Sandwich

En sandwichkonstruktion är uppbyggt så att ett lätt kärnmaterial håller samma lastupptagande material på var sida om kärnmaterialet. På detta sätt flyttas de lastupptagande materialen längre bort från konstruktionens centrum varvid materialets styvhet i förhållande till vikten ökas drastiskt. Detta utnyttjas i allt från enkla alldagliga konstruktioner som dörrar och hyllplan till komplexa konstruktioner som flygplansvingar.

Vid konstruktion med armerade härdplaster är sandwichuppbyggnad ett relativt enkelt men effektivt sätt att öka konstruktionens styvhet och styrka utan att öka vikten, eller för att minska konstruktionens vikt, materialåtgången och kostnaden.

 

I den schematiska figuren till vänster visas hur krafterna fördelas då ett sandwichlaminat med ett lätt kärnmaterial och lastupptagande ytterlaminat belastas på mitten och stöds mot ändarna. Det undre ytterlaminatet utsätts då enbart för dragande belastning medan det övre ytterlaminatet enbart utsätts för tryckande belastning. Kärnan utsätts för skjuvbelastning mellan de undre och övre ytterlaminaten.

 

Skillnaden på densiteten mellan de lastupptagande yttermaterialen och kärnmaterialet i en konstruktion baserad på fiberarmerad plast är ofta mellan 1:10  och 1:100, dvs kärnmaterialet har en densitet mellan 0,02gr/cm³ och 0,2gr/cm³ eller 20kg/m³ och 200kg/m³ medan ytterlaminaten har en densitet kring 2gr/cm³.

 

De krav man ställer på ett kärnmaterial för sandwichkonstruktioner är följande:

• Låg densitet
• Goda hållfasthetsegenskaper i förhållande till vikten, främst vid skjuvbelastning
• Hög dämpande effekt vid slag

 

Ofta kräver man även att kärnmaterialet skall isolera mot värme och kyla samt dämpa mot ljud.

God beständighet mot vatten och fukt krävs då sandwichlaminat utnyttjas i marina tillämpningar.

Kärnmaterialet bör dessutom ha högt motstånd mot lösningsmedel, främst styren som ingår i vinylester och polyester för att fungera som sandwichmaterial laminerade med dessa härdplaster.

 

 

Det förekommer tre huvudtyper av kärnmaterial för sandwichkonstruktioner:

• Trä
• Skumplast
• Honeycomb

Trä

Trä som kärnmaterial i sandwichkonstruktioner är ofta synonymt med balsa, det lättaste av alla träslag. Balsa har en låg densitet men förhållandevis goda hållfasthetsvärden vilket gör balsaträ lämpligt som kärnmaterial.

Glasfiberlaminat på kärna av tvärlimmad balsa

 

Balsaträt utnyttjas tvärskuren, där träts fibrer är riktade tvärs ytterlaminaten. Balsaträt är dessutom ofta utsågad i kuber som är limmade på en fiberväv. Detta gör att man kan laminera balsaträt över krökta former. Tjockleken är vanligtvis kring 20mm.

Balsaträ är vanligt som sandwichmaterial i överbyggnader på GRP-båtar.

 

Även andra tyngre träslag utnyttjas men har då ofta inte samma syfte som ett traditionellt kärnmaterial i en sandwichkonstruktion – att flytta isär de lastupptagande materialen, utan står för huvuddelen av styrkan i konstruktionen där ytterlaminaten bara skyddar trät från vatten och mekanisk åverkan.

 

Skumplast

Skumplaster eller cellplaster är plastmaterial som har tillåtits expandera på olika sätt varvid material med låg densitet har åstadkommits.

Laminat armerad med hybridmatta (kolfiber-Kevlar) på en kärna av vinylcellplast

 

Det förekommer många olika skumplaster med olika egenskaper och olika densitet, även inom samma skumplastmaterial. Hållfastheten är ofta i proportion till densiteten där en högre densitet ger en starkare och styvare skumplast. De vanligaste densiteterna vid fiberkompositlaminering är 20kg/m³ – 200kg/m³. Som kärnmaterial i sandwichkonstruktioner är tjockleken vanligtvis mellan några millimeter och någon decimeter även om skumplaster förekommer i tjocklekar över en meter.

Skumplaster kan antingen ha sluten eller öppen struktur vilket innebär att den skummade plasten eller de små celler som materialet består av, antingen kan vara slutna eller öppna sinsemellan. En sluten struktur suger inte åt sig vatten i någon större omfattning och är därmed mer okänslig för fukt än en cellplast med öppen struktur. Detta gäller även i sandwichlaminat då fukt ibland riskerar läcka igenom de skyddande ytterlaminat, speciellt om materialet står under vatten konstant. En sluten struktur suger även mindre matrisplast vid lamineringen vilket innebär en lägre vikt.

Vissa skumplaster som vinylcellplast kan böjas vid värme vilket kan vara till stor fördel vid sandwichkonstruktioner med något mer komplex form. Annars är det vanligt att cellplastplattorna säljs rutskurna limmade på en väv, på samma sätt som med balsaträ för att möjliggöra laminering över böjda former.

