De carbonfibe carbonfiber slee
Tristan Ozero Jesper Habraken Andries van Overbeke Jelle van der Vegt Arnout Franken Etienne Quak
1516353 1523635 1551744 1537083 1526685 1521675
IO2040 Industriële Productie Groep 53 ir. Henk Crone 19 January 2010
Inhoudsopgave Ten geleide ................................................................................................................................................................2 Bezoek aan Airborne ............................................................................................................................................3 Het bedrijf .............................................................................................................................................................3 Het bezoek ............................................................................................................................................................4 Composieten .............................................................................................................................................................7 Geschiedenis ........................................................................................................................................................7 Waarom composieten .....................................................................................................................................8 Materiaal eigenschappen...............................................................................................................................9 Thermoplastische composieten ............................................................................................................9 Bio-composieten...........................................................................................................................................9 Metaalvezellaminaten............................................................................................................................. 10 Vezelversterkingsvormen ..................................................................................................................... 11 Pre-pregs en blanks.................................................................................................................................. 11 Halffabricaten.............................................................................................................................................. 11 Mechanische eigenschappen ............................................................................................................... 12 Composieten vergelijken ....................................................................................................................... 13 Kosten .................................................................................................................................................................. 15 Productie technieken.................................................................................................................................... 16 Handlamineren........................................................................................................................................... 16 Vezelspuiten ................................................................................................................................................ 17 Resin Transfer Molding .......................................................................................................................... 17 Pultrusie......................................................................................................................................................... 18 Wikkelen........................................................................................................................................................ 19 Bewerkingstechnieken ................................................................................................................................ 20 Frezen ............................................................................................................................................................. 20 Waterstraalsnijden................................................................................................................................... 21 Boren ............................................................................................................................................................... 21 Oppervlaktebehandeling ....................................................................................................................... 22 Milieu aspecten..................................................................................................................................................... 23 Grondstoffase .............................................................................................................................................. 23 Productiefase............................................................................................................................................... 23 Gebruiksfase ................................................................................................................................................ 23 Afvalfase......................................................................................................................................................... 23 Het ontwerp ........................................................................................................................................................... 24 Inleiding product ............................................................................................................................................ 24 Wat gaan we ontwerpen........................................................................................................................ 25 Ontwerpregels ............................................................................................................................................ 26 Programma van eisen.............................................................................................................................. 29 Toetsen van P.V.E. ..................................................................................................................................... 29 Concept........................................................................................................................................................... 30 Toetsen van concept ................................................................................................................................ 31 Productie ....................................................................................................................................................... 34 Conclusie ....................................................................................................................................................... 37 Ontwerprichtlijnen............................................................................................................................................. 38 Algemene richtlijnen................................................................................................................................ 38 Richtlijnen voor RTM............................................................................................................................... 38 Bronnen ................................................................................................................................................................... 40 1
Ten geleide Het doel van deze opdracht is om te specialiseren in een productieprincipe. Het principe waar wij voor hebben gekozen is het produceren met composieten. Welke productietechniek we daarvoor wilden gebruiken was voor ons nog niet duidelijk omdat we hier eerst meer over moesten weten. Daarom hebben wij ons eerst verdiept in composieten en alles wat daarbij komt kijken. Ook wordt er een product gekozen dat met dit productieprincipe wordt geproduceerd. Dit productieprincipe wordt vanuit verschillende invalshoeken bekeken, met de nadruk op aspecten die aan bod komen in de productiedriehoek, zoals functie, kosten, kwaliteit en milieu. Het principe dat wij hebben gekozen is Resin Transfer Moulding (RTM), een gietproces. Het is een relatief nieuw proces waarmee mooie producten te produceren zijn. In het verslag zullen we hier dieper op ingaan. Het product dat we gaan ontwerpen is een slee voor hoge snelheden. De uitdaging hiervan is met composieten een stijve constructie te maken die de omstandigheden en krachten kan weerstaan. Hierin speelt de constructie met de juiste wanddiktes, de juiste toleranties, het ideale gewicht en de beste nabewerkingen een grote rol. Onze dank gaat uit naar de medewerkers van Airborne, met name Alex Verduyn die ons vriendelijk en professioneel te woord heeft willen staan. Dit desondanks dat we het bezoek, door interne problemen van het oorspronkelijk te bezoeken bedrijf, slechts een dag van te voren hadden gepland.
2
Bezoek aan Airborne Het bedrijf Airborne is opgericht in het jaar 1995 door twee voormalige lucht- en ruimtevaart studenten aan de TU Delft, vandaar ook de naam van het bedrijf. In 10 jaar tijd zijn ze van een eenvoudig engineering en consultancy bedrijf uitgegroeid tot een state-of-theart composieten productiefaciliteit. In 2008 werkte er meer dan 100 mensen voor de organisatie, en nu is dit aantal opgelopen tot 120 medewerkers. Airborne is veranderd in een internationaal bedrijf dat bestaat uit 4 business units waarvan een zich in Spanje bevindt. Airborne ontwikkelt en produceert geavanceerde composiet producten, voor een verscheidenheid aan markten. Het bedrijf zet innovatieve know-how om geïndustrialiseerde productie, door middel van geïntegreerde design en bouw programma’s. Airborne exploiteert state-of-the-art engineering en is gericht op kwaliteit, klanttevredenheid en kostenefficiëntie. In de snel evoluerende wereld van de composieten zet Airborne zich in om vernieuwende technieken te ontwikkelen, zowel in materiaal, proces als product design. De business unit die wij bezocht hebben bevindt zich in Den Haag en is genaamd Airborne Composites. De filosofie van het bedrijf is het vastleggen van de gehele productlevenscyclus: • • • • • •
Technology Research and Development Product design engineering Procestechnologie Kwalificatie Productie Onderhoud en reparatie
Airborne Composites is actief in markten als lucht- en ruimtevaart, marine, energie, defensie en wetenschap. Het heeft drie belangrijke business lines: ruimte componenten, antenne structuren en hoge prestatie machine onderdelen.
Figuur 1: de drie belangrijkste business lines van Airborne Composites.
3
Het bezoek Nadat ons bezoek aan Infinious niet door kon gaan wegens interne problemen, leek Airborne ons het juiste alternatief. Aangezien we een afspraak probeerde te maken rond de kerst en de jaarwisseling leek het erop dat ook dit niet door kon gaan wegens drukte en afwezigheid van de aangewezen contactpersoon. In het nieuwe jaar konden we echter al snel terecht bij Airborne. Nadat we kennis hadden gemaakt met Alex Verduyn, de contactpersoon bij Airborne, werden we naar een vergaderruimte gebracht waar we een presentatie over het bedrijf kregen. Vervolgens kregen we een rondleiding door de werkhal, aangezien het bedrijf een uniek en meervoudig gepatenteerde techniek heeft uitgevonden om pijpleidingen continue te verstevigen door middel van composieten hadden wij en een aantal werknemers niet overal toegang tot. Het eerste dat we te zien kregen waren een aantal elementen die geproduceerd werden voor de ALMA Antennes die geplaatst worden op de hoogvlaktes van Chili. Bijzonder was dat de vier onderdelen die de daadwerkelijke lens vasthouden te groot waren voor de autoclaaf die Airborne beschik, dit loste zei op door deze onderdelen vacuüm (1 Bar) verpakt in de spuitcabine te verwarmen tot 80° C. De schotel die uit 24 gelijke elementen bestaan is bedekt met aluminium plaatjes, om deze te bevestigen worden er al bij de beginfase van de composieten onderdelen inserts gemaakt. Deze toch ook vrij grote onderdelen gaan per twee in de autoclaaf waarvan de grootste 13.5 x 2.65m is.
Figuur 2 boven: de ALMA Antenne die geplaatst is op de hoogvlaktes van Chili. Figuur 3 rechts: de liner, composiet en optionele coating.
Vervolgens kwamen we bij een afdeling van Airborne Composite Tubulars waar ze pijpleidingen (liner) verstevigen voor het transport van gassen en vloeistoffen. De liner wordt verstevigd door er een matrix van composiet, daar omheen kan een coating worden aangebracht om het composiet te beschermen tegen aanslag van het zoute milieu waar de pijpen gebruikt moeten kunnen worden. Airborne doet dit op twee manieren, ten eerste 4
op de normale manier met een wikkelmachine waarbij het product ronddraait en de voet onder een bepaalde hoek er tegen aan wordt gedrukt. Deze machine kan producten met een lengte tot 7m wikkelen. De tweede manier waarop zei wikkelen is met een continue wikkelmachine waarvan de werking voor ons geheim werd gehouden, wel werd ons verteld dat op deze methode pijpen met lengtes tot wel 3 km aaneen gewikkeld konden worden (in theorie oneindig lang) en dat de diameters variëren van 3.5’’ tot 9’’. De gelamineerde pijp wordt op een buis met een diameter van 12m gerold, deze diameter moet zo groot zijn door de minimale buigradius die de verstevigde pijp heeft.
