Fibrernas form vid laminering

Fibrerna som utnyttjas vid laminering för att armera plasten i en fiberkomposit finns i olika utformningar beroende armeringsfibern, lamineringsplasten som skall nyttjas som matris, lamineringsmetoden, formen och den blivande konstruktionens utformning, krav på mekanisk prestanda, hållfasthetskrav osv.

Eftersom det inte bara är fibern och matrisplasten som bestämmer fiberkompositkonstruktioners mekaniska egenskaper utan även fibrernas riktning och längd på olika ställen i konstruktionen så är fibernas utformning vid laminering ofta avgörande för konstruktionens slutgiltiga mekaniska prestanda.

Men valet av fiberform vid laminering är ofta en kompromiss där konstruktionens utformning och den lamineringsmetod som skall utnyttjas mer bestämmer valet än exakta krav på mekaniska prestanda för den slutgiltiga fiberkompositkonstruktionen.

De vanligaste förekommande formerna för armeringsfibrer vid laminering är:

Flock – lösa huggna fiberbitar
Matta – sammanbundna huggna fiberbitar eller längre fibrer slumpmässigt placerade
Roving – tråd bestående av tusentals fibrer på rulle
Enkelriktad väv – väv eller band med fibrerna längsmed
Väv – armeringsfibrerna vävda till en tygliknande väv

Fiberformöversikt – förekommande formerna för armeringsfibrer vid laminering

Fiberform	Användningsområden, ingående fibermaterial, sizing	Fördelar	Nackdelar
Flock	I lågprestandalaminat, för att blanda till glasfiberspackel, används vid förformning av fibermatta E-glasfibrer sizade för polyester	+ Mycket lågt pris	- Låg fiberhalt - Svår att utnyttja vid handläggning
Matta	Generell användning i alla typer av laminat där hållfasthetsegenskaperna är underordnade, eller där belastnings-riktiningen ej är känd. Utmärkt till komplicerade dubbelkrökta former. E-glasfibrer, sizade för polyester.	+ Klarar alla typer av former, även komplicerade dubbelkrökta + Enkel att utnyttja, snabb tillpassning innan laminering + Lågt pris	- Låg fiberhalt - Kan inte lamineras med lösningsmedelsfri härdplast som epoxi
Roving	Lindning, eller lokal förstärkning, uppbyggnad av master och liknande samt till sprutning av laminat Alla fibermaterial.	+ Lågt pris + Möjligt att utnyttja för att pressa ihop runda och lindbara laminat + Riktade hållfasthetsegenskaper	- Svårt att utnyttja till stora ytor
Enkelriktad Väv	Lokala förstärkningar eller i laminat med förbestämda belastnings-riktningar. Ofta kolfiber men även E-glas och S-glas, i undantagsfall aramid. Ofta sizad för epoxi.	+ Maximal styrka och styvhet i bestämda riktningar, möjlighet att optimera och styra laminatets hållfasthets egenskaper + Hög fiberhalt	- Ofta relativt smala band ej lämpliga för uppbyggnad av stora ytor
Väv	Alla fibermaterialtyper, glasfiber, kolfiber, aramid, Terylene och Dyneema. Förekommer sizad både för epoxi, polyester och vinylester.	+ Hög fiberhalt i förhållande till matta + Attraktivt utseende om väven är uppbyggd av optiskt täta fibrer som kolfiber	- Svårt eller omöjligt att anpassa till komplicerade former

Flock

Lösa fibrer, oftast glasfiber (E-glas) 5-50mm långa.

Säljes i lösvikt till lågt pris. Utnyttjas genom att läggas ut på lokala platser i laminat där det kan vara svårt att utnyttja matta men även genom att blandas med hartsen för att skapa glasfiberspackel.

Utnyttjas även vid industriell framställning av förformad fibermatta och andra industriella metoder för framställning av armerad plast där harts och fiber blandas i förväg.

Flock lamineras nästan uteslutande med polyester och fibrerna är normalt sizade för polyester.