 

Honeycomb

Honeycomb eller bikupestruktur innebär att kärnmaterialet är uppbyggt kring stående väggar där sexhörningar bildar en struktur. Mellan två lastupptagande väggar bildar honeycombstrukturen ett styvt sandwichmaterial med låg vikt.

Schematisk skiss över honeycombstrukturen

 

Materialet kan vara i kartong, termoplast, alumium eller fiberarmerad plast. Honeycomb i kartong är olämpligt i fiberkompositer medan honeycomb i termoplast eller aluminium kan medföra problem då den begränsade limmytan inte ger tillräcklig hållfasthet. Se bilden nedan:

 

Schematisk bild över skillnaden mellan limytorna hos sandwichlaminat med honeycomb och skumplast som kärnmaterial

 

Det starkaste, styvaste honeycombmaterialet som dessutom ger god möjlighet till fäste vid limningen mellan strukturen och ytterlaminaten är honeycomb med fiberkompositer som material, främst aramid. Nomexä (salufört av DuPont) är ett honeycombmaterial av Kevlar som anses vara bland det starkaste och styvaste kärnmaterialet vid sandwichkonstruktioner som existerar.

 

Aramidlaminat på honeycombkärna (Nomex)

 

Skumning på platts

 

Utöver de traditionella kärnmaterialen som läggs in vid lamineringen av sandwichlaminat förekommer även en annan metod där materialet skummas på platts efter ytterlaminaten redan är laminerade. Det vanligaste materialet för skumning på platts är polyuretan. Polyuretanet förekommer både i en- och tvåkomponentsform.

Enkomponentsskum på sprayflaska som förekommer i vanliga byggvaruhus och kallas fogskum eller byggskum är enkelt att utnyttja men har för dåliga mekaniska egenskaper för att fungera som ett kärnmaterial i sandwichkonstruktioner där kärnmaterialet belastas.

 

Tvåkomponents polyuretanskum har bättre mekaniska egenskaper och lämpar sig bättre som kärnmaterial i sandwichkonstruktioner men är betydligt svårare att utnyttja och därtill svårt att köpa. Skumning på platts är därför ovanligt för privatpersoner.

 

Fibermatta med fyllmedel

En femte form som egentligen inte är ett regelrätt sandwichmaterial bygger på fibermattor där fyllmedel med låg densitet, mikroballonger, har blandats in. Fyllmedlet bygger på tjockleken utan att extra material behöver tillföras vilket gör att det går snabbt och enkelt att bygga upp laminattjockleken. Vikten blir dock hög och likaså plaståtgången.

 

 

Kärnmaterialöversikt – de vanligaste kärnmaterialen i sandwichkonstruktioner med fiberkompositytskikt

Sandwich- material	Fördelar	Nackdelar
Balsa / trä	+ Välbeprövat + Hög draghållfasthet	- Fuktkänslig
Polystyren NM-plattanä Frigolitä	+ Lågt pris + Enkel att skära ut med värme + Går delvis böja med värme	- Tål inte styren eller starkare lösningsmedel (däremot epoxi) - Förekommer endast i lägre densiteter (upp till 80kg/m3)
Vinylcellplast Divinycellä Herexä	+ Goda mekaniska egenskaper + Slutna celler, suger inte så stora mängder plast + Okänslig mot vatten och fukt + Går att böja med värme	- Förhållandevis högt pris
Polyuretan Bonocellä Inotanä	+ Goda dämpande egenskaper vid slag	- Dålig draghållfasthet – delas lätt
Akryl Rohacellä	+ Goda temperaturegenskaper + Goda mekaniska egenskaper	- Högt pris - Låg brottöjning
Fenolplast	+ Goda temperaturegenskaper + Brandtålig	- Låg brottöjning
Honeycomb Nomexä	+ Högst styvhet och styrka i förhållande till vikten	- Högt pris - Svårt att utnyttja vid krökta dubbelkrökta ytor - Om kärnan deformeras minskar hållfastegenskaperna drastiskt - Liten yta mellan yttskikten och kärnan gör limning kritisk
Skumning på platts Polyuretan	+ Flexibelt , kräver minimalt arbete vid komplicerade former + Goda dämpande egenskaper vid slag	- Komplicerat skumningsförfarande av tvåkomponentspolyuretan - Dålig tillgänglighet av tvåkomponentspolyuretan - Dålig draghållfasthet – delas lätt
Fibermatta med fyllmedel	+ Enkelt och snabbt att bygga upp laminatjocklek	- Hög vikt - Mycket plaståtgång

 

 

 

Kommentar till prisjämförelsen:

Alla kärnmaterial i prisjämförelsen förekommer i andra tjocklekar. Priset står ungefär i proportion mot tjockleken.

Vissa av kärnmaterialen förekommer i andra densiteter. En högre densitet ger högre pris.

Främst vinylcellplast förekommer i många olika kvalitéer och densiteter med kraftigt skiljande priser. Vinylcellplast med goda mekaniska prestanda eller som är framtagen för att uppfylla specialkrav betingar ett högre pris.

 

TILL STARTSIDAN!