Tillverkning av plastkompositer, del 1

Tillverkning av plastkompositer, del 1 Tillverkning av fiberarmerade plaster sker med en rad olika metoder, som kan indelas i tre huvudgrupper: Ω manuella metoder Ω halvautomatiska metoder Ω automatiska metoder De manuella processerna innefattar kontaktmetoderna handuppläggning och sprutning. Kontaktmetoder innebär öppen tillverkning mot en form. Vid handuppläggning varvas glasfibermatta och harts på formen. Sprutning innebär att glasfiber och harts sprutas mot formen. I båda fallen rollas glasfiber och harts för hand för att kompakteras Endast en sida av det härdade laminatet får en exakt avbildning av formens yta. Ytterligare kompaktering kan ske med hjälp av trycksäck (pressure bag) eller autoklav. Syftet är att minska andelen porer i det härdade laminatet och att öka fiberandelen. Tillverkning med trycksäck är en vidareutveckling av kontaktmetoderna och kräver ytterligare utrustning. Vid trycksäcksmetoden läggs ett tryck på det öppna kompositblandningen, vilket ger följande fördelar: Ω produkten blir kompakterad Ω andelen fibrer i laminatet ökar Ω Den exponerad ytan får högre kvalitet än vid den vanliga kontaktmetoden De halvautomatiska metoderna innefattar kallpressning (cold pressing), tryckpressning (compression moulding) och injicering (resin injection) och då tillverkningen sker mellan två formhalvor i en sluten form. Kallpressning och tryckpressning behandlas i kommande nummer. Till de automatiska processerna räknas pultrudering (pultrusion), lindning (filament winding) och formsprutning (injection moulding). Formsprutning har tidigare diskuterats tidigare i denna serie både när det gäller termoplaster och härdplaster. lars-erik edshammar armeringsfibrer ger hållfastheter, som beror på i vilka riktningar de verkar. Hur olika armeringstyper är uppbyggda framgår av figur 1. Knippen av de tillverkade glasfibrerna, rågarnet, spolas upp på en kaka. Fiberknippet är belagd med en appretur för att hållas ihop och skyddas i den fortsatta hanteringen. En roving består av ett antal sådana fiberknippen, som i sin tur innehåller upp till 200 enskilda fibrer, som bildar kardeler (strands). Rovingen spolas upp på spolar. En riktad (unidirektionell) roving ger hög styrka i endast en riktning (a). Parallellställd roving binds till en glasfibermatta eller hålls ihop på annat sätt (b). Parallell rovingförstärkning förekommer i prepreg där bindemedlet är ett förpolymeriserat harts. Rovingen kan vävas i olika typer av rovingvävar (c). I figur 1 visas den enklaste vävtypen som ger förstärkningar i ortogonala riktningar. Garnvävar är tunnare men ger också förstärkning i ortogonala riktningar (d). En glasfibermatta tillverkas av roving som huggs i längder upp till 100 mm Glasfibern fördelar sig slumpvis i alla riktningar (e). Mattan är bunden med en polymer, som löser sig i matrisen. Roving huggs också till glasfiberflock (chopped strands) för tillverkning av pressmassor samt vid förformning. Ytmattan (glas surfacing mat) är en lätt och löst bunden matta, som inte har någon nämnvärd armeringsefekt (f). Slalomskidan i figur 2 är ett förenklat exempel på hur man kan kombinera olika fibertyper. Här har man också infört distanselement dels för att förstyva konstruktionen och dels åstadkomma dämpning. Vid uppläggning av de olika armeringstyperna är det viktigt att luftbubblor avlägsnas så gott det går. Vid handuppläggning och sprutning sker detta hantverksmässigt genom bearbetning med hjälp av en roller. För att avlägsna fler bubblor krävs mer eller mindre avancerade och dyra metoder. öppen form används framför allt vid tillverkning av exempelvis båtskrov i en honform och karossdetaljer i en honform. Tekniken utvecklades så tidigt som under 1940-talet och därmed fick den glasfiberarmerade polyestern sitt genombrott. I sin enklaste form kräver metoden varken värme eller tryck för att åstadkomma ett härdat Figur 1. Fiberstrukturen i laminatet är avgörande för hållfastheten i olika riktningar. 52 plastforum 6 2007

