en måling, der foretages i vand, og hvor transduceren fastholdes i forhold til emnet. Ved at flytte transduceren til forskellige steder på emnet kan et større areal undersøges. Denne type måling kaldes A sean. Det første ekko IP (Initial Pulse) stammer fra den elektriske initiering af transduceren. Det næste ekko IF (Inter Face) stammer fra overgangen mellem vandet og emnet. Tidsintervallet mellem disse to ekkoer svarer til den tid, det tager ultralyden at udbrede sig fra transduceren til emnet og tilbage til transduceren igen. Ekkoet BE (Back Ekko) kommer fra bagsiden af emnet. Dette signal har altså været gennem emnet to gange. Ekko F (Fejl) fra en eventuel fejl i emnet vil optræde mellem IF og BE. Hvis der placeres en reflektor (f.eks. glat glasplade) bag emnet fås et reflektor ekko R (Reflektor) fra denne reflektor. Efter disse ekkoer optræder de såkaldte repetitionsekkoer, der skyldes at ultralyden sendes frem og tilbage i emnet. Normalt vil disse ekkoer dø hurtigt ud, og de benyttes sjældent ved målinger på fiberforstærket plast. 117

118 Figur 3.2 Skematisk ekkobillede ved undersøgelse af et emne med pulsekko ultralydmetoden.ekkoer kommer fra reflekterende flader i lydens ba ne T Ekkohøjde! - ~-, E 1 ~ l \ ~ \ -r i E2 \ - ~ \ \ --- L I TID E1 ~ 3 ~T1~ ~T2~ ~T3---' IP IF F BE R IP Initial Pulse IF InterFace ekko F = Fejl ekko BE Back ekko R = Reflektor ekko T E = Ekkoafstande (tider) = Ekkohøjder - = Gates (tidszoner) Hvis der f.eks. er en delaminering i emnet vil ultralyden i praksis reflekteres af delamineringen og meget lidt vil fortsætte bag delamineringen. Eventuelle delamineringer længere nede i emnet vil således ikke blive fundet. Der optræder altså en slags skyggeeffekt, man skal være opmærksom på. For at få maksimal følsomhed skal lydbølgen sendes vinkelret ind mod emnet. Ved højere frekvenser dæmpes ultralyd mere Den traditionelle måde at benytte puls-ekko teknikken på er at se efter ekkoer fra det indre af emnet, der optræder mellem IF og BE. Hvor små fejl, der kan findes, afhænger hovedsageligt af den benyttede frekvens, materialetype og tykkelse. Jo højere frekvens, der benyttes, desto mindre fejl kan de- 118

119 tekteres, men samtidig forøges dæmpningen af ultralyden. Valg af frekvens er derfor ofte et kompromis mellem opløsning og indtrængning i emnet. Through-transmission Ved undersøgelse af emner med stor dæmpning og/eller stor tykkelse kan through-transmission teknikken være at foretrække. Her benyttes adskilt sender- og modtagertransducer placeret overfor hinanden på hver sin side af emnet. Ultralyden sendes fra den ene transducer og modtages med den anden. Da lyden kun passerer gennem emnet een gang, er dæmpningen ikke så stor som ved puls-ekko teknikken. Højden af det modtagne signal er udtryk for dæmpningen i materialet og vil derfor påvirkes af eventuelle fejl i emnet. Generelt gælder det, at det er lettere at finde små fejl ved puls-ekko teknikken fremfor through-transmission. Det skyldes, at det måleteknisk er lettere at detektere et lille signal fra en fejl på en "stille baggrund" fremfor en lille reduktion af et stort through-transmission signal. Detektionsgrænsen er derfor mindre, når through-transmission benyttes. Derudover har metoden den begrænsning, al det normalt ikke er mulig at måle, hvor i tværsnittet en fejl er placeret. Det kan være en fordel, at hele tværsnittet måles ved through-transmission i modsætning til puls-ekko, hvor overflader og områder nær disse ikke kommer med. Udførelse Det er ønskeligt, at mest muligt af ultralyden bliver overført til testmaterialet. Da luft i praksis vil reflektere det meste af lyden, drejer det sig om at hindre, at der er luft mellem transducer og emne. Hertil benyttes to koblingsteknikker: Kontakt og immersion. Kontaktmåling benyttes ofte ved manuel undersøgelse - hovedsageligt ved puls-ekko teknikken. Transduceren trykkes direkte mod emnet med et koblingsmiddel imellem (olie eller gele). Med denne teknik er det svært at foretage en effektiv undersøgelse af et større område. Problemer med at opnå et jævnt koblingstryk og slitage af transduceren vanskeliggør automatiske undersøgelse. Der er dog udstyr på markedet, der kan måle automatisk med kontaktmåling. Ved kontaktmåling kræves et koblingsmiddel 119