Armering med flock ger laminat med låg fiberhalt (20-30%) och begränsade hållfasthetsegenskaper.

Matta

CSM- Chopped Strand Mat

Fibermatta bestående av huggen armeringsfiber, 25-100 mm långa (oftast 40-50mm), parter om ca 200 enskilda fibrer, som ligger slumpmässigt i alla riktningar. Vikten är som standard mellan 200 gr/m² och 1200gr/m².

Emulsionsbunden korthuggen glasfibermatta 300gr/m² för armering av polyester

Utnyttjas vid laminering med polyester som matris för att skapa s.k. GRP-konstruktioner (Glass fibre Reinforced Plastics - glasfiberarmerad plast).

Möjliggör snabb och flexibel handläggning över komplicerade former och stora ytor och snabb uppbyggnad av laminattjockleken.

Ger laminat med låg fiberhalt (30-50%) och låga hållfasthetsegenskaper men som har samma egenskaper i alla riktningar i laminatets plan.

Mycket vanligt förekommande i båtskrov och liknande glasfiberkonstruktioner.

Korthuggen fibermatta är ofta det självklara valet vid fiberkompositlaminering av konstruktioner där vikt eller hållfasthetsegenskaperna inte är av högsta prioritet.

De huggna fibrerna är sammanbundna med ett bindemedel som löses upp av lamineringsplasten. De vanligaste förekommande bindtyperna för CMS-mattor:

Emulsionsbunden
Pulverbunden

Bindemedlet i emulsions- eller pulverbunden matta löses upp av polyesterns styren då mattan väts med plasten. Fibrerna blir då fritt flytande i plasten och kan formas till mycket komplicerade former.

Även vinylester som innehåller styren löser upp bindemedlet i korthuggna mattor men eftersom styrenhalten är lägre än för polyester och bindemedel av pulvertyp kräver hög styrenhalt för att helt lösas upp kan endast emulsionsbundna mattor lamineras med vinylester.

Eftersom lamineringsepoxi vanligtvis inte innehåller något lösningsmedel är det olämpligt att laminera emulsion- eller pulverbunden matta med epoxi. Resultatet om man trotts allt försöker laminera matta med epoxi blir att mattan väts dåligt och att bindemedlet endast delvis löses upp vilket medför ett grumligt laminat med låg fiberhalt och dåliga hållfasthetsegenskaper.

Då korthuggen mattan tillpassas till formen innan laminering bör den inte klippas av utan rivas varvid övergången blir diskret då bindemedlet i mattan har lösts upp.

Ytmatta

Mycket tunn matta (10-100gr/m²), ofta med C-glasfibrer, som ger en jämn, tät yta på laminatet. Det förekommer även ytmattor i sega syntetfibrer (tex polyester / Teryleneä) som även förbättrar slagtåligheten för laminatet.

Utnyttjas som närmsta lager mot gelcoat för att minimera risken för att fiberstrukturen syns igenom samt ge bättre kemiskt och mekaniskt skydd.

Ytmatta C-glas 22gr/m²

CM – Continuous Mat

Fibermatta med kontinuerliga fibrer i slingor, används i samband med pressning och industriell injiceringslaminering men rekommenderas inte till handläggning.

Roving

Roving är armeringsfibrer ihopbuntade till en grövre otvinnad trådliknande form. Grovleken på rovingen styrs av mängden fibrer som den innehåller, vanligtvis kring 1000 till 24 000 enskilda fibrer, benämns med K-tal där K står för 1000 fibrer (eng: number of filaments). Även diametern på varje enskild fiber samt hur hårt bunden rovingen är styr grovleken på rovingen där tex en 12K-roving (roving med 12 000 enskilda fibrer) kan ha en diameter på mellan någon tiondels millimeter upp till två millimeter.

Rovingen är upplindad på stora spolar s.k. bobiner som rovingen lindas av, utifrån eller inifrån.

Alla vanliga armeringsfibrerna för laminering finns i rovingform, glasfiber, kolfiber och aramid.

