Er is een ruime keuze aan grondstoffen voor composieten, waaronder harsen, vezels en kernmaterialen. Elk materiaal heeft zijn eigen unieke eigenschappen op het gebied van sterkte, stijfheid, taaiheid en thermische stabiliteit, met variërende kosten en opbrengsten. De uiteindelijke prestaties van een composietmateriaal als geheel hangen echter niet alleen af van de harsmatrix en vezels (en het kernmateriaal in een sandwichstructuur), maar ook nauw samen met de ontwerp- en fabricagemethode van de materialen in de structuur. In dit artikel bespreken we de meest gebruikte fabricagemethoden voor composieten, de belangrijkste factoren die elke methode beïnvloeden en hoe grondstoffen voor verschillende processen worden geselecteerd.
Spuitgieten
1. Werkwijze: Het kortgeknipte vezelversterkingsmateriaal en het harssysteem worden gelijktijdig in de mal gespoten en vervolgens onder atmosferische druk uitgehard tot thermohardende composietproducten via een vormproces.
2. Materiaalkeuze:
Hars: voornamelijk polyester
Vezel: grof glasvezelgaren
Kernmateriaal: geen, moet alleen met multiplex worden gecombineerd.
3. Belangrijkste voordelen:
1) Lange geschiedenis van vakmanschap
2) Lage kosten, snelle verwerking van vezels en hars
3) Lage matrijskosten
4. De belangrijkste nadelen:
1) Het multiplex is gemakkelijk te vormen tot harsrijke zones en heeft een hoog gewicht.
2) Er kunnen alleen kortgesneden vezels worden gebruikt, wat de mechanische eigenschappen van multiplex ernstig beperkt.
3) Om het spuiten te vergemakkelijken, moet de viscositeit van de hars laag genoeg zijn, waardoor de mechanische en thermische eigenschappen van het composietmateriaal verloren gaan.
4) Het hoge styreengehalte van de spuithars betekent dat er een groot potentieel gevaar bestaat voor de gebruiker, en de lage viscositeit betekent dat de hars gemakkelijk door de werkkleding van de werknemer kan dringen en rechtstreeks in contact kan komen met de huid.
5) De concentratie vluchtig styreen in de lucht voldoet moeilijk aan de wettelijke eisen.
5. Typische toepassingen:
Eenvoudige omheiningen, constructiepanelen met een lage belasting zoals carrosserieën van cabriolets, stroomlijnkappen voor vrachtwagens, badkuipen en kleine boten.
Handmatig vormen
1. Werkwijze: De hars wordt handmatig in de vezels geïnfiltreerd. De vezels kunnen geweven, gevlochten, genaaid of verlijmd zijn, en er zijn andere versterkingsmethoden beschikbaar. Handmatig lamineren gebeurt meestal met rollers of kwasten, waarna de hars met een lijmroller in de vezels wordt geperst. Het multiplex wordt vervolgens onder normale druk geplaatst om uit te harden.
2. Materiaalkeuze:
Hars: geen specifieke vereisten, epoxy, polyester, polyethyleenester en fenolhars zijn beschikbaar.
Vezels: geen specifieke eisen, maar het basisgewicht van de grotere aramidevezels maakt het lastig om ze in de handmatig gelegde laag te laten doordringen.
Kernmateriaal: geen vereiste
3. De belangrijkste voordelen:
1) Lange geschiedenis van technologie
2) Makkelijk te leren
3) Lage matrijskosten bij gebruik van hars die uithardt bij kamertemperatuur
4) Ruime keuze aan materialen en leveranciers
5) Hoog vezelgehalte, langere vezels gebruikt dan bij het spuitproces
4. Belangrijkste nadelen:
1) Het mengen van hars, het harsgehalte en de kwaliteit van het laminaat hangen nauw samen met de vaardigheid van de operator. Het is moeilijk om een laminaat met een laag harsgehalte en een lage porositeit te verkrijgen.
2) Gezondheids- en veiligheidsrisico's van hars: hoe lager het molecuulgewicht van de handlaminatiehars, hoe groter het potentiële gezondheidsrisico. Een lagere viscositeit betekent dat de hars eerder door de werkkleding van de werknemers heen dringt en zo in direct contact komt met de huid.
3) Als er geen goede ventilatie is, is het moeilijk om te voldoen aan de wettelijke eisen voor de concentratie styreen die vrijkomt uit polyester- en polyethyleenesters in de lucht.