120 Efter at krystallen er anslået med den kraftige puls (IP), der bevirker udsendelsen af ultralydpulsen, må den hvile et kort øjeblik, før den kan bruges som modtager. Der vil derfor være en såkaldt død-zone (ca. 1 mm) i den første del af emnet, hvor ekkoer ikke kan registreres. Immersionsmåling har en forløbsstræning (i vand) A-sean er en punktmåling Ved immersionsmåling er der en afstand fra krystallen til emnets overflade, så krystallen er klar til at modtage, når der kommer ekkoer fra materialet. Normalt er forløbsstrækningen vand, og dette betyder at koblingsproblemet er løst. Immersionsmåling er derfor mere egnet til automatiske scanningsundersøgelser. Forløbsstrækningen kan dog også være en fast monteret såkaldt IIdelay line" på transduceren. Dette kan for eksempel være udført i aerylplast. "Delay line" transducere er normalt udformet til brug ved "kontaktmåling" (med oliekobling) men kan i særlige tilfælde bruges i vand, hvor forløbsstrækningen så dels består af aerylplast, dels af vand. Ved immersionsmåling er der en zone lige efter interface-ekko, hvor dette kraftige ekko ikke er døet bort, og måling af andre fejlekkoer er derfor ikke mulig. Længden af død-zonen er afhængig af blandt andet frekvens og materiale, men i kulfiberkompositter vil den typisk være på ca. 0,1 mm ved 50 MHz. Ultralydmåling kan opdeles i tre hovedgrupper: A-sean, B sean samt C-sean. De foregår oftest i vand (immersion), men A-sean udføres også tit som kontaktmåling. A-sean er nævnt tidligere under puls-ekko teknikken. A-sean er værdier for ekkoforløbet ved en fast position over emnet og kan vises på en oscilloskopskærm. Fejl og inhomogeniteter kan ses ved at måle ekkohøjder og eventuelle faseskift af signalet. A-sean er grundlaget for både B-sean og C-sean. A-sean benyttes ofte ved manuelle undersøgelser, hvor transduceren flyttes manuelt mellem hver måling. De fleste ultralydudstyr giver mulighed for at placere en eller flere målegates (tidszoner i ekkoforløbet), således at man kan måle de ekkohøjder, man er interesseret i. Det totale ekkoforløb indeholder mange oplysninger om materialet, og det kunne være fristende at gemme hele ekkofor -løbet. Det er også overkommeligt ved A-sean, hvor man kan tage et billede af skærmen eller digitalisere ekkoforløbet. B-sean er et liniesean Ved B-sean bevæges transduceren i en linie hen over emnet, og samtidig måles et antal A-sean. Hvert A-sean digitaliseres. 120

121 Resultaterne vises på computerskærmen med positionen i scanningslinien ud ad X-aksen på skærmen og tiden til målingen (eller dybden i materialet) op ad Y-aksen. Ekkohøjderne i de forskellige punkter på tidsaksen i A-scannet vises så med forskellige farver (eller gråtoner). Ved denne teknik undersøges et tværsnit af emnet. På billedet kan umiddelbart ses, hvor dybt nede i materialet en fejl ligger, men man får ingen oplysning om fejlens udbredelsen parallelt med overfladen af emnet. Dette fås ved at foretage flere B-sean parallelt med hinanden, men en mere bekvem løsning er C-sean. Ved C-sean scannes emnet i et raster mønster, der kan dække hele emnet. Bevægelsen foretages af et mekanisk scanningssystem, og der foretages i tusindvis af enkeltmålinger, der hver omfatter et fuldt ekkoforløb. I praksis er det uoverkommeligt at gemme al denne information, selvom de mange A sean i princippet kunne digitaliseres og gemmes. Som regel måles og gemmes kun højden af nogle få interessante ekkoer (El, E2 osv.) samt eventuelt tiden til disse ekkoer kommer (TI, T2 osv.) Værdierne er digitaliseret og gemmes på computeren. Måledata vises oftest på en skærm i farver eller gråtoner, og farven eller intensiteten er udtryk for højden af et ekko i et givet punkt. Derved fås et visuelt billede af emnet, der umiddelbart kan vurderes. I stedet for ekkohøjde kan emnetykkelse eller afstande til fejl vises ved hjælp af forskellige farver. Denne type måling kaldes undertiden for D sean. Scanning kan udføres med forskellig opløsning afhængig af, hvor små fejl man ønsker at finde, og hvor lang tid scanningen må tage. Ved undersøgelse for delamineringer er en opløsning på 1 mm mellem målepunkterne ofte passende. (-sean er et fladesean Præsentation, evaluering og kalibrering Ved alle former for ultralydundersøgelser er det vigtigt at præsentere måledata på en overskuelig måde, der forebygger misforståelser. Ved C-sean, der er den mest benyttede metode til undersøgelse af fiberkompositter, er det vigtigt at gøre sig klart, hvad man ønsker at finde. I den forbindelse er det en stor hjælp at have referenceemner med kendte fejl af kendt størrelse, der scannes sammen med det aktuelle emne. Derved sikres at udstyret er indstillet rigtigt og virkelig kan finde de fejl, man ønsker at finde. 121

122 Ultralydmåling giver relative resultater I dag styres de fleste indstillinger af computeren, men der vil dog være parametre så som emneorientering, transducervalg m.m., der må noteres i en målerapport, således at scanningen kan reproduceres. Computer benyttes i vid udstrækning til behandling af scanningsdata. Evalueringen afhænger af udstyr og programmel, men den vil ofte indbefatte justering af farve- eller gråtoner, histogrammer for måledata og plot af scanningsbiller. Man skal altid huske på, at ultralydmålinger grundlæggende er relative målinger. Det vil sige, at man ikke kan lægge faste kriterier for, hvornår et emne kan godkendes. 3.3 Eksempler på ultralydscanning Figur 3.2 viser et typisk ekkoforløb ved et (fiber)emne anbragt i vand. Denne teknik er brugt i de følgende eksempler. Der er her tale om immersionsmåling. Lyden forløber først i vand og derefter i emnet. Bag emnet er anbragt en reflektor, og det er også muligt at få et ekko fra denne. Immersionsmålingen har to væsentlige fordele i forhold til kontaktmåling: Ekkoer fra emnet vil altid komme nogen tid efter, at "main bang" er blevet affyret i transducerkrystallen, og der vil derfor være tid (delay eller forløbsstrækning) til at eftersvingninger fra "main bang" er døet bort, således at ekkoer fra fejl tæt ved emnets overflade kan ses. Immersionsteknikken egner sig fortrinlig til automatisk scanningsundersøgelse, da man har en berøringsløs måling og dermed en stabil overførsel af lyden til og fra emnet. Hvis emnet er for stort og uhåndterligt til at nedsænkes i et vandkar kan teknikken tillempes ved at bruge en teknik, hvor kobling og forløbsstrækning etableres via en vandstråle (figur 3.3). Forløbsstrækning kan også etableres ved, at der f.eks. monteres en forløbsstækning i et fast materiale (en såkaldt "delay line"), for eksempel acrylplast, på transduceren. 122