foto: salomon laminat. Vissa metoder som vakuum- och tryckpressning används emellertid för att öka kompakteringen. Dessutom tillförs värme för att förkorta härdningstiden. Flera metoder utgår från en öppen form och nedan beskrivs de vanligaste. handuppläggning (lay-up) av glasfiber och harts med härdare sker i öppen form. Vanligen tillverkas storytiga detaljer i relativt korta serier. Investeringskostnaderna är låga och tillverkningen utförs ofta vid relativt små företag. Man utgår från en haneller honform. Formen kan tillverkas i många material men vanligast är glasfiberarmerad plast, GRP (Glasfibre Reinforced Plastic). Man utgår från en prototyp (master Slalomskidan ett exempel på hur olika fibertyper kan kombineras. pattern) vid framställning av formen. På prototypen handuppläggs glasfiberarmerad plast tills den får en hållbar väggtjocklek. Formen stöttas vanligen med ett fackverk av profiler. Formen härdas och utgör sedan den form i vilket man tillverkar t ex båtskrov och karossdetaljer. Det är viktigt att prototypen liksom formen har en väl slipad och polerad yta. I föregående artikel visades hur ett båtskrov tillverkas genom laminering i en honform. Figur 3 visar hur en kompositprodukt handuppläggs på en hanform. Produktens utseende i ytan beror på kvaliteten hos formytan. För att inte kompositen skall fastna i formytan beläggs den med ett släppmedel t ex vax, som får torka. Därefter följer ett lager gelcoat, som penslas på släppmedlet. Gelcoaten består av ett specialharts med färgämnen och andra tillsatser för att ge kompositens yta hög väderbeständighet. Huvudfunktionen är att minska den fuktinträngning, som kan ske i laminatet och som påverkar bindningen mellan glasfibern och matrisen så att den försvagas. Gelcoaten förstärks vanligen med en fin ytmatta, som också eliminerar det genomslag som åstadkoms av underliggande grövre glasfiberstruktur. Det skyddande gelcoatskiktet med ytmattan skall ge en jämn, fin och dekorativ yta åt produkten. Tjockleken hos gelcoaten är omkring 0,35 mm och tjockleken bör vara den samma över hela ytan annars härdar ytan ojämnt och det kan uppstå sprickor. sedan gelcoaten blivit tillräckligt stel men fortfarande har en viss klibbighet penslas den med ett hartslager varefter lagret täcks med ett glasfibermaterial som impregneras av hartset. Harts och glasfibrer förtätas med hjälp av en roller. Metallrollern pressar ut luft genom att rollningen sker från centrum och utåt. Glasfibernmaterialet kan vara i form av en matta av korthuggna fibrer eller väv som klipps eller skärs i lämpliga storlekar. En matta rivs gärna för att inte ge en tvär övergång. Ytmattan har en vikt av ca 100 g/m 2 medan glasfibermattan vanligen har vikten 450 g/m 2. Varje kompositlager är ca 1 mm tjockt och noggrant rollat blir fiberhalten ca 30 volymprocent. Harts och glasfibermaterial varvas på varandra tills Figur 2. En slalomskidas principiella uppbyggnad. Figur 3. Kompositlaminat uppbyggt på hanform. plastforum 6 2007 53

man erhållit den önskade tjockleken hos kompositen. Lamineringen sker vått i vått eftersom varje lager under processens gång inte får härda ut. Uthärdning ger en svag bindning mellan lagren. Lamineringen avslutas vanligen med en topcoat, som har ungefär samma sammansättning och funktion som gelcoaten. det är viktigt att kompositen får härda på rätt sätt för att dess funktion skall optimeras. Komponenter införs i en ugn för att värmebehandlas under varierande tider. Om kompositen skall härda ut vid rumstemperatur tar det normalt kring 28 dagar. Om däremot komponenten införs i en ugn som håller 60 C krävs det en härdningstid av endast 8 timmar. Ugnen kan bestå av en tät folie, som omsluter objektet och i vilken man infört värmefläcktar. Polyestrar är dominerande i denna process. Man kan även använda epoxisystem men den gelcoat, som används härdar långsammare. sprutning (spray-up) är ett alternativ till handuppläggning. Formen och förbehandlingen är de samma som vid handuppläggning. Laminat byggs upp genom att harts och kontinuerlig roving löper genom ett spruthuvud som hugger fibern i längder mellan 30 och 80 mm, som sprids med tryckluft. Lamineringen