Figuur 4 boven: het voor ons afgesloten continue wikkelproces, de wielen hebben een diameter van 12m. Figuur 5 rechts: de gebruikelijke wikkelmachine, voor producten tot 7m. Figuur 6 onder: een aluminium matrijs waarmee een propeller voor een boot geproduceerd wordt.
Bij Airborne worden ook producten geproduceerd door middel van RTM, zo hebben ze voor maritieme doeleinde een aluminium matrijs laten zien waarmee ze onder hoge druk de hars door de vezels kunnen persen.
5
Tot slot werd ons de clean room van 1000m2 laten zien, hier moesten wij een haarnet en een stofjas dragen omdat hier met heel gevoelige materialen word gewerkt. Wat wij nog niet wisten is dat er ook met zo genaamde pre-pregs (pre impregnated) gewerkt kon worden, een pre-preg is een geïmpregneerd stuk bestaande uit meerdere vezels. Dit kunnen zowel UD (uni-directionals) als weefsels zijn.
Het wordt gemaakt door weefsel in een bak epoxy pre-preghars te dompelen en vervolgens door een groot aantal walsrollen heen te persen.
Alle lucht wordt weggedrukt en de vezels worden volledig geïmpregneerd en vervolgens voorzien van teflon gecoat papier zodat de vezels niet aan elkaar plakken.
Men gebruikt hiervoor een: meerdere componenten epoxyhars.
Het uitharden van deze hars, is al begonnen als de pre-preg wordt gemaakt.
Daarom moeten deze rollen altijd in de vriezer liggen omdat ze anders maar kort houdbaar zijn.
Het zijn dus kleverige stukken vezel(koolstof/glas/kevlar) die in allerlei patronen in mallen worden gelegd om na een uithardingproces in de oven zijn sterkte te krijgen.
Ze vallen onder de thermoharders, die worden na verhitting niet meer soepel zoals dit het geval is bij thermoplasten. Airborne beschikt over twee pre-preg cutters, deze apparaten worden door de computer aangestuurd om een aantal exacte stukken uit een rol prepreg te snijden. Deze machine labelt ieder stuk met zijn eigen code.
Figuur 7: de pre-preg cutters
Het wordt lastig om alle pre-pregs op de juiste manier te plaatsen, zeker wanneer er veel lagen over elkaar moeten worden gelegd. Om dit eenvoudiger te maken heeft Airborne een 3-D laser tracker tot zijn beschikking, deze geeft aan waar en op welke mannier iedere pre-preg (met ieder een eigen code) geplaatst moet worden. En daarmee was ons bezoek aan Airborne ten einde gekomen.
6
Composieten Geschiedenis De mens maakt al composietmaterialen sinds hij de wanden van zijn uit takken gevlochten hut dichtsmeerde met leem. De functie was eenvoudig: versterking, om ook bij scheurvorming voor verband te zorgen. De Egyptenaren lijmden fineerlagen op elkaar om de sterkte van het hout te verhogen en de mogelijkheid van zwellen en krimpen tegen te gaan. Echter werd de composiet zoals wij hem tegenwoordig kennen per toeval 'uitgevonden' in de VS. Dit gebeurde toen iemand per ongeluk bakeliet op zijn kleding gemorst had. Hij liet de vlek aanvankelijk zitten, om hem na het werk te verwijderen. Toen bleek dat de vlek hard geworden was en helemaal niet meer te verwijderen. Met deze wetenschap werden proeven gedaan, en al snel bleken de mogelijkheden ongekend. In de werktuigbouw werden in het begin van de dertiger jaren tandwielen, vervaardigd uit met linnen of katoen versterkte phenolhars (celleron), in grote aantallen gebruikt voor de overbrenging van krukas naar nokkenas in automobielmotoren. Deze werkten veel geruislozer dan de tot dan toegepaste metalen tandwielen. De exponentiële groei van het gebruik van composieten begon in 1940. Voor het beschermen van radarantennes in militaire vliegtuigen werden "radar domes" ontwikkeld uit onverzadigde polyester versterkt met glasvezel. Deze koepels bleken bestand tegen de aerodynamische belasting en extreme weersinvloeden, en, daar ging het om, ze waren doorlaatbaar voor radiostraling. In 1944 vloog het eerste vliegtuig met een vezelversterkte kunststof romp.
Figuur 8: de BT-15, de eerste vezelversterkte kunststof romp.
Na de tweede wereldoorlog werden de glascomposieten in de burgermaatschappij geïntroduceerd. De toepassing ervan bleef stijgen: boten, automobielen, vrachtwagens, bussen, opslagvaten, materialen in de elektra-industrie, pijpleidingen, drukvaten. En niet te vergeten in de sport sector: polsstokken, vishengels, ski’s, zeilboten en motorboten, zeilplanken, hockeysticks, tennisrackets, enz. Tegelijkertijd breidde het aantal materialen, waarvan composieten kunnen worden vervaardigd, zich gestaag uit. Naast glasvezel ook de koolstofvezel en de aramidevezel. Een van de belangrijkste thermoharders naast polyester is epoxyhars.
7
Waarom composieten Composieten zijn voornamelijk ontwikkeld binnen de vliegtuigbouw. Hier worden hoofdzakelijk de koolstofcomposieten gebruikt om zeer lichte en sterke constructies te bouwen, waarin bovendien andere eigenschappen te verenigen zijn, zoals vormvrijheid, vermoeiingsterkte en schadetolerantie. Hetzelfde geldt voor Formule 1 racewagens, waar crashabsorptie bovendien een essentiële rol speelt. Glas- en aramidevezelconstructies zijn populair geraakt door hun toepassing in radarkappen, waarvoor radartransparantie essentieel is. Zo heeft elke sector zijn favoriete composietmaterialen leren kennen: glas/fenol in de elektrotechniek vanwege de goede isolerende en brandwerende eigenschappen, glas/polyester voor overkappingen en luifels vanwege de lichtdoorlaatbaarheid, en in mijnenvegers vanwege het niet magnetisch zijn van het materiaal. De vormvrijheid speelt bijna altijd een belangrijke rol: composieten kan zonder extra kosten worden verwerkt tot complexe dubbel gekromde vormen. De toepassing in rompen van jachten en in windmolenbladen laat dit duidelijk zien. Beide laatstgenoemde toepassingen combineren eigenlijk drie sterke punten van composieten: • de mechanische eigenschappen: stijfheid en sterkte, • de vormvrijheid en • de duurzaamheid: constructies uit composieten vragen in het algemeen zeer weinig onderhoud vergeleken met metalen constructies. Zeker nu onderhoud van grote constructies zoals bruggen aan strikte regels zijn onderworpen in verband met afvalverwerking kunnen draagconstructies uit composieten ondanks een hogere aanschafprijs gaan concurreren met metalen constructies. Al eerder was dit het geval in extremere corrosieve milieus, zoals in zeewater en in petrochemische fabrieken. Hier zijn composieten loopbruggen, relingen en pijpleidingen zoals die van Airborne de beste keus.
Figuur 9: Een rotorblad van glasvezel versterkt polyester, met een lengte van 44 meter weegt hij ‘slechts’ 6.600 kg.