123 Til ultralydapparat / Vand tilledning + Figur 3.3 Immersionsmåling med vandstråleteknik / Fra ultralydapparat l Vand tilledning ~ l Til ultralydapparat Sender transducer \ / Komponent Vandstråle Modtager transducer I praktisk brug virker en "delay-line" transducer oftest som en normal kontakt-transducer, men den har nogle af de fordele, som en forløbsstrækning giver. Følgende eksempler på forskellige ultralydundersøgelser af fiberkompositmaterialer er opdelt efter fejltyper. Delamineringer (fra fremstilling) Ved fremstilling af fiberforstærket plast af prepregs eller ved oplægning af flere lag klæde kan der blive glemt tape eller slipfolierester mellem de enkelte lag. På en færdighærdet plade kan dette ikke ses på overfladen. Hvis materialet er kulfiberforstærket plast, kan man heller ikke se noget ved gennemlysning, men pladens mekaniske egenskaber kan være væsentligt forringede Ultralyd er velegnet til at finde delamineringer Delamineringer er en fejltype, som er let at detektere med ultralyd, idet en delamininering typisk har stor udstrækning vinkelret på lydstrålen, hvilket giver optimale reflektionsfor- 123

124 hold for puls-ekko måling, mens udstrækning i stråleretningen er minimal. Mange forskellige varianter kan bruges til at finde disse delamineringer. Et enkelt puls-ekko skud checker kun et meget lille areal, men ved automatisk scanning kan man hurtigt undersøge større emner på en kontrolleret og systematisk måde. Ultralydundersøgelser af fiberkompositter er ikke standardiseret og gennemføres derfor i praksis på mange forskellige måder. For at afprøve pålideligheden af ultralydscanning blev 5 sæt ens kalibreringsemner med kunstige delamineringer rundsendt ("round robin") til 5 ultralydlaboratorier, som undersøgte dem med hver sin teknik eller teknikker. Bagefter blev alle resultaterne sammenlignet (Ref. 56), og på trods af variationer i metoderne var resultaterne forbløffende ens. Figur 3.4 viser et resultat af en scanning af en kalibreringsplade med kunstige delamineringer. Kunstige delamineringer i fiberkompositter fremstilles oftest ved at anbringe en dobbelt Teflonfolie imellem lagene. Dette kan give lydbølgereflektioner af varierende størrelse. I kalibreringsemnerne er der indbygget delamineringer i to dybder, dels centralt og dels under 5. lag, i pladerne, der er opbygget af 17 lag prepreg og i alt er 2 mm tykke. Skalaen under figur 3.4 er i db. Den har de laveste værdier til højre (negative db). De højere ekkoer fra delamineringerne afbildes med værdier til venstre på skalaen (lyse). Der ses en variation af ekkohøjden hen over delamineringen, men den adskiller sig tydeligt fra resten af pladen. Afstanden til delamineringen er også målt. På figur 3.5 vises dybden af de forskellige delamineringer i pladen, dels set fra fladen (øverst), og dels langs en enkelt snit- eller scannings-linie (nederst). Afstanden til de enkelte lag kan måles på den lineære skala, og de kunstige delamineringer ligger i de korrekte afstande fra overfladen (under 5. og 9. lag) 124

125 Figur 3.4 Kalibreringsplade med fire kunstige delamineringer. øverst: Puls-ekko teknik. Nederst: Dobbelt through-transmission teknik KALI8005 AlF H.E. o...dtof't Ultrasonic testin RISØ N~t ion~l Labor ~tory (c)'91 UZl., TH A~hen KALI 800:5 AIt2 H.E. at.kitof't o : Zi [-dsdo Ultrasonic testin RISØ N~ti on~l LAbor ~tory (c)'sl UZl. TH A~n 125

126 Figur 3.5 Afstande fra overfladen til kunstige delamineringer. øverst: Fiberplade set fra overfladen med snitlinie indlagt. Nederst: Tværsnit af fiberpladen i snitlinien ,,;.i KALI B005 LFZ H.E. Gundtof't o [.-] 3.72 Ultrasonic testing tr nr r tu\.., 70 o

127 Ved ultralydscanning af emner med kunstige delamineringer viser det sig, specielt ved de større delamineringer (40 x 40 mm), at lyden ikke bliver reflekteret så kraftigt fra den midterste del af delamineringerne som i kanten. Dette betyder at delamineringen i de mest grelle tilfælde bliver afbildet som en ramme i stedet for som ventet som en flade (figur 3.6). En kraftig påvirkning (dybfrysning og genopvarmning af pladen) kan ikke åbne delamineringen så den reflekterede ultralyden midt på fladen. Derimod kan delamineringerne i nogle tilfælde åbnes, hvis der bores et hul ned til delamineringen. Delamineringen kan stadig ses som et tydeligt ekko på A-sean på oscilloscopet, selvom det ikke fremkommer tydeligt på scanningsbilledet. Der bruges imidlertid en temmelig bred målegate (tidszone) for at kunne undersøge hele det indre af materialet i en scanning. Dette medfører, at ekkoer fra områder nær overfladen er lige så høje som ekkoet fra delamineringen, og delamineringen kan derfor ikke ses på farveplottet, idet der kun gemmes een værdi (største ekkohøjde i målegate) for hvert scannings-punkt. Det er muligt at arbejde med en kortere målegate og eventuelt bruge flere målegates, således at materialets indre beskrives bedre. B-sean er også en mulighed for en bedre beskrivelse af materialets indre langs en scanningslinie. 127

128 Figur 3.6 Prøveemne med "dårlig" kunstig delaminering (40 x 40 mm). øverst: Puls-ekko teknik. Nederst: Dobbelt through-transmission teknik :so "" DELAtIO.10 AlP H.E. Gundtof't o as [-dsdo Ultrasonic testing RISØ (c)'91 IoIZL, TH Aachen 50 "" DELAItO.10.Att2 H.E. Gundtof't o [-dbbo Ultrasonic testing RISØ Nat i onal Laboratory (c),91 IoIZL, TH Aachen 128