sker i olika utrustningar och utförs ofta med en manuell pistol. Vid s k högtrycks sprutning förs glasfiberroving kontinuerligt genom ett huggverk och den huggna fibern uppblandad med harts sprutas mot formen. Hartset sprutas genom en pistol i vilken harts och accelerator blandas med härdare. Ett alternativ är utrustningen illustrerad i Figur 4. Sprutpistolen matas med två komponenter ur två kärl. Det ena kärlet innehåller harts och härdare och det andra harts och accelerator. Glasfibrer och matris förtätas med en roller som vid handuppläggning innan hartset börjar härda. Tekniken kräver emellertid stor skicklighet av operatören för att kompositenlagrens tjocklek och volymförhållandet mellan fibrer och matris skall bli den rätta. arbetsinsatsen vid sprutning är något mindre än för handuppläggning och kvaliteten hos den färdiga produkten är beroende på operatörens skicklighet. Sprutning utgör liksom handuppläggning en enkel metod med låg formkostnad och de konstruktiva möjligheterna är stora. Till nackdelarna hör problem med arbetshygienen på grund av styrenavgång, nödvändigheten av sprutboxar och att sprutorna måste rengöras mycket noggrant. För att minska flera av problemen har man infört robotar i produktionen. Man har tillverkat mycket stora komponenter med denna teknik. Typiska detaljer är badkar, behållare, korrugerade takelement och simbassänger. Efter avformningen av kompositkonstruktionen, som härdats vid rumstemperatur bör den efterhärdas vid 60 C under 8 timmar. Polyestersystem är de absolut vanligaste då man använder metoden. En liknande sprutteknik med två komponenter kan användas för epoxisystem men det är svårt att blanda harts och härdare i rätta proportioner. Därför används i allmänhet inte samma utrustningar som för polyester. Harts och härdare kan antingen förblandas och sprutas genom en enkelspruta eller genom en tvåkomponentspruta med fördelningspump för harts och härdare. trycksäckstekniken är en förfining av kontaktmetoderna (handuppläggning och sprutning). Tekniken användes redan under 1950-talet inom den militära flygplansindustrin för att ge kompositer en högre kvalitet. Tekniken innebär att ett membran placeras över det handupplagda eller sprutade paketet. Membranet tätas mot formens kant varefter man lägger på ett tryck för att kompaktera paketet under det att matrisen härdar. vakuumsäckmetoden går ut på att alstra ett vakuum under det elastiska membranet, som därmed utsätts för atmosfärstrycket. Metoden är relativt långsam och numer mindre vanlig. Trycket är svagt och det effektiva trycket är ca 275 kpa men räcker för att pressa ut luft och överskotte av harts, som hamnar av speciella kanaler (bleeder channels) kring formens kant. En skyddande plastfolie placeras på ytan av kompositen om risk finns att det elastiska membranet bryts ned av lösningsmedel i hartset. Med vakuumsäcken kan man åstadkomma en komposit som innehåller 55 viktsprocent glasfibrer. trycksäcksmetoden innebär att ett tryck av 0,5 till 1 MPa får verka på det elastiska membranet. Trycket är således högre än då man använder en vakuumsäck och glasfiberinnehållet ökar till 65 viktsprocent. autoklavprocessen är en modifiering av trycksäcksmetoden. Det tryck som läggs på i autoklaven är upp till 3,5 MPa och man erhåller en komposit av hög kvalitet med ett fiberinnehåll som motsvarar 70 viktsprocent glasfiber men med höga produktionskostnader. Autoklavprocessen används framför allt vid framställning av kolfiberoch aramidfiberarmerade kompositer med hjälp av prepreg. Prepreg är kompositindustrins benämning på kontinuerliga fibrer, som förimpregnerats och delvis härdats. Materialet levereras i tejpform och användaren kan härda materialet utan tillskott av harts. Tejpen används då man kräver noggrann laminatuppläggning inom bl a flygplansindustrin där man vill utnyttja dyra höghållfasta fibrer som kolfiber eller aramidfiber till fullo genom autoklavtillverkning. prepreg-tillverkning baserad på härdplaster som matris sker enligt figur 5. Fibrer samlas från rullar mellan släppfilmer En av släppfilmerna beläggs med en tunn film av en hartslösning. Med hjälp av en avstrykare sprids hartset till en jämntjock film. Släpp- Figur 4. Sprutning av laminat. 54 plastforum 6 2007