8
Materiaal eigenschappen Een composiet is een vezelversterkte kunststof. Het bestaat uit een hars en een vezelmateriaal. De hars is altijd een thermoharder dat in vloeibare toestand in het vezelmateriaal geïmpregneerd wordt. Tijdens de uitharding vindt een consolidatieproces plaats en wordt het een stijf materiaal. De hars zorgt voor het op de plaats houden van de vezels en het overbrengen van schuifspanningen terwijl de vezels zorgen voor treksterkte. Composieten zijn onder te verdelen in drie groepen: • Thermoplastische composieten; • Bio-composieten; • Metaalvezellaminaten. Thermoplastische composieten Thermoplastische composieten zijn de ‘normale’ composieten omdat deze doorgaans het meest gebruikt worden. De meest toegepaste vezels zijn glasvezels(E), koolstofvezels en aramide. De toegevoegde harsen zijn vaak PPS, PEEK, polypropylene (PP), Nylon, PC en PEI. Glasvezels zijn de meest voorkomende vezels in composieten. Ze worden o.a. gebruikt voor boten, printplaten en opslagsilo’s. Aramide is veel taaier dan andere vezels. Daarom worden ze gebruikt voor bijvoorbeeld kogelwerende deuren en vesten. Koolstofvezels staan bekend om hun uitstekende stijfheid. Ze zijn dan ook vele malen duurder dan de andere vezels. Deze worden vaak gebruikt in de vliegtuigbouw en racewagens. Thermoplastische composieten worden vaak gebruikt voor toepassingen in de ruimtevaart en automotive branche en steeds meer voor de medische toepassingen en zelfs militaire doeleinden. De korte cyclustijden, lage materiaal/productiekosten en zeer goede materiaaleigenschappen maakt het dat composieten als productiemethode steeds populairder wordt. Bio-composieten Al jaren doen veel bedrijven en instituten onderzoek naar het gebruiken van schone en duurzame materialen. Ook in de composieten wereld hebben zich de afgelopen jaren nieuwe ontwikkelingen voorgedaan op dit gebied. Natuurvezels zoals vlas, hennep en jute lijken een uitstekende vervanging te zijn voor glasvezels, met als voordeel dat het compleet biologisch is. Daarnaast hebben natuurvezels relatief een lagere dichtheid en is de kostprijs lager dan glasvezel. De sterkte van natuurvezels daarentegen zijn over het algemeen lager dan dat van glasvezels. Naast natuurvezels zijn er ook ontwikkelingen gedaan op het gebied van biologische harsen, zoals styreenarme harsen (LSE-harsen) en watergedragen harsen (bijv. MasterWorks). Bio-composieten worden op dit moment veel gebruikt in de bouw, consumentenproducten, verpakkingen en automotive toepassingen. Er wordt op dit moment veel onderzoek gedaan om deze materialen op meerdere velden toepasbaar te maken.
9
Metaalvezellaminaten Dit is een relatief nieuwe ontwikkeling die onder andere in Delft is ontwikkeld. Het composiet is opgebouwd uit laagjes metaal dat bij elkaar gehouden wordt door prepregs. Het metaal biedt goede demping, isolatie en brandwerendheid, terwijl de composietlagen putcorrosie voorkomt. Ontstaat er een vermoeiingsscheurtje, dan zorgen de glasvezellagen ervoor dat het scheurtje niet verder uitscheurt. Daarnaast geeft het gelamineerde karakter het materiaal uitstekende vermoeiing, impact en corrosie eigenschappen, terwijl de dichtheid relatief laag blijft. Door de metaal laagjes worden krachten in alle richtingen opgenomen waardoor het een isotroop materiaal wordt. Dit materiaal is vooral ontwikkeld met het oog op gewichtsbesparing bij vliegtuigen. Later bleken kostenverlaging en meer veiligheid (vliegtuigen) bijkomende voordelen te zijn. Glare (ontstaan uit Arall) is een voorbeeld van een metaalvezellaminaat. Glare staat voor GLAss REïnforced aluminum. Hierbij wordt aluminium als het laminaat gebruikt. De prepreg bestaat uit glasvezels met epoxyhars. Glare heeft een iets lagere dichtheid dan aluminium en is ongeveer anderhalf keer zo sterk als de huidige gebruikte staalsoorten. Het materiaal wordt toegepast op de Airbus A380 waardoor circa 750 kg gewicht bespaard wordt.
Figuur 10: schematische weergave van een metaalvezellaminaat
Basisprincipe De vezelversterking wordt vaak niet als vezelbundel verwerkt bij het maken van een product: eigenlijk gebeurt dit alleen bij het ‘wikkelen’ en ‘vezelspuiten’. Meestal worden de vezels (soms inclusief hars) verwerkt tot een tussenvorm. Deze tussenvorm wordt dan later verwerkt tot het eindproduct. De volgende tussenvormen zijn mogelijk: • vezelversterkingsvormen; • pre-pregs en blanks: combinatie van vezels en hars in een half uitgeharde toestand; • halffabricaten: balken, platen en sandwiches.
10
Vezelversterkingsvormen Indien een eindproduct wordt vervaardigd door het mengen van hars en vezels, dan kan worden gebruikgemaakt van een breed assortiment van versterkingsvormen: weefsels, stiksels, legsels, chopped strand mat, breisels, tapes van Uni-Directionele (UD) vezels. Deze versterkingen worden droog in de mal aangebracht, waarna de hars door middel van handlamineren of harsinjectie wordt toegevoegd. Vezels komen uit een spinproces in de vorm van een bundel. Deze bundels dienen als basis voor verwerking tot één van de volgende versterkingsvormen: Figuur 11: een rol met Chopped Strand Mat CSM.
• • • • • •
weefsels: geweven continue vezels; breisels: gebreide continue vezels; legsels of stiksels: gestapelde UD lagen in verschillende richtingen, bijeengehouden door een stikdraad; glasmatten of Chopped Strand Mat (CSM): discontinue lange vezels die willekeurig door elkaar liggen en met een bindmiddels worden bijeengehouden; glasmatten met door elkaar liggende continue vezels; vliezen: zeer dunne laag van continue of discontinue vezels die willekeurig door elkaar liggen.
Pre-pregs en blanks Andere veel voorkomende ‘tussenvormen’ van composietmaterialen zijn de ‘pre-pregs’ en ‘blanks’. Van een pre-preg is sprake wanneer de vezelbundels of weefsels voorgeïmpregneerd zijn met hars. Deze hars bevindt zich in een half uitgeharde toestand. Hierdoor is de pre-preg zodanig hanteerbaar geworden, dat deze met de hand of automatisch in een mal kan worden gelegd. Pre-pregs moeten in het algemeen in een vriezer worden bewaard. Men spreekt van een ‘blank’ in het geval van dikke ‘plakken’ met discontinue vezels. Blanks zijn voorgeïmpregneerd met een thermoplastische hars. Plakken ‘SMC materiaal’ zijn op dezelfde wijze voorgeïmpregneerd, maar dan met een thermohardende hars.
Halffabricaten Een sprekend voorbeeld van halffabricaten zijn de pultrusie profielen, die in een grote verscheidenheid verkrijgbaar zijn. De voetgangersbruggen ‘Kolding’ en ‘Europoort’ en het bordes van de Eemshaven zijn met behulp van deze ‘standaard profielen’ samengebouwd.
Verder zijn ook vlakke platen verkrijgbaar, voornamelijk met glasvezels en polyesterhars. Met name in de carrosseriebouw worden deze gebruikt als huidplaten voor
Figuur 12: Er bestaat een grote verscheidenheid aan pultrusie profielen.
11
sandwichpanelen. Aan de verdere verwerking van halffabricaten zoals pultrusies en platen komt geen hars te pas, en is daardoor goed vergelijkbaar met de verwerking van metalen profielen en platen. Ook complete sandwichpanelen worden kant en klaar op de markt aangeboden. Mechanische eigenschappen Door de grote verscheidenheid aan vezels, harsen en versterkingsvormen is de ontwerpvrijheid van een composieten product bijzonder groot. Over het algemeen is het zo dat de vezelsoort en versterkingsvorm de mechanische eigenschappen van het product zullen bepalen: dit wil zeggen dat met name stijfheid en sterkte sterk hierdoor worden vastgelegd. Ook de uitzettingscoëfficiënt en de thermische en elektrische geleiding is sterk afhankelijk van de vezel. Overige fysische eigenschappen, zoals chemische bestendigheid, UV bestendigheid zijn sterk afhankelijk van de hars, omdat in een composiet materiaal elke vezel door hars omringt is, en daardoor beschermd wordt tegen allerlei invloeden van buitenaf. Wanneer men naar de spanningsverdeling in een stalen drukvat kijkt, dan valt op dat de spanning in omtreksrichting twee maal zo groot is als in langsrichting, waardoor het materiaal in langsrichting niet optimaal wordt benut. In composietmaterialen kan men in een dergelijk geval volstaan met de helft van het aantal vezels in langsrichting ten opzichte van de omtreksrichting, waardoor een aanzienlijke gewichtswinst wordt bereikt. Dit principe heet ‘elastic tailoring’: het spelen met de vezeloriëntatie, waardoor de mechanische eigenschappen in verschillende richtingen worden beïnvloed. Dit hoeft niet noodzakelijk te worden gebruikt voor gewichtswinst of kostenbesparing, maar kan er op deze manier ook extra veiligheid aan een constructie worden gegeven. Er bestaan drie basis oriëntaties waarin de vezels geplaatst kunnen worden, als de belasting uit één richting komt moeten de vezels allemaal precies in dezelfde richting liggen (we krijgen dan een zgn. ‘uni-directioneel’ ofwel UD composiet). Bij meerassige belastingen moeten we de vezels verdelen over de verschillende richtingen. Zo ontstaan ‘cross ply’ composieten. Tot slot is er nog de ‘random mat’ composieten: hierin liggen de vezels allerlei kanten op en ook niet strak, maar door elkaar gekringeld. Figuur 11 laat deze drie oriëntaties naast elkaar zien.