129 Porøsiteter Porer i fibercompositter vil dæmpe ultralyd. Måling af højden af det ekko, der kommer fra en reflektor bag materialet, vil derfor fortælle noget om poreindholdet i emnet. Ved denne måling er der tale om en summering af hele emne-tværsnittet, inklusive overfladerne, i modsætning til måling af den maksimale ekkohøjde inde i materialet, hvor målegaten starter lidt inde i materialet og slutter lidt før back-ekko. Dæmpningsmåling kan vise porøsitetsindhold Hvis der ikke kan anbringes en reflektor bag emnet, kan ekkoet fra emnets bagside ("back-ekko") give tilsvarende oplysninger som reflektorekkoet om hele tværsnittet. Ved materialer opbygget i lag, (som kulfiberplade opbygget af prepregs), kan porerne være samlet i klynger imellem lagene og derved give refleksioner, der minder om dem der fås fra delamineringer. Ved sammenligning af de plot, der ved samme scanning kan fås af det maksimale ekko inde i materialet og dæmpning gennem hele materialet kan fejltype og fejlfordeling i materialet evalueres. Forsøgsvis er porøsitetsindholdet i en hel plade søgt varieret og kontrolleret i trin ved at ændre trykket i autoklaven under hærdningen. Dette var ikke særlig vellykket, idet ultralydscanning viste, at variationen inden for den enkelte plade var lige så stor som fra plade til plade. Ved destruktive porøsitetsbestemmelser (syreopløsning og mikroskopering/billedanalyse) og styrkebestemmelser kunne der etableres sammenhænge mellem ultralyscanningsresultater og materialets struktur og egenskaber. Glasfiberkompositter med stor godstykkelse, som f.eks. til skibe og vindmøller, dæmper lyden så meget, at det kan være nødvendigt at gå til lavere frekvenser for at få tilstrækkelig lyd igennem. Hermed bliver ekkoernes skarphed og dermed metodens følsomhed forringet. Stor dæmpning i glasfiberkompositter Det kan så være nødvendigt at bruge enkel through-transmission, hvor der anbringes to lydhoveder overfor hinanden, med et på hver side af emnet. Lyden skal nu kun bevæge sig halvt så langt i fiberkompositten, og dæmpningen er derfor mindre. 129

130 3.3.3 Afstande (tykkelser, lydhastighed) Ved ultralydmåling får man ekkoer fra overflader og fra fejl. Mange ultralydudstyr kan måle tiden mellem disse ekkoer. Herved kan afstande eller tykkelser måles. Hvis et emnes totale tykkelse ønskes målt, er der normalt nogle meget veldefinerede og skarpe ekkoer fra bagsiden, hvortil tiden kan måles. Dette kan gøres med mange udstyr, hvoraf nogle er specielt indrettede til tykkelsesmåling. Specielt ultralydudstyr til nøjagtige tykkelsesmålinger Ultralydudstyr beregnet til all-round fejlundersøgelse, (delamineringer, dæmpning m.m.) kan også ofte måle tider og dermed tykkelser. Afstanden fra overfladen ned til fejl kan måles. Måleområdet (gate) vil ved disse målinger ofte dække hel materialets indre. Ekkoet fra en fejl i det indre er måske ikke så markant forskellig fra andre indre ekkoer, som back echo er fra de indre ekkoer. Det kan derfor være vanskeligt at indlægge den tærskelværdi, som ekkoet skal overskride, før der måles afstand (tid) til det. Disse indre afstandsmålinger kan ikke udføres på repetitionsekkoerne, og man kan derfor ikke opnå samme nøjagtighed i målingerne som ved deciderede tykkelsesmåleapparater. Dette er dog normalt heller ikke ønsket eller krævet. Nøjagtighedskravet til tidsrnålingen er heller ikke så højt ved måling af afstande til fejl som ved specielle tykkelsesmåleudstyr Normalt bestemmes enten tykkelse eller lydhastighed Matrixindhold Indhold af matrixmateriale i en fiberkomposit påvirker lydhastigheden. Ved tykkelsesmåling kan man kun bestemme tykkelsen af et emne, hvis lydhastigheden i materialet er kendt. Omvendt kan samme måling af tiden mellem ekkoer bruges til at bestemme lydhastigheden i materialet, hvis emnets tykkelse er kendt. Generelt gælder: HASTIGHED = AFSTAND/TID For at måle lydhastighed er det nødvendigt at kunne komme til begge sider af emnet, hvis emnets reelle tykkelse ikke kendes på forhånd. Ved særlige opstillinger og med specielt udstyr kan emnets faktiske tykkelse og dets "ultralydtykkelse" 130

131 måles på een gang. Ved disse måleopstillinger er det muligt at finde et udtryk for lydhastigheden på emner med varierende tykkelse. Fiberorientering Fiberorienteringer kan tydeligt ses på scanningsplot ved flere af de allerede gennemgåede teknikker og fejltyper. Dette skyldes ofte at mikroskopiske porer og variationer i binding følger fibrene. Fiberorienteringerne bliver derfor synlige på det resulterende plot. Ultralydscanning kunne således eventuelt finde fiberorienteringen i de individuelle lag i et laminat. Dette er dog ikke muligt, da lyden på sin vej til og fra et dybereliggende lag må passere de øvre lag. Den resulterende ekkohøjde af det dybere lag er således ikke kun afhængigt af dette men påvirkes også af de højere liggende lag, selvom disse ikke ligger inde i målegaten. Fiberorienteringer kan ses på ultralydplot Det resulterende plot vil derfor vise orienteringen i det dybe lag, men overlejret med effekten fra dæmpning af hele signalniveauet fra de øvre lag. Dette betyder i praksis, at der ses mange orienteringer i scanningsplot og ikke kun orienteringen af fibre i det dybe lag. Homogenitet Ultralydscanning er en relativ måling. Den er derfor meget velegnet til at se om et emne er ensartet og homogent. Her er der en sammenhæng mellem teknikkerne (frekvenser, placering af målegates, scanningsopløsning, filtre, forstærkning o.s.v.) og hvor små variationer i homogeniteten, der ønskes detekteret. I nærheden af kanter kan randeffekter gøre det vanskeligt at se små variationer Ultrafydscanning er en relativ måling Impad-skader under brug De hidtil omtalte fejl, skader og forskelle i materialet, stammer først og fremmest fra fremstillingen af fiberkompositmaterialet. Impact-skader opstår ved en stødpåvirkning af det færdige materiale ved uheld (hammer eller andet værktøj, der tabes) eller ved stød under brug (stenslag, fugle eller lignende). Im- Ved impact-skader kan der være store beskadigelser i materialets indre 131

