Tänka på vid fiberkompositkonstruktioner

Dimensionering

Felrisker och vanliga fel

 

Tänka på vid fiberkompositkonstruktioner

Det är vanligt att erfarna konstruktörer som länge har konstruerat i metall tänker på ett visst sätt, men för att på ett bra sätt konstruera i fiberarmerad plast krävs det att konstruktören ”tänker i fiberarmerad plast”, då både materialegenskaperna, konstruktionssätten och hur den specifika konstruktionen bör se ut och anpassas ofta skiljer mycket mellan vid konstruktion i armerad plast istället för metall.

 

Att ta fram en optimerad konstruktion i fiberarmerad plast, där dimensionerna är helt rätt, fibrerna är av rätt typ på olika platser i konstruktionen samt är placerade i rätt riktning är svårt. Om därtill tillverkningsprocessen skall optimeras för minimal tidsåtgång och minimala kostnader i förhållande till slutresultatet ökar uppgiftens komplexitet. Framtagandet av optimala eller helt optimerade konstruktioner i fiberarmerad plast är därför något som privatpersoner och mindre industrier sällan eller aldrig genomför.

Att ta fram enstaka konstruktioner i fiberarmerad plast med tillräckliga egenskaper kan dock vara relativt enkelt men konstruktören bör känna till materialets egenskaper, hur konstruktionen praktiskt skall genomföras och vilka felrisker det finns.

 

 

Dimensionering

Fiberriktning

I en fiberarmerad plast styr armeringsfibrerna och dess egenskaper det totala materialets egenskaper vid de flesta belastningsfall. Förenklat så blir materialets draghållfasthet och E-modul vid drag samma som de ingående armeringsfibrernas förutsatt att fibrerna är kontinuerliga och enbart är i samma riktning som för den dragande belastningen. I de flesta fall är dock fibrerna varken fullständigt kontinuerliga eller enbart placerade i den riktning som belastningen påverkar. Materialets egenskaper är då betydligt sämre vid just den aktuella belastningen men kanske bättre vid någon annan belastning.

Det är konstruktörens uppgift att bedöma hur konstruktionen kommer att belastas. Om konstruktionen enbart belastas i en viss riktning bör en stor del av armerande fibrerna placeras i den riktningen, vilket görs med enkelriktad väv eller roving. Rent längsriktat laminat bör dock normalt undvikas då de mekaniska egenskaperna i övriga riktningar blir mycket dåliga.

Då belastningens riktning i konstruktionen är okänd eller konstruktionen belastas lika mycket i alla riktningar bör fibrerna placeras så de kan ta upp laster från alla riktningar. Detta är det vanligaste vid konstruktioner i fiberarmerad plast och även det enklaste belastningfallet att räkna på. Laminatet konstrueras då ofta med korthuggen matta eller flerriktad väv.

En vanlig kombination är där laminat är uppbyggt med fiberriktningar men på vissa platser förstärks eller styvas upp lokalt med längsriktade fibrer.

 

Fiberhalt

Eftersom hållfasthetsegenskaperna för en konstruktion av armerad plast vid många belastningsfall till största del styrs av de ingående fibrerna som tar upp lasterna är även fiberhalten i den armerade plasten viktig. Fiberhalten räknas vanligtvis i viktprocent där tex 30 procent fiberhalt innebär att laminatet består av 30 viktprocent fibrer och 70 viktprocent matrisplast.

Ett laminat med hög fiberhalt är generellt starkare och styvare än ett laminat med samma dimensioner men med lägre fiberhalt då den totala mängden fibrer i det första laminatet är högre.

Olika fibrer, fiberutformning och lamineringsmetoder ger olika fiberhalt. Generellt gäller att ju mer komplex lamineringsmetod och fiberutformning desto högre fiberhalt får laminatet och därmed högre vikt-styrkeförhållande. Ett handlagt laminat armerad med glasfibermatta ger lägst fiberhalt, kring 30%, handläggning av väv ger kring 50% fiberhalt, medan bagging eller annan pressmetod av laminat baserad på väv eller pre-preg ger upp till 70% fiberhalt. Högre fiberhalt än 70% ger dock risk för att laminatet blir för ”torrt” dvs mängden matrisplast blir för liten varvid laminatet blir känsligt för bla klyvande belastning.

Det är konstruktörens uppgift att antingen anpassa fiberutformning och lamineringsmetod efter kraven och konstruktionens dimensioner eller, vilket ofta är vanligare, att konstruktionen anpassas efter den fiberhalt som den utnyttjade lamineringsmetoden och fiberutformningen ger.

Fiberhalten kan beräknas genom att laminera en provbit med den metod och fiberutformning som skall utnyttjas i den aktuella konstruktionen och väga plasten, väven och det slutgiltiga laminatet.

När fiberhalten är känd är det dessutom möjligt att beräkna ungefär hur mycket varje skikt med fiber bygger på tjockleken varvid man vet hur många lager man skall lägga för att laminatet skall nå lämplig tjocklek.