4) De viscositeit van de handgepastade hars moet zeer laag zijn, waardoor het gehalte aan styreen of andere oplosmiddelen hoog moet zijn, met als gevolg dat de mechanische/thermische eigenschappen van het composietmateriaal verloren gaan.
5) Typische toepassingen: standaard windturbinebladen, in massa geproduceerde boten, architectuurmodellen.
Vacuümzakproces
1. Methodebeschrijving: Het vacuümzakproces is een uitbreiding van het bovenstaande handmatige lamineerproces. Hierbij wordt een laag plastic folie op de mal aangebracht en vervolgens wordt er vacuüm op het multiplex aangebracht. Door atmosferische druk op het multiplex uit te oefenen, wordt het materiaal samengeperst en verdicht, wat de kwaliteit van het composietmateriaal verbetert.
2. materiaalkeuze:
Hars: voornamelijk epoxy- en fenolharsen. Polyester- en polyethyleenesterharsen zijn niet geschikt, omdat ze styreen bevatten dat in de vacuümpomp verdampt.
Vezels: geen vereiste, zelfs niet als het basisgewicht van de grotere vezels onder druk kan worden geïnfiltreerd.
Kernmateriaal: geen vereiste
3. Belangrijkste voordelen:
1) Een hoger vezelgehalte dan bij het standaard handlamineringsproces kan worden bereikt.
2) De porositeit is lager dan bij het standaard handmatige lamineerproces.
3) Onder negatieve druk vloeit de hars voldoende om de mate van vezelinfiltratie te verbeteren; uiteraard zal een deel van de hars worden geabsorbeerd door de vacuümverbruiksartikelen.
4) Gezondheid en veiligheid: het vacuümverpakkingsproces kan de afgifte van vluchtige stoffen tijdens het uithardingsproces verminderen.
4. Belangrijkste nadelen:
1) Een extra proces verhoogt de arbeidskosten en de kosten van wegwerpbare vacuümzakken.
2) Hogere vaardigheidseisen voor operators
3) Het mengen van hars en het beheersen van het harsgehalte hangt grotendeels af van de vaardigheid van de operator.
4) Hoewel vacuümzakken de afgifte van vluchtige stoffen verminderen, is het gezondheidsrisico voor de gebruiker nog steeds hoger dan bij het infusie- of prepregproces.
5. Typische toepassingen: grote jachten, exclusieve jachten in beperkte oplage, racewagenonderdelen, verlijming van kernmateriaal tijdens het bouwproces.
Wikkelvormen
1. Beschrijving van de methode: Het wikkelproces wordt voornamelijk gebruikt voor de productie van holle, ronde of ovale constructieonderdelen zoals buizen en goten. Vezelbundels worden met hars geïmpregneerd en vervolgens in verschillende richtingen op een doorn gewikkeld. Het proces wordt geregeld door de wikkelmachine en de snelheid van de doorn.
2. Materiaalkeuze:
Hars: geen specifieke vereisten, zoals epoxy, polyester, polyethyleenester en fenolhars, enz.
Vezels: geen specifieke eisen, direct gebruik van vezelbundels van het spoelframe, weven of naaien tot een geweven vezeldoek is niet nodig.
Kernmateriaal: geen specifieke vereisten, maar de buitenlaag bestaat meestal uit een enkellaags composietmateriaal.
3. De belangrijkste voordelen:
(1) snelle productiesnelheid, is een economische en redelijke manier van lamineren
(2) Het harsgehalte kan worden geregeld door de hoeveelheid hars te meten die wordt meegevoerd door vezelbundels die door de harsgroef gaan.
(3) Minimale vezelkosten, geen tussenliggend weefproces
(4) uitstekende structurele prestaties, omdat de lineaire vezelbundels langs de verschillende dragende richtingen kunnen worden gelegd
4. Belangrijkste nadelen:
(1) Het proces is beperkt tot ronde holle structuren.
(2) Vezels zijn niet gemakkelijk en nauwkeurig langs de axiale richting van het onderdeel te rangschikken.
(3) Hogere kosten van doornpositief gieten voor grote constructieonderdelen
(4) Het buitenoppervlak van de structuur is geen vormoppervlak, waardoor de esthetiek slechter is.
(5) Bij het gebruik van hars met een lage viscositeit moet men letten op de mechanische eigenschappen en de prestaties op het gebied van gezondheid en veiligheid.
Typische toepassingen: opslagtanks en leidingen voor chemicaliën, cilinders, ademhalingsapparatuur voor brandweerlieden.