132 pactskader kan være næsten usynlige på overfladen, men alligevel have forårsaget stor beskadigelse i materialets indre. Ved kulfiberlaminater er der først og fremmest tale om, at der opstår delamineringer mellem lagene. Delamineringsarealet bliver større, jo længere ned i pladen man når, og på bagsiden kan der være en stor beskadigelse. De ultralydteknikker, der tidligere er beskrevet til at finde delamineringer fra fremstillingen, er også velegnede her. Da delamineringerne ved impact typisk er i flere lag, er der en særlig variant af scanningsteknikken, der anvendes til at beskrive dette. Her bruges en målegate, der både dækker materialets indre og back-ekkoet. Ved at måle afstanden til ekkoet afbildes, hvor stor delamineringerne er i de forskellige lag. Det er dog kun muligt at se de dybereliggende delamineringer, hvor disse er større end de højere liggende på grund af den tidligere omtalte skyggeeffekt Ultralyd kan detektere små fejl og materialeforskelle Sammenfatning Fordele og ulemper ved forskellige ultralydteknikker Ved præcisionsultralydscanning kan detekteres endog meget små fejl og materialeforskelle i fiberkompositter. Der er dog altid tale om relative målinger, så der må bruges nogen tid på at klarlægge og kalibrere målingerne f.eks. med emner med fejl eller materialeforskelle, der svarer til dem, der ønskes detekteret. Når dette først er gjort, kan selve undersøgelserne gennemføres reproducerbart og hurtigt. Ved scanning er det nødvendig med en stabil (og berøringsfri) kobling mellem transducer og emne. I praksis anvendes vand, og det kan så have sine ulemper. Hvis undersøgelsen ønskes udført som en ægte throughtransmission måling, er det nødvendigt at kunne komme til bagsiden af materialet med modtagertransduceren, og dette er ofte umuligt i praksis. Ved dobbelt through-transmission bruges kun een transducer fra den ene side af emnet. Ekkoet fra en reflektor bag materialet bruges så i målingen. I nødsfald kan back-ekko bruges i stedet for reflektorekko til dobbelt through-transmissions- (eller dæmpnings-) målingen. 132

133 Ved ultralydscanningen må der foretages nogle valg. Høje frekvenser giver skarpe ekkoer og dermed god opløsning, men samtidig er dæmpningen større, og indtrængning i materialet derfor ringere. Hvis høje frekvenser dæmper for meget, er det nødvendigt at bruge lavere frekvenser for at få et passende signalniveau på de ekkoer, der ønskes brugt ved målingen. Ved ultralydscanningen må der foretages nogle valg Et skarp og snævert lydbundt, som kan opnåes ved fokussering og højere frekvens, giver også den skarpeste indikering af fejlenes omfang. Det er dog nødvendigt at bruge et meget tæt scanningsmønster for at sikre at hele emnet bliver undersøgt. Tætliggende scanningslinier betyder også mange scanningslinier for at dække et bestemt areal. Antallet af scanningslinier er afgørende for, hvor lang tid det tager at undersøge et emne, og derfor må der indgås et andet kompromis mellem måletid og opløsning i scanningsmønsteret. Her kan det være fordelagtigt at bruge en lavere frekvens og en bredere lydstråle, for herved at undersøge et bredere bånd i hver scanningslinie, og hermed gennemføre hele scanningsundersøgelsen hurtigere (og billigere) med et lavere antal scanningslinier. I hver enkelt scanningslinier måles oftest mange flere målinger, end der gemmes. Der må så gemmes gennemsnitsværdier eller maksimale værdier. Det står dog fast, at måling med fin opløsning i scanningsmønsteret giver lang scanningstid, meget store datamængder og lang tid for databehandling og præsentation. I nogle tilfælde supplere de forskellige metoder hinanden, mens der i andre tilfælde kan vælges flere metoder til samme undersøgelse. Ultralyd- og røntgenteknikker supplerer hinanden på en udmærket måde. 133

134

135 Kildereferencer og supplerende litteratur 4 Kildereferencer Theodore J Reinhart: Engineering Materials Handbook, Volumen 1; Composites. ASM International, Ohio, J I Kroschwitz et al.: Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Volumen 3 and Volumen 4, Composites and Composites Fabrication. John Wiley & Sons, New York, Kjeld Karbæk og Hans Lilholt: Materialekendskab - Plast og Fibre. Efteruddannelse i Materialeteknologi. Kursus Pl. Dansk Teknologisk Institut, Forlaget, Aage Lystrup: Fiberforstærket plast til hårdt belastede konstruktioner, Risø-M Forskningscenter Risø, J Gilbert Mohr et al.: SPI Handbook of Technology and Engineering of Reinforced Plastics/Composites, Second Edition. Robert E. Krieger Publishing Company, Michael G Bader et al.: Delaware Composites Design Encyclopedia, Volumen 3, Processing and Fabrication Technology. Technornic Publishing Co., Tom Løgstrup Andersen og Aage Lystrup: Procesudvikling for autoklavekonsolidering af fiberforstærket termoplast. 1. del: Værktøj og procesparametre, Foskningscenter Risø. Center for Plastbaserede Kompositmaterialer, Breck W Henderson: Boeing's B-2 Facility Produces Largest Composite Structural Parts Ever Made. Aviotion Week & Space Technology, September Reinforced Plastics, Vol. 35 No. 5, May Elsevier Science Publishers Ltd 135