Figuur 13: (v.l.n.r.) UD, cross ply en random mat composieten
12
Het verschijnsel dat de mechanische eigenschappen in verschillende richtingen ongelijk zijn, heet anisotropie. Wanneer men tijdens de productie zelf de vezeloriëntatie samenstelt, zoals bij wikkelen of handlamineren, bepaalt men dus ook zelf in hoge mate de stijfheid en sterkte van het product. Indien deze stijfheid en sterkte van belang is, dan moet in het ontwerpproces dus een goede schatting worden gemaakt van de vezeloriëntaties in de verschillende lagen. Deze worden enerzijds bepaald door de halffabricaten en versterkingsvormen, maar anderzijds door de ontwerper zelf. Om een goede schatting te kunnen maken van de te verwachten eigenschappen, zoals treksterkte en E-modulus, zijn er verschillende rekentechnieken. Inmiddels bestaat er gebruikersvriendelijke software om de ontwerper te ontlasten van het pure rekenwerk. Hierdoor kan men zich concentreren op het ‘uitproberen’ van verschillende materialen, stapelingen en vezeloriëntaties. Waar in metalen de sterktes altijd worden uitgedrukt in spanningen, wordt voor composieten ook veel gebruikgemaakt van rekken. Bij zuivere trek, druk of afschuiving is in elke lamel van een laminaat de rek gelijk, maar zijn de spanningen voor elke laag verschillend. Men moet dan ook rekentechnisch de spanningen in elke laag controleren, voordat je kunt concluderen dat het laminaat sterk genoeg is. Door een rekcriterium te hanteren, hoeft men alleen de rek, ten gevolge van de uitwendige belasting, van het laminaat als geheel te bepalen. De rekken van de afzonderlijke lamellen zijn hieraan gelijk. Als de ontwerprek niet wordt overschreden, is het laminaat sterk genoeg. Deze ontwerprekken liggen veel lager dan de breukrek van de vezel, omdat je al rekening hebt gehouden met materiaalspreiding en materiaalveiligheidsfactoren voor vocht en temperatuur. Composieten vergelijken Wij vergelijken nu de mechanische eigenschappen van composieten met andere materialen. Belangrijk om te vermelden is dat de gekozen hars/vezel verhouding zeer sterk uiteen loopt afhankelijk van de toepassing waar het materiaal voor gebruikt wordt. Treksterkte EDichtheid Prijs (MPa) modulus (kg/dm3) (€/kg) (GPa) composieten Glasvezel (GFRP) 192 28 1,97 16,3 volumeverhouding Koolstofvezel 1000 150 1,6 33 hars/vezel = (CFRP) 50%/50% Chopped Strand 90 14 2 4,8 Mat (SMC) GLARE 350 53 2,5 ? Metalen Aluminium 300 70 2,7 1,4 HSLA staal 800 210 7,9 0,8 (High Strength Low Alloy) Titanium 1345 116 4,506 26 Polymeren Polypropyleen(PP) 30 0,8 0,9 0,95 Polyester 40 4 1,4 3,2 Natuurlijk Eikenhout 50 25 1,0 0,7 materiaal Tabel 1: Mechanische eigenschappen van verschillende materialen.
13
Figuur 14: De elasticiteit modulus uitgezet tegen de dichtheid voor verschillende materialen.
Zoals in tabel 1 en figuur 14 te zien is hebben composieten de mogelijkheid om enorme treksterkte aan te kunnen, hoger zelfs dan sommige metalen! Afhankelijk van de hoeveelheid matten die worden gebruikt, zou dit zelfs nog kunnen oplopen. Deze sterkte hangt zeer sterk af per vezelsoort. SMC bijvoorbeeld is ca. 100 keer minder sterk dan koolstofvezel. Een kanttekening bij deze treksterkte is dat deze alleen voor de vezelrichting geldt. Dwars op de vezels is het materiaal minder bestand tegen krachten. Een overeenkomst met metalen is de stijfheid. Zoals in figuur ... te zien is hebben composieten een vergelijkbare stijfheid met metalen. Over het algemeen behoren deze materiaalcategorieën, samen met ‘technical ceramics’ tot de meest stijve materialen die er zijn. Als we naar de prijzen kijken valt op dat koolstofvezels erg duur zijn, namelijk 33€/kg. Titanium, een materiaal met vergelijkbare treksterkte, zit daar net onder met 26€/kg. Daartegenover staat dan weer dat koolstofvezels 4 keer zo licht is dan titanium. Je betaalt dus eigenlijk voor de gewichtsbesparing. Daarom wordt dit ook in de racewereld veel gebruikt (hoge krachten, licht gewicht). Dit is ook het algemene voordeel van composieten t.o.v. metalen, Zoals te zien in figuur 14 Als we naar tabel 1 kijken naar polymeren en natuurlijke materialen kun je een voorstelling maken van de enorme verschillen qua eigenschappen in vergelijking met composieten en metalen.
14
Kosten De kosten van de verschillende soorten hars en vezels liggen ver uiteen. Wij hebben niet uit kunnen vinden wat de exacte kosten zijn, daarom hebben wij de kosten ten opzichte van elkaar weergegeven. Ook hebben we laten zien wat de eigenschappen van de betreffende hars en vezels zijn.
Tabel 2: De kosten en Eigenschappen van verschillende harssoorten
Tabel 3: De kosten en Eigenschappen van verschillende vezelsoorten
We zien dat de koolstofvezel verre weg de duurste is, echter zijn de E-Modules en de treksterkte zo veel beter dat de voorkeur in veel gevallen toch uitgaat naar deze ‘futuristische’ vezel.
15
Productie technieken Er bestaat een aantal verwerkingstechnieken van composieten, met allemaal hun eigen voor- en nadelen. De volgorde van de verwerkingstechnieken is niet willekeurig gekozen. De reeks gaat van handmatige batchprocessen via semiautomatische naar min of meer continu processen. We zullen zien dat over het algemeen de complexiteit van de processen toe neemt. Handlamineren Dit is een arbeidsintensieve techniek die met name wordt gebruikt bij lage serieaantallen. Er wordt een enkelvoudige open mal gebruikt. Op de mal worden eerst een lossingmiddel en een gelcoat aangebracht. Deze gelcoat is een harslaag die de kleur aan het product geeft en zorgt voor een mooi en glad oppervlak. Daarnaast beschermt de gelcoat tegen UV straling en beschadigingen. Het vezelpakket wordt nu laag voor laag handmatig in de mal gelegd. Met een kwast of een roller wordt elke laag vezels bevochtigd met hars. De hars is van tevoren gemengd. Door het toevoegen van versnellers en vertragers is de verwerkingstijd van de hars vrij nauwkeurig te sturen. Een belangrijke stap in het proces is het ontluchten, want luchtinsluitsels verzwakken het product. Het verdrijven van de lucht kan met speciale rollers. Het uitharden onder vacuüm is een alternatief waarmee tevens een hoger vezelvolumegehalte kan worden bereikt (tot 50%). Hierbij wordt het geïmpregneerde product ingepakt in een vacuümfolie en een 'scheurweefsel'. Het scheurweefsel is een dun vlies, dat de lucht afvoert en de overtollige hars opneemt. Het eindproduct heeft slechts aan een kant een glad (mooi) uiterlijk. De ander kant van het product is ruw. Hier is de weefselmat structuur zichtbaar. Voordelen De investeringen voor handlamineren zijn laag, er is slechts een enkelvoudige (houten of kunststof) mal nodig en eenvoudig handgereedschap. Door het handmatig inleggen van de vezels is de richting ervan te bepalen. Verder zijn met deze techniek zeer grote en complexe producten mogelijk. Nadelen Het nadeel van de handlaminaat techniek is dat er bij dit proces veel schadelijke stoffen zoals "vrij" styreen vrijkomen. Het proces is daarom onderhevig aan strenge milieuwetgeving. Figuur 15: een schematische weergave van het handlamineer proces 1 Mal 2 Losmiddel 3 Gelcoat 4 Hars 5 Roller 6 Weefselmat
16
Vezelspuiten Het vezelspuiten is net als het handlamineren een open mal techniek. Op de mal worden een lossingmiddel en eventueel een gelcoat aangebracht. De vezels en de hars worden erop gespoten. Er vindt een constante aanvoer plaats van de hars en vezels naar een spuitpistool. De (glas)vezels worden van een rol getrokken en in het spuitpistool op de gewenste leng-te gehakt. Vanuit dit pistool worden de gehakte vezels samen met de hars op een luchtstroom naar het pro-duct op de mal gespoten. Het pistool kan zowel handmatig als met een robot worden be-diend, hierdoor is het ook geschikt voor grotere series. De dikte van het product kan lokaal worden vergroot door het spuitpistool langer op één plaats te houden. Lucht-insluitsels worden op dezelfde manier verdreven als bij handlamineren. Voordelen De investeringskosten voor deze techniek zijn laag. Ten opzichte van handlamineren is er tijdwinst. De wanddikte van het product is eenvoudig te variëren door langer te spuiten. Nadelen Doordat de vezels een beperkte lengte hebben van ongeveer 25 mm is de sterkte van het laminaat beperkt
Figuur 16: een schematische weergave van vezelspuiten 1 Mal 2 Losmiddel 3 Gelcoat 4 Sproeien glas + hars 5 Rollen 6 Afkorten zijkanten. Aan het sproeipistool (E) zitten toevoerslangen voor de hars (A) en (B), de luchtdruk (C) en de vezels (D).