Kolfiberroving på rulle

Roving kan användas direkt vid laminering, för att lindas runt laminat eller sträckas mellan två eller flera punkter varvid laminat med förbestämd fiberriktning och hög fiberhalt kan åstadkommas. Roving utnyttjas även för lokala förstärkningar tillsammans med matta eller väv samt vid sprutlaminering. Roving utnyttjas även vid tillverkning av fibervävar.

Enkelriktad väv

I en enkelriktad väv - UDR – Unidirectional Roving är alla eller huvuddelen av fibrerna förlagda i samma riktning.

Enkelriktad kolfiberväv Toray T-600 med svetsad tvärbindningstråd

Enkelriktad väv kan antingen vara vävd av roving (oftast plainvävning) där huvudparten av fibrerna är i samma rikning eller i en form där fibrerna ligger parallellt och tvärbinds med en tråd av samma eller annat material.

De vanligaste förekommande tvärbindningarna är:

Vävd tvärbindningstråd – tvärbindningstråden vanligtvis av samma fibermaterial är vävd tvärs de längsriktade fibrerna.
Sydd tvärbindningstråd – tvärbindningstråd antingen av samma eller ett mer flexibelt fibermaterial sydd tvärs de längsriktade fibrerna
Svetsad tvärbindningstråd – tunna termoplasttrådar är smälta tvärs de längsriktade fibrerna, tillåter att den längsriktade väven delas ner i smalare band på längden utan att väven faller isär.

Enkelriktad väv utnyttjas i fiberkompositkonstruktioner främst där belastningsriktningen är känd, för att ge maximal styvhet och styrka i en eller flera bestämda riktningar.

En hög fiberhalt kan åstadkommas vid laminering av enkelriktad väv pga fibrerna är tätt packade i föhållade till i vävar eller mattor där fibrerna är i flera riktningar i samma plan.

Därmed är det möjligt att skapa kompositkonstruktioner med låg vikt och goda mekaniska prestanda och med speciella egenskaper som eftersträvas på olika platser i konstruktionen.

Enkelriktad väv utnyttjas även till lokala förstärkningar i bestämda riktningar i laminat baserade på matta eller dubbelriknad väv.

I konstruktioner där hög fiberhalt eftersträvas men belastningsriktningen är okänd kan enkelriktad väv lamineras så att väven riktas i olika riktningar för olika lager, liknande uppbyggnaden för plywood-träplattor.

Enkelriktad väv är en vanlig form för kolfiber, då kolfiber i konstruktioner ofta utnyttjas för lokala förstärkningar eller för att åstadkomma laminat med riktad styvhet och styrka eller bestämda hållfasthetsegenskaper på olika platser i konstruktionen.

Väv

I en väv är armeringsfibrerna vävda på ungefär samma sätt som i ett grovt tyg. Fiberväven är vävd av roving. Grövre vävar kallas rovingvävar (WR = Woven Roving) medan finare vävar kallas garnvävar.

Fibervävar kan även benämnas efter hur grov den ingående rovingen är genom rovingens k-tal, dvs hur många tusen enskilda fibrer som varje rovingtråd innehåller.

Det förekommer många olika vävningar beroende användningsområdet för väven, hur tät den skall vara, om den skall vara drapérbar dvs kunna sträckas över dubbelkrökta ytor osv.

Nedan visas schematiska bilder över några vävtyper. För tydlighetens skull har de två fiberriktningarna färgats med olika färger, värften (horisontella trådar) svart och varpen (vertikala trådar) gult/ljust.