136 10 J W Johnson: Processing and Property Relationships for Fibre Composites. Composites, Vol. 14 No. 2, April Butterworth & Co 11 Jian-Mao Tang et al.: Effects of Cure Pressure on Resin Flow, Voids, and Mechanical Properties. Journal of Composite MateriaIs, Vol. 21, May Technomic Publishing Co 12 B Hayes: Polymer Selection and Matrix Aspects of Processing And Manufacture of Fibre Composites. Composites, Vol. 14 No. 2, April Butterworth & Co 13 Jovan Mijovic and H T Wang: Modeling of Processing of Composites. Part II -Temperature Distribution During Cure. SAMPE Journal, March/April SAMPE Publishing 14 Advanced Composite prepreg Tooling. Reinforced Plastics, Vol. 36 No. 5, May Elsevier Science Publishers Ltd 15 Lars A Berglund and Jose M Kenny: Processing Science for High Performance Thermoset Composites. SAMPE Journal, Vol. 27 No. 2, March/April SAMPE Publishing 16 M Ungarish et al.: Cure Cycle Optimization of Composites by Dielectric Measurements. Composites, Vol. 21 No. 6, November Butterworth-Heinemann Ltd 17 Peter Donaldson and Ian Parker: Controlling the cure. Aerospace Composites & Materials,Vol. 3 No. 3, May/ June The Shephard Press Ltd 18 Ciba-Geigy Resin Aspects No. 13, 1987, Ciba-Geigy, Basel 19 A Horsewell and N Hansen: Materials Department, Annual Report 1992, Risø National Laboratory, June Ingo Kuch: Development of FRP Rear Axle Components. 10 th International European SAMPE Conference. Materials and Processing - Move into thh 90's, Birmingham, UK, July Elevier Science Publishers, B.V. Amsterdam 136

137 21 Brochure fra Ten Cate Advanced Composites, Nijverdal, Holland 22 A Horsewell and N Hansen: Metallurgy Department, Annual Progress Report for 1989, Risø National Laboratory, July Roskilde 23 T W Bookhart and A H Fowler: Geodesic Paths on Surfaces of Revolution. A Computer-aided Filament-winding Design Program. Report Y-1660, Union Carbide Corporation, F E Nielsen and B S Johansen: Geometry of Filament Winding and Computer-aided Design, Centre for Polymer Composites, DTI, Brochure fra ABB Composites, Ine. Irvine, California, USA 26 Brochure fra Josef Baer Maschmenfabrik. Weingarten, Tyskland 27 Aage Lystrup: Vikling af kulfiberforstærkede epoxy-ringe. Risø-rapport , december Forskningscenter Risø, Roskilde 28 Michal Effing and Donald L G Sturgeon: Recent Development in Cost-Effective Manufacture of Thermoplastic Composites. SAMPE European Chapters 1 st Nordic Seminar. Thermoplastic Composites - Parthway to the Future. January, Goteborg. SAMPE Publishing 29 J H C Rowman and R N Askander: Filament Winding of High Performance Thermoplastic Composites. Materials and Processing - Move into the 90's, Birmingham, UK, July Elevier Science Publishers, B.V. Amsterdam 30 M W Egerton and M B Gruber: Thermoplastic Filament Winding Demonstrating Economic and Properties via Insitu Consolidation. 33 th International SAMPE Symposium, March SAMPE Publishing 31 BJ Andersen and J S Colton: A Study in the Lay-up and Consolidation of High Performance Thermoplastic Composites. SAMPE Journal, Vol. 25 No.5, Septemper/October SAMPE Publishing 137

138 32 J A S Whiting: Automated Manufacture of Advanced Thermoplastic Composites. The Second International Conference on Automated Composites, September 1988, Noordwijkhout, Holland. The Plastic and Rubber Institute, London 33 J A S Whiting: Thermoplastic Filament Winding Using Controlled Infra-Red Heating. Third International Conference on Automated Composites, October 1991, The Hauge, Holland. The Plastic and Rubber Institute, London 34 S M Grove: Thermal Modelling of Tape Laying with Continous Carbon Fibre Reinforced Thermoplastic. Composites, Vol. 19 No. 5, September Butterworth & Co. Publishers Ltd 35 Tom Løgstrup Andersen og Aage Lystrup: Vikling af fiberforstærket termoplast i opvarmet kammer. Procesudvikling med APC-2 kulfiber/peek, Foskningscenter Risø. Center for Plastbaserede Kompositmaterialer, Mark L Enders: Developments in Thermoplastic Filament Winding. 22 th International SAMPE Technicai Conference. Advanced Materiais: Looking Ahead to the 21 th Century. Boston, Massachusetts, November SAMPE Publishing 37 Tom Løgstrup Andersen og Aage Lystrup: Vikling af fiberforstærket termoplast ved rumtemperatur. Forskningscenter Risø. Center for Plastbaserede Kompositmaterialer, R G Wetherhead: FRP Technology - Fibre Reinforced Resin Systems. Applied Science Publisher Ltd. London Celtite - Technical Profiles. Vetrotex Fiberworld, No. 22, March Vetrotex International, Cedex, France 40 Brochure fra Fiberline Composites A/S, Kolding 41 MMFG Profile, June Newsletter from Morrison Molded Fibre Glass Company, Virginia, USA 42 Pulling Power. Advanced Composites Engineering, Nov The Design Counsil 1992, London 138