Resin Transfer Molding Bij resin transfer molding (RTM) wordt het totale pakket van vezelmatten en andere versterkingen zoals schuimdelen in één keer in de mal gelegd. Vervolgens wordt het pakket afgedekt met een bovenmal. Op een aantal punten kan de hars, onder invloed van een drukverschil, vanuit een voorraadvat in de mal stromen. Aan de randen van de mal, het einde van de vloeiweg, wordt de overtollige hars opgevangen. Het drukverschil is een overdruk in het harsvat (druk-injectie) en/of een onderdruk aan het einde van de vloeiweg (vacuüminjectie). Resin transfer molding maakt het mogelijk om grote complexe vormen met aan beide zijde een zeer glad oppervlak te maken. Het proces wordt vaak toegepast bij kleine serieproducties.
17
Een variant van deze techniek is vacuümfolie techniek of vacuüminjectie. In plaats van de bovenmal wordt dan een folie gebruikt die met behulp van vacuüm over het pakket wordt gezogen. Dit vacuüm is ook de drijvende kracht achter het harstransport. Via slangen stroomt de hars dan het pakket in. Figuur 17: schematische weergave van het RTM proces. 1 Bovenvorm 2 Ondervorm 3 Gereedschapklem 4 Mengkop 5 Weefselmat 6 Vloeistofvloei 7 Hars 8 Harder (eventueel)
Voordelen De cyclustijd is korter dan met handlamineren. Het product heeft aan beide zijden een glad oppervlak. Bij vacuüminjectie is het oppervlak slechts aan één zijde glad. Door het gesloten mal principe is de styreen-emissie laag. Met harsinjectie is een redelijk hoog vezelvolumegehalte te bereiken ,tot meer dan 50% en een laag gehalte aan luchtinsluitsels. Voor kleine series ( 500 – 10.000 stuks per jaar) is het een economisch vormgeefproces om grote gladde complexe vormen te maken. Nadelen Het grote nadeel van deze techniek is dat de investeringskosten zeer hoog zijn, voor ieder product moet een zeer dure matrijs gemaakt worden.
Pultrusie Pultrusie is een continu-proces voor de productie van profielen in allerlei soorten en maten. Continue vezels worden van rollen getrokken en door een harsbad geleid. Vervolgens worden ze door een matrijs getrokken, die de vorm van het profiel bepaalt. Uitharding vindt plaats in een verwarmd gedeelte van de matrijs. Voor grotere en complexere profielen wordt de hars in de matrijs geïnjecteerd. Het proces laat een zeer grote variëteit aan profieldoorsneden, vezelmaterialen en harssystemen toe. Vanwege de productiemethode zijn de vezels sterk georiënteerd in de langsrichting van het profiel. Het is echter ook mogelijk weefsels, mat en vliezen in de doorsnede te verwerken. De profielen zijn halffabricaten die eenvoudig kunnen worden bewerkt. Er zijn drie manieren waarop een pultrusie profiel geproduceerd kan worden, zo word er verticaal, horizontaal en op een vlakbed geproduceerd. Bij zowel verticale als horizontale productie trekken de aandrijfrollen het profiel door de oven en door de matrijsopening. Door de aandrijfrollen wordt ook aan de vezels getrokken. De vezels worden via geleidingsrollen door een bad met hars geleid. De doorsnede vorm van de matrijsopening bepaalt de vorm van het pultrusieprofiel. Het verschil is dat bij verticaal produceren het gehele systeem verticaal geplaatst is, dit wordt vaak bij buisvormige profielen toegepast. In het vlakbed pultrusieproces worden de vezels en het hars op een
18
foliedrager van celglas gestort. Deze foliedrager wordt door de aandrijfrollen door het proces getrokken. Op deze manier worden de vezels en het hars, op de gewenste dikte, opgebracht. Hierna wordt er een foliedrager als toplaag aangebracht. Het geheel hard vervolgens uit in de oven. De vlakke platen worden op grote rollen opgerold. Door de aandrijfrollen te profileren worden geprofileerde platen gemaakt. Figuur 18: Horizontale pultrusie proces. 1 Vezels 2 Geleidingsrollen 3 Hars 4 Matrijsopening 5 Oven 6 Aandrijfrollen 7 Pultrusie profiel
Figuur 19: Vlakbed pultrusie proces. 1 Foliedrager 2 Vezels 3 Hars 4 Afdekfolie 5 Oven 6 Aandrijfrollen
Voordelen De productie is een continu proces met alle voordelen van goede kwaliteitsbeheersing, o.a. goede maatbeheersing. De techniek is geschikt voor alle soorten vezels. ook meerdere soorten kunnen worden gecom-bineerd. Er is een hoog vezelvolumegehalte haalbaar(tot Ca. 70%) en daardoor een hoge specifieke stijfheid en sterkte van de profielen. Nadelen Omdat het een continu proces is het niet geschikt voor kleine series. Het opstarten en stoppen van het proces is kostbaar. Wikkelen Bij deze techniek worden continue vezels, rovings genoemd, om een matrijs gewikkeld, in dit geval een kern of een mandrel. De matrijs wordt in een machine om de langsas geroteerd. Continue vezels worden van rollen getrokken en met hars geïmpregneerd. Vervolgens worden ze naar de roterende matrijs geleid en eromheen gewikkeld. Door de wikkelhoek te wijzigen, zijn de sterk-te en de stijfheid gericht te sturen. Wanneer de hars voldoende is uitgehard, wordt de matrijs verwijderd. Soms wordt gebruikgemaakt van kernen die kunnen worden uitgespoeld of opgelost, of van ‘liners’ zoals bij Airborne het geval is. Liners zijn dunwandige kernen van staal of kunststof. Deze blijven in het product achter.
19
Figuur 20: Het wikkel proces. 1 Roving 2 Geleidingsrollen 3 Hars 4 Geïmpregneerde vezel 5 Mandrel
Voordelen Met deze techniek is de ligging van de vezels en daarmee de sterkte goed te sturen. Het is mogelijk om grote, holle producten uit één stuk te maken. Deze techniek is geschikt voor een grote variëteit aan vezels en harssystemen, zelfs voor thermoplasten. Nadelen Omdat het een continu proces is het niet geschikt voor kleine series. Het opstarten en stoppen van het proces is kostbaar. Ook is de vormvrijheid minder groot dan bij andere productietechnieken het geval is.
Bewerkingstechnieken Een product dat is geproduceerd met één van de bovengenoemde technieken, heeft in de meeste gevallen nabewerking nodig. In veel gevallen wordt het product nog verder afgemonteerd of gebruikt als onderdeel in een grotere constructie. Direct na de productie wordt vaak het product indien nodig ontdaan van bramen. Hierbij vindt ook een eerste controle plaats op eventuele onvolkomenheden. Voor verdere, ingrijpendere bewerkingen zijn meerdere mogelijkheden beschikbaar. We zullen in het kort enkele beschrijven. Frezen Het frezen is een verspanende nabewerkingtechniek. In de meeste gevallen wordt het product ingeklemd op een draaibare of verschuifbare tafel die onder de frees draait of schuift. De frees loopt een programmaatje af, waarbij diverse bewerkingen aan het product worden uitgevoerd. Naast het boren van gaten kunnen er grote stukken worden verwijderd en ontbraming van de rand is mogelijk. De freeskop zit op de kop van een robot of op een XYZ tafel. Dit is een tafel die bewegingen over de drie assen mogelijk maakt. Vooral een robot maakt een grote bewegingsvrijheid mogelijk. Om de productiesnelheid van de frees te vergroten, is een constructie mogelijk met twee opspantafels. Hierbij wordt tijdens de bewerking van het ene product het andere verwisseld.