Pultrusievormen
1. Werkwijze: vanuit de spoelhouder wordt een met lijm geïmpregneerde vezelbundel door de verwarmingsplaat geleid. Op de verwarmingsplaat wordt de hars in de vezels geïnfiltreerd en het harsgehalte wordt gecontroleerd, waarna het materiaal uithardt tot de gewenste vorm. Deze uitgeharde vorm wordt vervolgens machinaal in verschillende lengtes gesneden. De vezels kunnen ook in andere richtingen dan 0 graden de verwarmingsplaat ingaan. Extrusie en rekvormen zijn continue productieprocessen waarbij de dwarsdoorsnede van het product doorgaans een vaste vorm heeft, met slechts kleine variaties. Bij rekvormen wordt het vooraf bevochtigde materiaal door de verwarmingsplaat geleid, gefixeerd en direct in de mal uitgehard. Hoewel dit proces minder continu is, maakt het wel een verandering van de dwarsdoorsnede mogelijk.
2. Materiaalkeuze:
Hars: meestal epoxy, polyester, polyethyleenester en fenolhars, enz.
Glasvezel: geen vereiste
Kernmateriaal: wordt niet vaak gebruikt
3. Belangrijkste voordelen:
(1) Snelle productiesnelheid, is een economische en redelijke manier om materialen voor te bevochtigen en uit te harden.
(2) nauwkeurige controle van het harsgehalte
(3) minimalisering van de vezelkosten, geen tussenliggend weefproces
(4) uitstekende structurele eigenschappen, omdat de vezelbundels in rechte lijnen zijn gerangschikt, is het vezelvolumeaandeel hoog
(5) Het vezelinfiltratiegebied kan volledig worden afgesloten om de afgifte van vluchtige stoffen te verminderen.
4. De belangrijkste nadelen:
(1) het proces beperkt de vorm van de dwarsdoorsnede
(2) Hogere kosten van de verwarmingsplaat
5. Typische toepassingen: balken en spanten van woningconstructies, bruggen, ladders en hekken.
Harsinjectievormproces (RTM)
1. Beschrijving van de methode: Droge vezels worden in de onderste mal gelegd, die vooraf onder druk kan worden gezet zodat de vezels zich zo goed mogelijk aan de vorm van de mal aanpassen en hechten. Vervolgens wordt de bovenste mal op de onderste mal bevestigd om een holte te vormen, waarna de hars in de holte wordt geïnjecteerd. Vacuüm-ondersteunde harsinjectie en -infiltratie van de vezels, ook wel bekend als Vacuum-Assisted Resin Injection (VARI), wordt veelvuldig gebruikt. Zodra de vezelinfiltratie is voltooid, wordt de harstoevoerklep gesloten en hardt het composietmateriaal uit. Harsinjectie en uitharding kunnen zowel bij kamertemperatuur als onder verwarmde omstandigheden plaatsvinden.
2. Materiaalselectie:
Hars: meestal epoxy, polyester, polyvinylester en fenolhars; bismaleïmidehars kan bij hoge temperaturen worden gebruikt.
Vezels: geen vereiste. Genaaide vezels zijn geschikter voor dit proces, omdat de ruimte tussen de vezelbundels de harsdoorvoer bevordert; er zijn speciaal ontwikkelde vezels die de harsstroom kunnen stimuleren.
Kernmateriaal: celschuim is niet geschikt, omdat de honingraatcellen zich vullen met hars en de druk ervoor zorgt dat het schuim instort.
3. De belangrijkste voordelen:
(1) Hogere vezelvolumefractie, lage porositeit
(2) Gezondheid en veiligheid, een schone en opgeruimde werkomgeving, aangezien de hars volledig is afgesloten.
(3) Verminder het gebruik van arbeid
(4) De boven- en onderzijden van de constructieonderdelen zijn gegoten oppervlakken, wat de latere oppervlaktebehandeling vergemakkelijkt.
4. Belangrijkste nadelen:
(1) De mallen die samen worden gebruikt, zijn duur, zwaar en relatief omvangrijk om een grotere druk te kunnen weerstaan.
(2) beperkt tot de vervaardiging van kleine onderdelen
(3) Onbevochtigde gebieden kunnen gemakkelijk ontstaan, wat resulteert in een grote hoeveelheid afval.
5. Typische toepassingen: kleine en complexe onderdelen voor de spaceshuttle en auto's, treinstoelen.
Geplaatst op: 8 augustus 2024