139 43 Design Manual for Engineering Composite Profiles. Fibreforce Composites, Runcorn, Cheshire, England 44 External Fibreglass Structural Shapes - Design Manual. Morrison Molded Fibre Glass Company, Virginia, USA 45 Creative Pultrusions Design Guide. Creative Pultrusions, Pensylvania, USA. 46 Resin Injection Revival. International Reinforced Plastics Industry, Vol. 6, No. 1, Sept./Oct Channel Publication Limited, High Wycombe, England 47 RTM - the Present: But what about the Future? Reinforced Plastics, VOI. 35, No. 10, Oct Elsevier Science Publishers Ltd., Oxford, England 48 Aage Lystrup: Matrixinjicering. Miljøvenlig proces til fremstilling af fiberforstærket plast. Særtryk til Tech Trans Center 1990, Herning. Forskningscenter Risø, Afdelingen for Materialeforskning 49 Tom Løgstrup Andersen og Flemming Ehlert Nielsen: Fiberpreforms. Fra plane væv til 3D-strukturer. Forskningscenter Risø og Alfa Laval Separation A/S, Center for Plastbaserese Kompositmaterialer, august Brochurefra BrochierSA, Ciba-Geigy. April Brochier SA, Neuilly, Frankrig 51 New Knitting Methods offer Continuous Structures. Advanced Composites Engineering, Vol. 2, No. 2, June The Design Counsil1987, London 52 RTM Pumps up the Volume. Advanced Composites Engineering, Vol. 3, No. 2, June 1988, The Design Counsil 1988, London 53 A R Harper: Resin Transfer Moulding Today. Plastech Thermoset Tectonics, Cornwall, England 54 Resin Tranfer Molding. Publication No. 5-CCR Owens-Corning Fiberglas Corp. Nov

140 55 Vacuum Injection Process. Publication No /d,f,e, /40. Ciba-Geigy Ltd., Basel, Switzerland 56 H E Gundtoft og K K Borum: Round Robin Ultrasonic Examination of Carbon-Reinforced Composite Materials. Risø-I-637(EN), Juli (Presented at the 13 WCNTD in Sao Paulo, BraziI oct. 1992) Supplerende litteratur Bøger og artikler Peter R Ciriscioli and George S Springer: Smart Autoclave Cure of Composites, Technomic Publishing Co., Pensylvania, USA S T Peters, W D Humphry and RF Foral: Filament Winding Composite Structure Fabrication, SAMPE International Business Office, California, USA Paul McIntire: Nondestructive Testing Handbook, Volume 7, Ultrasonic Testing. American society for nondestructive testing, second edition 1991 Sandvikens handbok. Oforstorende provning. Sandvik AB 1973 H E Gundtoft: Examination of Fibre Composites by Ultrasound for Defect Inspection and Determination of Material Properties. Paper presented at the Danish-Israeli symposium, July Risø-M-2732, 1988 H E Gundtoft og K K Borum: Non-Destructive Ultrasonic Testing Methods for Polymer Composites. Risø-I-568(EN), August 1991 Y. Bar-Cohen: NDE of Fiber-Reinforced Composite Materials - A Review. Material Evaluation, No. 44, March 1986 M Bashyam: Thickness-Compensation Technique for Ultrasonic Evaluation of Composite Materiais. Material Evaluation, Nov F Boschetti, F Cipri and R Rossello: Ultrasonic System for in Service Non Destructive Inspection of composite Structures N D T (Proc:12th World Conference), April

141 C F Buynak, T JMoran and R W Martin: Oelamination and Crack Imaging in Graphite-Epoxy Composites. Material Evaluation, No. 47 April 1989 P Cawley and O Adams: Sensitivity of Coin-Tap Method of Nondestructive Testing. Matenal Evaluation, No. 47, May 1989 M Connolly and O Copley: Thermographic Inspection of Composite Materiais. Materials Evaluation, december 1990 B G Frock and R W Martin: Digital Image Enhancement for Ultrasonoc Imaging of Defects in Composite Materiais. Material Evaluation. No. 47, April 1989 H E Gundtoft: Ultrasonic Examinationof Ceramic and Composites for Porosities in an Automatic Scanning System. 4th European Conference Vo13. September 1987 JM Hale and JNAshton: Ultrasonic attenuation in voided fibre-reinforced plastics. NOT International Vol. 21, No.5, October 1988 J H Speake and J H Flexiscan - A System for In-Service Inspection of Composites. 4th European Conference, Vol. 2. September 1987 R Russell-Gloyd and M G Phillips: A Critical Assessment of Acoustic-Ultrasonic as a Method of Nondestructive Examination for Carbon-Fibre-Reinforced Thermoplastic Laminates. NOT International, vol. 21, No. 4, August 1988 R J Schliekelmann: Quality Control of Adhesive Bonded Joints. C182/86 IMechE 1986 R Schiitze, W Hillger and J Block: Zerstorungsfrei Priifung van Verbundstrukturen. OFVLR-Mitt 86-09, June 1986 B T Smith et al: Correlation of the Oeply Technique with UItrasonic Imaging of Impact Oamage in Graphite-Epoxy Composite. Materials Evaluatio No John Sommerscales: Non-destructive testing of fibre-reinforced plastic composites. N O T (Proc:12th World Conference), April

142 D E W Stone and B Clarke: Non-Destructive Evaluation of Composite Structures - An Overview. 6th Int. Conf. an Composite MateriaIs, July 1987 A R Yalleau: Eddy Current Nondestructive Testing of Graphite Composite MateriaIs. Materials Evaluation No. 48, February 1990 E Yikhagen and O J Løkberg: Detection of Defects in Composite Materials by Television Holography and image Processing. Materials Evaluation No. 48, February 1990 Robert H Wehrenberg: New NDE Technique Finds Subtle Defects. Materials Engineering, Yol. 93. September 1980 J H William and S S Lee: Promishing Quantitative Nondestructive Evaluation technique for Composite MateriaIs. Materials Evaluation, No. 43, April 1985 J D Aindow et al: Fibre Orientation Detection in Injection Moulded Carbon Fibre Reinforced Components by Thermography and Ultrasonics. NDT International, Yol. 19, No. 1, February 1986 B G Frock and R W Martin: Digital Image Enhancement for Ultrasonic Imaging of Defects in Composite MateriaIs. Material Evaluation No, 47, April 1989 R A Kline and Y Q Wang: Applicatiotion of Tomographic Imaging Principle to the Ultrasonic Characterization of Polymers. Materials Evaluation, November 1990 R A Kline and Z T Chen: Ultrasonic Technique For Global Anisotropic Property Measurement in Composite MateriaIs. Material Evaluation, No. 46, june 1988 T H Melling, T Kelly and P Walkden: The Application of Non Destructive Testing Techniques in the Diagnostic of Faults in Composite Components. C171/86, IMechE 1986 F I Mopsik, S S Chang, and D L Hunston: Dielectric Measurement for Cure Monitoring. Material Evaluation, No. 47, April