filmer, fibrer och harts kalandreras mellan varma rullar. Slutprodukten består av en fin tejp av kontinuerliga fibrer inbäddade i en delvis polymeriserad matris, som rullas upp på en wellpappkärna. Den ena släppfilmen avlägsnas vid upprullningen. Tejpens tjocklek är vanligen mellan 0,1 mm och 0,25 mm och bredden mellan 25 mm och 1500 mm. Hartsinnehållet är mellan 35 och 45 volymprocent. Hartset i tejpen kan börja tvärbindas vid rumstemperatur och därför lagras tejpen i kylbox. Rätt hanterad har tejpen en livslängd av minst 6 månader. Prepregs tillverkas av både härdplaster och termoplaster med glasfiber, kolfiber och aramidfiber som förstärkning. Som termoplaster används sådana, som klarar höga temperaturer som polyetersulfon och polyeterimid. Prepreg av termoplast används exempelvis i vingframkanter på vissa flygplan. Vid tillverkning av kompositer kapas den enkelriktat förstärkta tejpen och befrias från släppfilmen. Tillskurna tejpbitar placeras på en formyta manuellt eller med hjälp av en tejpmaskin (robot). Tejpen travas till en viss tjocklek och i bestämda fiberriktningar. Det upplagda paketet täcks med ett membran. Genom att lägga på ett vakuum avlägsnas luft mellan de individuella prepreglagren. Paketet härdas sedan under tryck i autoklaven vid förhöjd temperatur. Trycket i autoklaven komprimerar laminatet likformigt. Fördelen med metoden är att fibrerna kan placeras exakt i belastningsriktningen och att de dyra fibrernas egenskaper utnyttjas på bästa sätt. laminatets uppläggning beskrivs i stora drag i figur 6. Prepregtejpen läggs upp i lager med beräknade riktningar på en form och täcks av en porös släppfilm. Över släppfilmen läggs en adsorberande duk (bleeder) som leder bort luft vid evakueringen under trycksäcken. Därpå följer en solid släppfilm, en tryckplatta och ytterligare en absorptionsfilm, som också har till uppgift att leda bort luft samt absorbera överskott av flytande plast då trycket börjar verka över vakuumsäcken. Tryckplattan används vid plana konstruktioner och en kärna införs för krökta ytor. Vakuumsäcken sluter först tätt kring uppläggningen på grund av vakuum efter det att luften avletts. Hartset hålls flytande på grund av värme och ska börja förhärda eller gela då trycket läggs på. Efter upplägget skjuts hela paketet in i en autoklav. Sedan luft evakuerats höjs temperaturen med någon grad per minut till härdtemperaturen, som för epoxi vanligen ligger mellan 120 C och 170 C. Det finns små autoklaver som har diametern 0,5 m och är en meter långa. Större autoklaver har en diameter av upp till 40 m och är 180 m långa. Vid Saab Aerostructures har man autoklaver som mäter upp till 3 m i diameter och längden 14 m. Arbetstrycket i dessa är 200 600 kpa vid temperaturer mellan 120 och 180 C. Behövs ett högre tryck används en s k hydroautoklav med ett vattentryck av upp till 7 MPa. formning mot vakuumformat skal ger automatiskt en hög beständighet vid utomhusanvändning då skalet består av metylmetakrylat, PMMA, som varmformats (vakuumformats). Styrenet i det omättade polyesterhartset medverkar till att den glasfiberarmerade plasten fäster vid det formade skalet. Skalet kan fungerar som ett ytskikt och ersätter gelcoat. Laminatet tillverkas genom handuppläggning, sprutning eller resinject. Skalet blir en integrerad del av den tillverkade produkten. Ytskiktet kan ha valfri färg, är utomordentligt beständigt mot vatten och UV och ytan är hård och nötningshärdig. Skalet kan också bestå av pressad metal. Den armerade plasten skyddar metallen från korrosiva vätskor medan metallen kan skydda nedgrävda behållare från aggressiv jord. Andra tillämpningsområden är metallrör. sluten form (closed mould techniqes) används vid tillverkning under tryck mellan kalla eller varma formhalvor. Framställning i varm press är den mest ekonomiska av de två teknikerna. Den kalla metoden är snabbare än handuppläggning och sprutning, som används för framställning av stora detaljer i korta serier. Ännu snabbare är varmpressning, som är dyrare och tillämpas vid tillverkning av långa eller medellånga serier. Jämfört med tillverkning i öppen form erhålls höga halter av fibrer i den härdade kompositen, vilket leder till höga hållfastheter. Båda sidorna av produkten får god ytfinish. Dimensioneringen är jämnare och arbetsinsatsen kortare än vid handuppläggning och sprutning. Processerna kan indelas i tre kategorier: Figur 5. Tillverkning av prepreg. Figur 6. Uppläggning av laminat för autoklav. plastforum 6 2007 55