Tjockleken kan mätas eller beräknas genom att plastens och fiberns densitet är känd (glasfiber: ca 2,6 kg/dm3, kolfiber: ca 1,7 kg/dm3, aramidfiber: ca 1,4 kg/dm3, matrisplast: ca 1,1 kg/dm3 (polyester, vinylester och epoxi)).

En enkel fingervisning vid handläggning är att laminat armerad med 450gr/m2 glasfibermatta bygger ca 1mm per lager och något tunnare om laminatet packas. Motsvarande glasfiberväv bygger kring 0,5mm om laminatet packas och motsvarande längsriktad väv ytterligare något tunnare pga möjlighet till högre fiberhalt.

 

Sandwich

Vid sandwichkonstruktioner blir laminatet ofta så styvt och starkt att det snarare är tryck- och slagtåligheten hos laminatet som styr vid dimensionering än laminatets hållfasthetsegenskaper. Dimensionerna anpassas då efter hur mycket tryck- eller punktbelastning sandwichkonstruktionen utsätts för på olika platser. På vissa platser där laminatet kan utsättas för extra stora punktbelastningar, infästningar och liknande låter man laminatet antingen övergå till enkellaminat eller byter ut kärnmaterialet till ett hårdare material som i större omfattning står emot tryck. Det kan vara hårt trä eller glasfiberarmerad plast.

Exempel på hur ett sandwichlaminat övergår till enkellaminat

 

Punktbelastning

En stor skillnad mellan konstruktion i metall och armerad plast är att metall generellt tål betydligt mer punktbelastning. Detta blir speciellt tydligt i kompositkonstruktioner armerade med ytterst starka fibrer som kolfiber. Styrkan och styvheten för kolfiberlaminat överstiger ofta motsvarande konstruktion i tex stål men vid punktbelastning skadas materialet lätt. Detta gäller speciellt laminat med hög fiberhalt som vid punktbelastning lätt delaminerar. Vid tex infästningar och liknande partier som utsätts för stora punktbelastningar bör därför laminatet överdimensioneras rejält eller så kan lämpliga metalldelar plastas in för att på det sättet fördela belastningen över en större yta av laminatet. Metallbitar som plastas in bör anpassas till formen så att laminatet har möjlighet att omsluta rejält för att minimera risken för att metallbiten släpper. Metallplattor som skall plastas in perforeras med hål så att laminatet har möjlighet att binda samman på båda sidorna av plattan.

Lämpligt material är aluminium, stål eller titan, metaller som är relativt lätta att limma. Undvik metaller som är svårlimmade (låg ytspänning) som tex rostfritt stål.

 

Felrisker och vanliga fel

Vid konstruktion i fiberarmerad plast ingår vissa moment som är känsliga och om de genomförs på ett felaktigt sätt äventyras egenskaperna för hela kompositkonstruktionen. Ofta är uppkomna fel dessutom svåra eller omöjliga att rätta till utan leder till att hela konstruktionen måste kasseras. Det är därför av högsta vikt att konstruktören känner till de vanligaste felen och felriskerna och försöker undvika dessa.

 

Felaktiga blandningsförhållanden

Om härdaren och hartsen och eventuell accelerator blandas i felaktiga proportioner kan laminatet antingen bli dåligt genomhärdat och gummiliknande med kraftigt försämrade hållfasthetsegenskaper (speciellt stor risk med epoxi) eller laminatet härdar för snabbt varvid den snabba exoterma reaktionen ger upphov till att temperaturen stiger snabbt och det finns risk för att laminatet spricker eller mikrosprickor uppstår (speciellt stor risk med polyester eller vinylester).

För att vara säker på att blandningsförhållandena blir rätt bör därför delarna antingen vägas med en noggrann våg, tex en elektronisk brevvåg om mindre mängder lamineras eller speciella pumpar som saluförs av plastleverantörerna utnyttjas.

 

Lämplig elektronisk brevvåg / köksvåg

 

Dålig blandning

Om hartsen och härdaren inte blandas till ordentligt finns risk för samma typ av problem som vid tillblandning av felaktiga proportioner. För att vara extra säker på att plasten har blandats till väl och inte riskera oblandade bottenrester i kärl som sedan används vid lamineringen kan man flytta över plasten från tillblandningskärlet till nästa och fortsätta blandningen där.

Trotts att plasten skall blandas väl bör man undvika att vispa den då det kan blandas in luftbubblor. Lämplig verktyg att blanda med är en trästicka vid mindre mängder och blandarverktyg fäst på borrmaskin vid blandning av större mängder. Eventuella luftbubblor som ändå kan uppstå undviks då plasten tillåts stå någon minut innan man börjar laminera med den.

 

Fel fiber till plasten

En felkälla kan vara att fibern inte är anpassad till den harts den skall armera. Det innebär att fibern inte är sizad för den plast som utnyttjas, eller att fiberns binds med ett bindemedel som inte löses upp av plasten vid lamineringen. Matrisplastens vätande förmåga på fibrerna försämras och därmed minskas plastens möjlighet att korrekt binda samman fibrerna varvid kompositens hållfasthet kan försämras avsevärt.