143 Tidsskrifter Composites. Butterworth-Heinemann Ltd. Oxford, England Composite Engineering. Pergamon Press, Oxford, England Composites Manufacturing. Butterworth-Heinemann Ltd. Oxford, England Composites Science and Technology. Elsevier Science Publish., Essex, England Composites Structures. Elsevier Science Publish., Essex, England Engineering. The Design Counsil, London, England International Journal of Adhesion and Adhesives. Butterworth-Heinemann Ltd. Oxford, England Journal of Composite Materiais. Technornic Publishing Co., Pensylvania, USA Journal of Reinforced Plastics and Composites. Technornic Publishing Co., Pensylvania, USA Journal of Thermoplastic Composite Materiais. Technornic Publishing Co., Pensylvania, USA Kunststoffe. Carl Hansen Verlag, Miinchen, Tyskland Materials Engineering. Penton Publishing, Ohio, USA Modem Plastics International. A McGraw-Hill Publication, NJ, USA Plastics, Rubber and Composites Processing and Applications. Elsevier Science Publish., Essex, England Polymer Composites. Scociety of Plastics Engineers, Brookfieid, CT, USA SAMPE Journal, SAMPE International Business Office, California, USA 143

144

145 Stikord Acceleration 62 "Acousto Ultrasonics" 111 Afdækningsfolie 33 Afspoling 65 Aktiv afspoling 67 Akustisk emission 111 Akustiske impedans 114 A-scan 120 Autoklave 24 Autoklavehærdning 24, 27 Autoklavekonsolidering 24,37,85 Autoklavetryk 31, 42 Back-ekko 117,132 B-scan 120 Bølgelængde 113 Clairauts konstant 55,56 Coin tapping 110 C-scan 120, 121 Cylinderkoordinater 57 Decibel 115 Delaminering 123 Delay line 120, 122 Dobbelt throughtransmission 132 Drostholm-metoden 64 D-scan 121 Drypvædning 73 Dypvædning 71 Dæmning 34 Dæmpning 115 Dæmpningskonstanten 115 Ekkohøjde 115 Fibermateriale 95, 103 Fiberorientering 131 Fiberpreforms 20, 103 Filt 96 Forløbsstræning 120 Formværktøj 33, 52, 104 Førerulle 77 Føreøje 77 Geodætisk bane 53 Geodætisk vikling 53 Glidesko 83 Harmonisk bølge 112 Holografi 110 Holografisk interferometri 110 Homogenitet 131 Hvirvelstrøm 111 Hærdetemperatur 31 Hærdning 32, 78 Ikke-destruktiv prøvning 107 Immersionsmåling 120, 122 Immersions-transducere 116 Impact 132 Impact-skader 131 In-situ konsolidering 81 Indre spændinger 44, 84, 90 Infrarøde lamper 82 Interlaminære forskydningsstyrke 30 Isotoper 108 Kalibreringsemner 124 Kamføring 77 Kollision 62 Kombinationsvæv 96 Kompaktionsgrad 88 Konkavitet 57, 58 Konsolidering 41, 83 Konsolideringsrulle 83 Konsolideringstryk 42 Kontaktmåling 119, 122 Kontakt-transducere 116 Krumningsradius 69 Krystallinitetsgrad 44 Lagtykkelse 59 Lamina 28 Laser 82,83 Liner 63 Longitudinale bølger 113 Lukket proces 23 Materialekvalitet 65 Matriceværktøj 92, 97 Matrixindhold 130 Matrixinjicering 24, 99 Mekaniske egenskaber 12 Måtte 96 NDE 107 NDT 107 Neutronradiografi 109 NOL-ringe 69, 76, 82, 83 Non Destructive Testing 107 Non Destructive Evaluation 107 Oplægning 23 Opsugningslag 31 Opsugningsmateriale 34 Overfladebølger 113 Ovnvikling 81, 84 Passiv afspoling 65 Piezoelektriske krystaller

146 Polarviklemaskine 62 Pore 129 Porøsiteter 129 Porøsitetsindhold 70 Postpreg 20, 37 Prepreg 20,27,37 Prepregvikling 79 Procestid 38 Profiltrækning 23, 24, 91 Præcisionsscanning 107 Præcisionsultralydscanning 132 Puls-ekko 119 Puls-ekko teknik 117 Pulsrepetitionsfrekvens 117 Radioaktive isotoper 108 Radiografi 108 Reflektion 114 Repetitionsekkoer 117 Ringføring 77 Round robin 124 Roving 20, 96 Rumtemperaturvikling 81,85 Røntgenrør 108 Røntgenstråling 108 Røntgenteknik 133 Skillefolie 35 Slipfolie 34 Slækoptag 77 Specifik stivhed 12, 14 Specifik styrke 12, 14 Spændingsregulering 65 Spunroving 96 Termohærdende plast 21 Termohærdende fiberkompositter 64 Termoplastisk plast 21 Termoplastiske fiberkompositter 37, 80 Termoplastiske postpreg 38 Termoplastiske prepreg 37 Termovision 109 Textureret roving 96 Through-transmission 119, 129, 132 Transducer 115 Transmission 114 Transversale bølger 113 Tromlevædning 72 Trådspænding 65 Tykkelsesmåling 130 Tætningsmasse 33, 46 Tør proces 23 Ultralyd 112 Ultralydapparat 116 Ultralydscanning 133 Ultralydteori 112 Vakuum 29, 42 Vakuumfolie 36, 46 Vakuumsækhærdning 24,50 Varmluftblæsere 82, 83 Venderadius 56 Vikledorne 63 Viklehastighed 62, 75 Viklemaskiner 60 Viklemønster 59 Viklevinkel 55 Vikling 23,24,53 Vinkelbølgetal 113 Vinkelfrekvens 112 Viskositet 40, 71 Visuel inspektion 107 Vædning 70 Våd proces 23 Vådvikling 64, 79 Åndeklæde

147

148