Vanliga vävar:
Plain (tvåskaft) Täta vävar	Twill (kypert) Medeltäta drapérbara vävar	Satin Medeltäta med god drapérbarhet
Ovanligare vävar:
Atlas	Basket

Det förekommer även andra vävtyper där rovingen inte är placerad i horisontell och vertikal riktning (0/90°) och även vävar där rovingen är placerade i flera riktningar än två:

Biaxial tex 60° där riktningarna är 60° från varandra istället för 90°

Multiaxial tex 4-axial där rovingen är vävd i fyra riktningar

Multiaxial glasfiberväv 1040gr/m²

Det förekommer även en rad specialvävar exempelvis:

Ögleväv – väv med öglor som vid laminering bildar upphöjningar som sandwichmaterial kan fästa vid, vid skumning av polyuretankärna på platts.
Strumpa – rörformad flexibel vävning som medger att väven kan sträckas över en rörform, även med varierande tjocklek för att ta fram sömlösa laminat med attraktivt utseende framförallt i kolfiber

Val av fiberutformning

I fiberkompositkonstruktioner bestäms de mekaniska egenskaperna utöver konstruktionens utformning främst av vilka fibrer som armerar plasten och dess mekaniska egenskaper men i lika stor utsträckning hur dessa fibrer är placerade i laminatet, dess riktning, varje enskild fibers längd och mängden fibrer i laminatet. Det som bestämmer hur fibrerna är placerade i konstruktionen och fibrernas längd är i vilken form som fibrerna var innan lamineringen.

Även om laminering med korthuggen glasfibermatta ger måttliga hållfasthetsegenskaper är det ofta det självklara valet vid handläggning vilket är den vanligaste lamineringsformen för privatpersoner, mindre industriell skala och vid laminering av stora konstruktioner.

Korthuggen matta medger enkelt lamineringsförfarande och möjligheten att lamineras i komplexa former samt anpassa tjockleken på olika platser utan att förbereda fibrerna i någon större omfattning innan lamineringen. Laminat baserade på korthuggen matta har samma mekaniska egenskaper i alla riktningar varför det är enkelt att dimensionera konstruktionen utan mer än uppskattningar eller enklare beräkningar genomförs.

För att öka hållfastheten och styra konstruktionens mekaniska egenskaper förstärks laminatet baserad på korthuggen matta ibland med längsriktad väv eller i vissa fall roving.

Om kraven på hållfastheten hos konstruktionen är högre eller det finns krav på låg vikt faller valet på fiberutformning till vävar, enkelriktade eller flerriktade, beroende konstruktionens utseende och i vilken riktning som konstruktionen belastas.

Styrkan hos ett laminat armerad med en dubbelriktad väv är starkast då belastningen är i samma riktning som någon av fiberriktningarna och är som svagast 45º från någon av riktningarna.

Motsvarande enkelriktad väv ger närmast ett dubbelt så starkt laminat i den riktning som fibrerna är riktade i, men ett laminat som är mycket svagt 90º från fiberriktningen.

Styrkan i förhållande till fiberorienteringen hos laminat

armerade med enkelriktad och dubbelriktad väv

Vävar utnyttjas inte bara då starkare laminat vill uppnås eller riktningen är känd utan även då epoxi används som matrismaterial, då epoxi inte kan lösa upp bindemedlet i korthuggen matta och fibrerna i mattor inte är sizade för epoxi.

Det är möjligt att laminera relativt komplexa former och dubbelkrökta ytor om väven som utnyttjas är drapérbar.

Laminering med väv istället för matta ger även högre fiberhalt vilket ger bättre hållfasthetsegenskaper i förhållande till vikten.

Eftersom laminat baserade på vävar generellt blir starkare i förhållande till vikten kan materialåtgången minskas drastiskt i förhållande till i laminat baserade på korthuggen matta, speciellt om längsriktade vävar eller roving utnyttjas för att maximera fibrerna i den riktning som laminatet belastas. Detta medger att kostnaderna för konstruktionen kan bli lägre trotts att laminatets mekaniska egenskaper blir bättre och vikten lägre. Detta kan även gälla om epoxi används istället för polyester trotts ett högre kilopris för hartsen.

Ett specialfall är i de fall där fiberns utformning utnyttjas för att ge konstruktionen en viss ytfinish och utseende. Det handlar då ofta om kolfiber i form av väv (ofta 2x2-twill) lamineras med optisk klar plast. De förekommer även att fibrerna färgas i vävar (ofta Kevlar) som främst utnyttjas för att ge ett attraktivt utseende.

TILL STARTSIDAN!