Ett tecken på att fibern innehåller ett bindemedel som inte plasten förmår lösa, vilket tex är fallet då man försöker laminera korthuggen glasfibermatta med lösningsmedelsfri epoxi, är att det märks tydligt att väven inte förmås vätas och att laminatet blir grumligt.

 

Lokal

En felkälla är att konstruktionen lamineras i en felaktig lokal. Den omgivande temperaturen kan vara för låg varvid laminatet inte tillåts genomhärda korrekt. Fuktigheten kan vara för hög varvid dagg uppstår på laminatet vilket kan medföra att vatten eller fukt innesluts i laminatet, något som ger stor risk för dålig hållfasthet, delaminering och degradering med tiden. Vid en lägre temperatur sjunker daggpunkten, dvs den temperatur då fuktigheten i luften bildar dagg på ytor.

Fibrer och andra lamineringsprodukter bör förvaras torrt för att egenskaperna inte skall försämras och de skall vara torra då de lamineras. Hartsen bör stå kallt för att få så lång brukbar livslängd som möjligt då all harts härdar eller torkar med tiden. Generellt har epoxiharts längre brukbarhet än polyesterharts. Om epoxihartsen har kristalliserats vilket kan ske efter en tid kan man värma upp hartsen något varvid den återgår till sin ursprungliga flytande form.

 

Dåligt underarbete

Ett vanligt fel vid limning och laminering på härdat laminat och andra ytor är att ytorna inte förbehandlas rätt. Generellt skall alla ytor som limmas eller lamineras vara väl rengjorda från alla rester av smuts och fett. Detta är speciellt viktigt om epoxi utnyttjas som inte innehåller några lösningsmedel som löser eventuellt smuts eller fett. Ytorna rengörs med vatten och fettlösande lösningsmedel som inte lämnar några rester. Aceton är ofta lämpligt men om ytorna som rengörs är känsliga kan istället T-sprit eller svagare lösningsmedel utnyttjas. Observera att framförallt aceton inte bara löser fett på de föremål som skall rengöras utan även det naturliga fett som förekommer i huden och är vid hudkontakt starkt uttorkande. Hudkontakt bör därför undvikas.

Ytor som skall lamineras eller limmas bör dessutom vara grovslipade för att härdplasten skall ha maximal möjlighet att fästa.

 

Felaktig form

Ett vanligt fel som både kan kosta mycket tid och pengar är då formen som konstruktionen skall lamineras mot antingen är felaktigt utförd, eller formens yta inte är tillräckligt väl preparerad.

Formen kan vara utformad så att laminatet inte kan tas bort från formen, om tex inte tillräckliga släppvinklar finns, eller om laminatet krymper fast på formen under härdningen. Ofta kan det vara bra att överdriva släppvinklarna och dela upp formen i flera delar, med delningslinjer för att underlätta avlägsnande av laminat från formen, och att alltid ha laminatets härdkrympning i åtanke då formen utformas.

En väl utförd form kan även förstöras, tillsammans med laminatet som påförts formen, om släppmedlet har påförts felaktigt eller om felaktigt släppmedel har utnyttjats. Risken är extra stor om laminatet baseras på epoxi som har överlägsen limningsförmåga jämfört med polyester och vinylester. Om vax utnyttjas som alternativ till filmsläppmedel för man försäkra sig om att det inte löses upp av hartsen, och att vaxet medger tillräcklig släppning. Är man osäker på om släppningen är tillräcklig bör man plasta ett mindre testlaminatet på formen innan den riktiga konstruktionen lamineras!

 

Dåliga förberedelser

Vid lamineringsarbete ligger ofta majoriteten av jobbet i förberedelserna! Formen prepareras, fibern klipps till, alla nödvändiga verktyg plockas fram, kärl till blandning av hartsen, skyddsvantar osv. Arbetsplattsen skyddas från plaststänk med tidningar eller liknande. När väl lamineringsarbetet påbörjas bör förberedelserna vara så väl utförda att arbetet flyter på snabbt och smidigt. Avbrott då man tex är tvungen att klippa upp extra fiber ökar risken för stress och tidsbrist, vilket kan leda till att hartsen gelar redan innan laminatet har påförts. De flesta som har handlaminerat har erfarenhet av frustationen som uppkommer då polyesterhartsen i kärlet når "syltstadiet", dvs delar av hartsen redan har gelat, och man måste slänga satsen. Eller då laminatet under det som påföres redan har kommit så långt i härdprocessen att det har blivit varmt, och och jakten mot klockan då man vill bli klar med hela laminatet trotts att det är för sent att påföra nytt laminat vått-i-vått.

Dåliga förberedelser ökar risken för ett dåligt lamineringsarbete och i förlängningen ett dåligt laminat! 

 

 

TILL STARTSIDAN!