20
Waterstraalsnijden Een alternatief voor frezen is het waterstraalsnijden. Het principe hierachter is eenvoudig. Water onder zeer hoge druk (± 4.000 bar) snijdt door bijna alles heen. Veel materialen kunnen met puur water worden gesneden. Andere, hardere materialen maken het gebruik van abrasief materiaal noodzakelijk. Dit is fijn zand dat bij het water wordt gemengd en een extra schurende werking heeft. De dunne waterstraal loopt net als bij het frezen een geprogrammeerde baan af, waarmee het product wordt nabewerkt. Aan de bewegingsvrijheid van de waterstraal is een aantal beperkingen verbonden. Het kan niet volledig horizontaal worden gericht, want de doorschietende straal kan dan een gevaar voor de omgeving zijn. Daarnaast is opvang van de straal in de bak, die onder het product is geplaatst, noodzakelijk. In deze bak bevindt zich ook een voorziening om het abrasief materiaal uit het water te filteren. Figuur 21: Het snijden met een waterstraal onder een druk van ± 4.000 bar
Het waterstraalsnijden heeft een aantal specifieke voordelen ten opzichte van het frezen: Het gebruikte ‘mes’ is altijd scherp en oefent nauwelijks kracht uit op het product; de stofproductie is aanmerkelijk minder en er is geen warmteontwikkeling op het product. Er zitten ook nadelen aan het waterstraalsnijden. Doordat het een proces is waarbij het medium water gebruikt wordt, mag het te bewerken materiaal geen reactie aangaan met water.
Boren Het is goed mogelijk om in composieten te boren. De eigenschappen van kunststoffen hebben wel hun invloed op de bewerkbaarheid. Als algemene regel geldt dat de vezels bepalen wat de mogelijkheden en beperkingen bij het boren zijn. Welke matrix is gebruikt, is minder van belang.
Hieronder volgt een aantal aandachtspunten bij het boren in composieten: • •
Door de gelaagdheid van de kunststof en de vezelrichting is boren niet in alle richtingen mogelijk. De slechte geleidbaarheid van kunststoffen kan voor warmteophoping zorgen. Met name scherp gereedschap en in sommige gevallen ook koeling moeten degradatie voorkomen.
21
•
• •
Een voorziening om eventuele schadelijke dampen af te voeren moet aanwezig zijn. Naast gassen kunnen ook fijne stofdeeltjes en vezels vrijkomen. Deze kunnen een gevaar voor de omgeving en de gezondheid vormen. Stof van koolstoflaminaten is geleidend, waardoor elektrische apparatuur en computers defect kunnen raken. Delaminatie, zowel aan de oppervlakte als in het product, kan het gevolg zijn van verkeerd boren. Elke vezelsoort vereist andere boren en technieken. Met name bij aramidevezels vraagt de selectie van het snijdgereedschap extra aandacht door het pluizen.
Oppervlaktebehandeling Afhankelijk van de toepassing van het product is een oppervlaktebehandeling nodig. De behandeling kan meerdere doelen hebben: • conservering/bescherming tegen het milieu; • decoratief uiterlijk; • een technische reden. De meeste kunststoffen zijn van ‘nature’ erg resistent tegen milieu-invloeden. Op punten waar dit nodig is, kan met additieven extra bescherming worden geboden. De meeste oppervlaktebehandelingen zullen een decoratief en/of optisch effect hebben. Aangezien met additieven elke gewenste kleur aan kunststoffen te geven is, komt schilderen weinig voor. Alleen in gevallen waarbij het kunststofdeel een zichtdeel is, eventueel in combinatie met andere materialen, wordt soms nog een extra laklaag aangebracht. Een aparte categorie is het metalliseren van kunststoffen. Het metalliseren wordt gebruikt voor decoratieve doeleinden, bijvoorbeeld verchroomde auto-onderdelen of huishoudelijke toepassingen. Een andere toepassing van metalliseren is een technische noodzaak, bijvoorbeeld om elektrische geleiding te krijgen in een kunststofdeel
22
Milieu aspecten Om de milieuaspecten van composietproducten te beoordelen moet naar de gehele levenscyclus worden gekeken. Vanaf de winning van de grondstoffen, de vervaardiging van het composietproduct, het gebruik ervan tot uiteindelijk de afvalfase. Al deze fasen dragen bij aan de belasting van het milieu of juist aan de voorkoming ervan.
Figuur 22: de levenscyclus gevisualiseerd
Grondstoffase Composieten bestaan voornamelijk uit hars en vezels. De belangrijkste grondstof voor de hars is aardolie. Overigens wordt slechts vier procent van al het aardoliegebruik gebruikt voor kunststoftoepassingen. De belangrijkste grondstof voor de vezelmaterialen wanneer het geen bio-vezel betreft is silicium. Door de hoge specifieke sterkte van de vezels, is relatief weinig materiaal nodig. Productiefase Een noemenswaardige verbetering op het gebied van milieu en gezondheid is de verschuiving van openmaltechnieken naar geslotenmaltechnieken, zoals Resin Transfer Moulding. Met deze technologieën wordt een consistentere kwaliteit van de eindproducten verkregen en is bovendien het belangrijkste knelpunt bij productie, de uitstoot van styreendamp verholpen. Een andere optie die al breed opgang heeft gemaakt is het gebruik van laag styreen emitterende polyesterhars (LSE). Ook het reinigen met oplossingsmiddelen op waterbasis is een milieuvriendelijke maatregel die bedrijven nemen Gebruiksfase In de gebruiksfase toont composiet zich als een ware topper. Het composietproduct is sterk en licht, zodat er minder impact is op het milieu dan bij gebruik van traditionele materialen. Bij transporttoepassingen is er bijvoorbeeld sprake van minder brandstofverbruik, lagere luchtweerstand en grotere motorefficiency. Composieten vergen weinig onderhoud en zijn breukongevoelig, corrosievast, bestand tegen chemicaliën en kunnen bovendien weer en wind aan. Doordat het product dat uit composieten wordt vervaardigd lang mee gaat komt er relatief dus weinig afval vrij. Afvalfase Mechanische recycling is voor composieten nog niet goed mogelijk, maar het materiaal is wel prima inzetbaar. Bijvoorbeeld als energiebron bij verbranding. Momenteel wordt het composietmateriaal ook steeds vaker geshredderd en als vulstof hergebruikt. De belangrijkste verwerkingsroute lijkt gevonden in de cementindustrie. Er is sprake van materiaalrecycling tot 70% en energieterugwinning, thermische recycling, tot 30%.
23
Het ontwerp Inleiding product De stappen om tot een goed product te komen wijken in dit specialisatieproject af van de standaard. Naast dat we rekening houden met de aspecten van produceerbaarheid hebben we ons eerst in de productieprocessen verdiept om dit vervolgens toe te kunnen passen in ons product idee. Aan de hand van het product dat we gaan ontwerpen bepalen we welke productietechniek het beste toegepast kan worden. Dankzij de verdieping in het productieprocessen zijn de voordelen en nadelen beter te bepalen en wordt bij het maken van de concepten rekening gehouden met ontwerpregels zoals vormvrijheid. Het aangepaste ontwerpproces 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Wat gaan we ontwerpen Ontwerpregels Programma van eisen. Toetsen van P.V.E. Concept Toetsen van concept Productie Conclusie
Figuur 23: het standaard ontwerpproces
De conclusie moet de potentie laten zien van het product. Zijn er relatief genoeg ontwerpvoordelen voor de gekozen productie techniek en zijn de kosten haalbaar, dan zal er groen licht gegeven worden voor de productie.
Figuur 24: schematische weergave van het aangepaste ontwerpproces
24
Wat gaan we ontwerpen Wij hadden al een productidee bedacht voorgaand aan het bezoek aan Airborne. We wilden een product ontwerpen dat te produceren is uit composieten. Ons product is een slee die we voor de specifieke doelgroep ‘de volwassen sportieve waaghals’ willen maken. Met dit productidee denken we de voordelen van composieten te kunnen gebruiken. Deze slee moet een sportief concept worden dat er snel en stoer uit ziet. Bij het vooronderzoek keken we naar de beperkingen van sleeën ten opzichte van het populairdere skiën en snowboarden. We stelden ons de kernvragen: • Wat zijn de nadelen van sleeën ten opzichte van skiën en snowboarden en hoe maken we het populairder? Het grootste nadeel van sleeën ten opzichte van skiën en snowboarden is de beperkte bewegingsvrijheid wat ertoe leidt dat er minder tricks gemaakt kunnen worden, scherpe korte bochten zijn lastiger. De huidige sleeën zijn veel zwaarder en lastiger te dragen dan ski’s en snowboards. Hierdoor is het vervoeren van een slee in skilift, auto of horizontale vlakken vermoeiender.