Ω Processer med omslutande formhalvor (matched die processes) Ω Profildragning (pultrusion) Ω Injicering omslutande formhalvor används i ett antal processer. De komponenter som tillverkas kan få en mer eller mindre komplex form beroende på att armeringen görs av korta fibrer med olika orienteringar. Armeringen kan åstadkommas genom förformning (preforming) med huggna glasfibrer eller glasfibermatta i SMC (sheet moulding compound) och diverse fyllmedel i BMC (bulk moulding compound) och DMC (dough moulding compound). Metoderna för tillverkning av SMC, BMC och DMC kommer att behandlas i följande avsnitt. vid förformning formas en tredimensionell glasfibermatta av korthuggna fibrer på en roterande nätstruktur enligt figur 7. Fibrerna hålls på plats genom att de sugs mot nätet. Fibrerna hålls slutligen ihop av ett bindemedel i form av ett pulver eller emulsion som sprejas över fibermattan. Det hela införs sedan i en ugn av 150 C under 2 till 3 minuter. Därefter är förformen färdig för impregnering med harts och pressning. Fibrerna kan huggas i toppen av en kammare och sugas mot en roterande nätstruktur enligt figur 7. Alternativt kan förformningen ske manuellt genom att fibern huggs i ett portabelt huggverk och därefter besprutas med bindemedel ur en pistol. Ytterligare ett alternativ är att man utgår från en slurry av korta glasfibrer i vatten enligt figur 8. injiceringmetoden (Resinject eller Resin Transfer Molding, RTM) är en sluten process utan emittering av styren och är därmed mindre hälsofarlig än övriga metoder för armerad plast. Metoden innebär stora investeringskostnader. Formarna tillverkas visserligen i armerad plast men måste var starka nog för att klara injiceringstrycket. Man använder två formhalvor. Armeringsmaterialet läggs i den nedre öppna formen. Formhalvorna sluts och hartset sprutas in formrummet under det att luften pressas ut. För att underlätta hartsets flöde kan injiceringen kombineras med vakuum. Man erhåller laminat med höga fiberhalter och låg porositet. Metoden tillåter också att andra förstärkningar än fibrer t ex profiler inläggs i formen. Metoden är relativt dyr. lindning (filament winding) är en process där kontinuerlig armerande fibrer orienteras på en kärna (dorn) på ett förutbestämt sätt. Fibrerna kan var i form av roving eller finare fiberknippen. Processen beskrivs i princip i figur 9. En kontinuerligt fiberknippe från en rovingrulle löper genom ett impregneringsbad med harts och lindas på en roterande dorn (mandrel). Den lindade spiralens vinkel bestäms de relativa hastigheterna hos badet och verktyget. När ett visst antal lager av impregnerad fiber lagts upp sker härdning i en ugn eller vid rumstempertur varefter kärnan avlägsnas. Som ett alternativ används smala och tunna eller smalare prepreg som är högst 10mm breda. Prepregbanden som löper över en varm rulle för att bli tillräckligt klibbig och lindas därefter på kärnan. Kompositen avformas och härdas och placeras därefter i en ugn av 60 C under 8 timmar. Lindningen kan utformas på olika sätt. Som exempel kan nämnas periferisk- (circumferential), spiralformig- (helical) eller pol lindning (polar) enligt figur 10. Lindade produkter är porfria, innehåller en hög andel fibrer och har hög styrka i förhållande till vikten. Tillämpningsområden är mantlar till raketmotorer, förrådstankar, tryckkärl och rör. Figur 7. Förformning genom insugning av luft. Figur 8. Förformning i vattenbad. Figur 9. Lindning (filamant winding). Figur 10. Några typer av lindning. 56 plastforum 6 2007