Op dit moment is het aanbod van sleeën voor volwassenen klein. Sleeën worden voornamelijk gemaakt voor kinderen; met als gevolg dat ze goedkoop, eenvoudig en kinderachtig zijn. Al helemaal niet bedoeld voor steile en ruwe afdalingen waar wij onze slee op willen richten. Onze doelgroep kan dus mooi gekenmerkt worden door de zoals hierboven gestelde ‘volwassen sportieve waaghals’. Het product zal in het hogere segment geplaatst worden, aangezien het heel specialistisch en high-tech is. Hierdoor zullen de kosten van de slee minder van belang zijn, en kunnen de investeringskosten hoog zijn. Hierdoor gaat onze voorkeur uit naar RTM, aangezien hier de grootste vormvrijheid mee word verkregen en het mooiste oppervlakte kan morden bereikt ook is deze manier van productie beter voor het milieu en de producent.
25
Ontwerpregels Functie De functie van de slee is natuurlijk het afglijden van een ‘besneeuwde’ helling, voortgestuwd door de zwaartekracht. Het zal gebruikt worden voor sportieve doeleinden en niet voor transport e.d. Om de slee produceerbaar te maken gaan we dieper in op 5 aandachtpunten, geometrie, materiaal, seriegrootte, kleur & grafiek en textuur & uitstraling. Geometrie Productie met RTM geeft de grootste vormvrijheid. Er zijn veel vormen realiseerbaar wat goed uitkomt voor ons product. Het moet een stoere uitstraling hebben, dit willen we realiseren door strakke lijnen te combineren met rondingen. Materiaal Het materiaal voor het product moet duurzaam en sterk zijn. Geschikt om de meest ruwe bergafdaling te kunnen doorstaan. Tevens moet het materiaal licht zijn, omdat een slee nogal vaak handmatig vervoerd moet worden. Composieten zijn hier uitermate goed geschikt voor. Seriegrootte De seriegrootte willen we rond de 5.000 a 10.000 stuks per jaar houden. Bij een kleinere seriegrootte zal het te lang duren voordat de investering terugverdiend is en bij een grotere serie zou RTM niet meer toereikend zijn. Kleur & grafiek De kleur van de slee mag variabel zijn, echter is het voordeel van carbonfiber dat dit de bekende “carbon look” geeft. Deze look wordt door vrijwel iedereen geassocieerd met industrieën zoals luchtvaart en racerij, kortom: exclusiviteit. Dit komt omdat het materiaal staat voor hoge prestaties bij een licht gewicht, helaas ook met een flink prijskaartje. Eventuele grafische opties zijn vrijwel onmogelijk op het frame van ons product, omdat daar praktisch geen ruimte voor bestaat. De zitting heeft wel mogelijkheden voor een opdruk.
Figuur 25: het ‘high tech’ uiterlijk van koolstofvezels
Textuur & uitstraling De textuur van het product wordt grotendeels al bepaald door het de materiaalkeuze. Composieten hebben over het algemeen een gladde afwerking met de bekende vezelstructuur.
26
Kwaliteit Na de vijf aandachtspunten van de functie bepaald te hebben gaan we nu dieper in op vijf aandachtpunten van de kwaliteit, afwerking, stabiliteit, homogeniteit, ruwheid en tolerantie. Afwerking De afwerking van het product moet van hoge kwaliteit zijn. Er mogen nergens scherpe randjes zitten of zichtbaar slechte lossingen. Het product moet echt high-tech ogen. Ook moeten de inserts goed bevestigd zijn aangezien de slee flink wat stoten te verduren zal krijgen in zijn leven. Dit draagt ook bij aan een stevige “rugged” uitstraling. Stabiliteit Stabiliteit in het product is zeer belangrijk. Onderdelen moeten goed bevestigd worden en er mag geen speling op verbindingen zitten. De slee wordt onder extreme omstandigheden gebruikt dus is het niet de bedoeling dat een verbinding mee kan geven of zelfs bezwijkt. Homogeniteit De vezelmatten worden elke keer gelegd in de matrijzen. Dit kan dus leiden tot minieme verschillen in de structuren van verschillende sleeën. Ruwheid Het product moet aan de zichtzijde een zo glad mogelijke afwerking hebben. Dit om het strakke aerodynamische uiterlijk uit te stralen. Ondanks dat de oppervlakteafwerking van het product in de realiteit weinig invloed zal hebben op de prestaties, willen we hier toch aandacht aan besteden. Tolerantie Toleranties zijn in dit product enkel belangrijk voor de te bevestigen onderdelen. De inserts moeten nauwkeurig geplaatst worden om de te bevestigen onderdelen goed te laten passen. Maatgeving van eventueel verschillende groottes van het product is mogelijk, maar ook hier zijn toleranties enkel belangrijk bij het afstemmen op de verschillende onderdelen.
Kosten Nu we de functie en kwaliteit hebben aangekaart die met composieten behaald kunnen worden, bekijken we nu het kosten plaatje van RTM. De vijf aandachtpunten voor de kosten zijn stukprijs, investering, doorlooptijd, veiligheid en milieu
27
Stukprijs de stukprijs van de slee zullen vrij hoog worden aangezien de investeringskosten dit ook zijn, verder zijn de grondstoffen die gebruikt worden voor de slee ook zeer prijzig. Echter is dit voor onze doelgroep niet een rede om het product niet aan te schaffen, aangezien zij fanatieke sporters zijn die wellicht gesponsoord worden Investering Zoals al eerder is besproken zullen de investeringskosten hoog zijn, dit door dat de matrijzen gebruikt bij RTM uit aluminium verspaand zullen worden. Over het algemeen kan gesteld worden dat matrijsprijzen beginnen bij een bedrag van ca 3.000 Euro. Een maximum is er niet. Er zijn matrijzen gemaakt voor zeer ingewikkelde producten voor hoge volumes die meer dan 250.000, - Euro kosten. In ons geval kan uitgegaan worden van een vrij gebruikelijke matrijscomplexiteit, dus denken we dat de matrijs ca. 50.000, - Euro zal gaan kosten Doorlooptijd We gaan er van uit, dat de enige ‘bottleneck’ het gebruik van de mal is (of van twee mallen, waar elk een framehelft uit komt). De injectietijd is dan niet de enige factor waar we rekening mee moeten houden, want de koolstofvezels moeten eerst nog in de mal geplaatst worden en nadien moet de epoxyhars in de mal uitharden. Het eerste kost + 10 minuten, het tweede + 60 minuten. De totale cyclustijd (voor de mal) is dan dus 10+ 20 + 60 = 90 minuten. Veiligheid Doordat er met vrij hoge druk wordt gewerkt bestaat het gevaar dat de matrijs open gedrukt word, echter wordt hier rekening mee gehouden. De matrijs wordt zo afgesloten dat deze niet open kan en dat er geen hars kan lekken, de hoge viscositeit van de hars help hier ook bij. Milieu Het produceren met gesloten mallen is beter voor het milieu dan de oudere methodes waarbij veel giftige stoffen vrijkwamen. Echter zijn composieten zelf niet goed te recyclen, wel is het zo dat de producten gemaakt van composieten een langere levensduur hebben. Dit draagt bij aan een duurzaam verbruik van de grondstoffen en is daarmee goed voor het milieu.
28
Programma van eisen Functie / prestatie • Geschikt voor 1 persoon • Schokken van een landing na een sprong op kunnen vangen • Geen slijtage • Tijdens gebruik moet het zijn stijfheid behouden (L/100) • Geschikt voor blauwe tot zwarte piste Vorm, kleur, finishing en uitstraling • Gestroomlijnde vorm werkt mee aan een snel ogende slee • Uitstraling moet stoer en sportief zijn • Huisstijl in de trend van een BMX fiets. Je moet ermee kunnen stunten • Afwerking moet van hoge kwaliteit zijn. Geen randjes of lelijke matrijssporen. • Eventuele grafische opties moeten mogelijk zijn zoals kleur of opdruk. Transport / vervoer • Passend in skilift • Touw monteerbaar om middel • Overal tilbaar (geen zwakke plekken in het frame) Normen en standaarden • 5% tot 95% van de hoogte mannen, dit houdt in dat mannen met een lengte van 1.68m tot een lengte van 1.96m gebruik moeten kunnen maken van de slee. • Gewicht van een volwassen sportieve man < 120 Veiligheid • De slee moet grotendeels ongelukbestendig zijn. Doelend op botsingen met objecten. Productie • RTM • Seriegrootte 5.000 – 10.000 Materiaal • Temperatuur van -50 tot 50 graden Celsius • Inserts zo veel mogelijk voorkomen, omdat dit de integriteit achteruit brengt Hergebruik • Reparatiemogelijkheden Toetsen van P.V.E. Functie / prestatie Het product is prima te dimensioneren als gekozen wordt voor RTM met carbonfiber. We kunnen het dus goed op maat maken. Het is tevens de sterkste composiet waardoor het flink wat stoten zal kunnen verdragen. Carbon ondervindt als composiet normaal weinig slijtage.
29
Vorm, kleur, finishing en uitstraling Carbonfiber i.c.m. RTM biedt genoeg mogelijkheden qua vorm om een gestroomlijnde strakke slee te produceren. Transport / vervoer Carbonfiber heeft een lage dichtheid en is daarom licht in transport. De constructie zal al stevig van zichzelf zijn om aan zijn functie te moeten kunnen voldoen, dus er zullen geen zwakke plekken in het frame ontstaan waar de slee niet getild zou mogen worden. Normen en standaarden De eisen die we aan de slee hebben gesteld wat betreft het gewicht van de gebruiker moet zeker haalbaar zijn wanneer we gebruik maken van koolstofvezels versterkt met epoxy hars. De verschillende lengtes die op de slee moeten passen hangt volledig af van het ontwerp. Veiligheid Gebruikmakend van composieten moet dit zeker haalbaar zijn, wanneer we ook nog een gesloten mal techniek gebruiken is de veiligheid van de producent ook nog te waarborgen Productie Materiaal De Tg van carbonfiber ligt in de buurt van de 100 graden Celsius. In een winterse omgeving zal dit product dus prima standhouden. Hergebruik De materialen in de slee zijn niet allemaal te recyclen. Echter bestaat het grootste deel van de slee uit carbonfiber, dat erg moeilijk recyclebaar is. Ook zijn schades aan deze structuur moeilijk te herstellen. Het is mogelijk om effecten van schade te verminderen door lappen en strengen van carbon aan te brengen op de plaats van de beschadiging en deze te laten versmelten met het materiaal, dit is echter tijdrovende en vooral duur precisiewerk.
Concept Het concept is een slee die bestaat uit een hol frame om hem zo licht mogelijk te kunnen maken. Hij heeft een aerodynamisch uiterlijk wat hem extra aantrekkelijk maakt voor onze doelgroep. Hij is geschikt voor 1 persoon en kan een groot gewicht dragen. De slee bestaat uit twee onderdelen, het frame en de zitting. De zitting wordt door middel van vormsluiting bevestigd aan het frame 30
Figuur 26: het frame waarop de zitting wordt bevestigd
Toetsen van concept Tijdens het sleeën werkt er een continue verandert krachtenspel. Wij hebben deze slee ontworpen voor ‘de volwassen sportieve waaghals’. Dit betekend dat de gebruiker met de slee vrij van de grand kan komen. De koolstofvezel slee moet de krachten bij het landen op kunnen vangen zonder plastische te vervormen. Om enkel in de elastische vervorming te blijven zal de ontstane spanning bij het neerkomen lager zijn dan de krachten voor de vloeigrens. Om de krachten en spanningen in de koolstofvezel stangen te toetsen hebben we gekeken naar enkele kritieke plekken van ons concept, zie figuur 27.
Figuur 27: weergave van de kritieke punten
31
Belangrijk vinden wij dat het gewicht van de slee zo laag mogelijk is, zodat de kosten gedrukt kunnen worden en dat er optimaal gebruik wordt gemaakt van de voordelen van koolstofvezel. Een lichter gewicht van de slee gaat ten koste van de dikte van de wanden. Om de minimale dikte te vinden voor dezelfde prestaties van de slee nemen we de wanddikte (r2-r1) als variabele. Om deze berekeningen mogelijk te maken hebben we een vereenvoudigd model gemaakt van het zitje van de slee. We bekijken eerst kritieke punt 1, figuur 27, deze zal belast worden als de slee voorover geheld neerkomt. We beschouwen het zitje als 2 holle koolstofvezelbuizen. De persoon zal met zijn gewicht op deze constructie neerkomen na het maken van een sprong met de slee. Hier wordt een bepaalde kracht uitgeoefend op het frame. In onze berekening grijpt de kracht aan op het uiterste punt. We nemen voor de maximale kracht op het zitje een kracht die 5x groter is dan de zwaartekracht van een 120 kg wegend persoon, zodat we rekenen houden met krachten van de potentiële energie ontstaan tijdens de sprong. Aannames: • Voor het gemak nemen we een zwaarteconstante van g= 10 m/s2 • vereenvoudigd systeem • Zuivere buiging, alleen krachten in de y richting • Dwarskrachten zijn te verwaarlozen t.o.v. het buigend moment • Zitje is vereenvoudigd tot 2 buizen. 1 buis werkt ½ *F. • F=3000N. (Er werkt 5x een kracht van 60 kg ( ½ van de zwaartekracht) op één buis)
32
De vloeigrens van koolstofvezel is 1,05 GPa. Uit de berekeningen blijkt dat voor een slee met wanddikte van 2,0 mm; 1,5mm en 1,0 mm alleen de eerste twee voldoen. Een wanddikte voor de buis van 1,0 mm is niet mogelijk in het zitje. Er zal dan plastische vervorming optreden. Kritieke punt 2 zal belast worden wanneer de slee achterover geheld neerkomt. In onze berekeningen houden we rekening met de kracht uit de potentiële energie. We nemen voor de maximale kracht op het zitje een kracht die 5x groter is dan de zwaartekracht van een 120 kg wegend persoon, zodat we rekenen houden met krachten van de potentiële energie ontstaan tijdens de sprong. Aannames: • Voor het gemak nemen we een zwaarteconstante van g= 10 m/s2 aan. • Vereenvoudigd systeem • Zuivere buiging, alleen krachten in de y richting • Dwarskrachten zijn te verwaarlozen t.o.v. het buigend moment • De voet is vereenvoudigd tot 2 buizen. 1 buis werkt ½ *F. • F=3000N. (Er werkt 5x een kracht van 60 kg ( ½ van de zwaartekracht) op één buis)
33
Ook voor kritieke belasting 2 hebben we de spanning van het buigend moment getoetst aan de vloeigrens van koolstofvezel voor wanddiktes van 2,0; 1,5 en 1,0 mm. Alleen een buis met een wanddikte van 2,0 mm valt net binnen de vloeigrens bij een kracht van 3000 N. Buizen met wanddiktes van 1,5 mm en 1,0 mm zullen bij deze krachten plastisch vervormen. We hebben nu het volgende kunnen concluderen; om speling te hebben in het elastisch gebied met grotere krachten nemen we een wanddikte van 5 mm voor alle buizen. Bij hogere snelheden die ons doelgroep ‘de sportieve volwassen waaghals’ behaald komen grotere krachten. Een wanddikte van 5 mm heeft de volgende buigspanning:
Dit ligt +/- 500 MPa onder de vloeigrens. Zelfs bij krachten van 5000 N zal de voet van de slee niet plastisch vervormen.
Productie Aangezien we de slee willen produceren door middel van RTM zullen we nu stap voor stap laten zien wat er moet gebeuren. Doordat het frame vrij ingewikkeld is vormgegeven en het daardoor niet lossend zou zijn wanneer we met een dubbele matrijs zouden werken zo als bij volume- en drukgestuurde RTM het geval is. Hebben we er voor gekozen om de slee te produceren met vacuüminfusie, bij deze RTM techniek wordt in plaats van overdruk juist onderdruk gebruikt, ofwel partieel vacuüm. Dit heeft als voordeel dat de matrijzen eenvoudigweg op elkaar gedrukt worden. Sterker nog: we kunnen één matrijs zelfs vervangen door een folie ofwel vacuüm bag. Zo wordt één zijde van het product (de foliezijde) weliswaar minder mooi strak, daarom zullen we de zak aan de binnenzijde van ons product gebruiken. Het scheelt een kostbare matrijshelft. Het drukverschil is maximaal maar ca. 0,99 Bar. Voor de slee gebruiken we schuimkernen om het gewicht verder te reduceren, over de productie van deze schuimkern zullen wij in dit verslag niet verder op in gaan. Deze schuimkernen worden omwikkeld met in ons geval koolstofvezels. Nu worden deze vezels in de aluminium matrijs geplaatst, vervolgens gaat de folie met de aanspuit punten eroverheen getrokken en afgesloten met speciale tape. Nu kan het injecteren beginnen, doordat een pomp de hars door het product heen probeert te zuigen worden alle vezels geïmpregneerd met in ons geval epoxy. Wanneer het gehele product is geïmpregneerd begint het uithardingproces dit duurt ook nog een uur. Hieronder word een schematische weergave van ons proces weergegeven.
34
Er wordt een schuimkern aangeleverd.
We kijken nu naar een enkele buis van het frame.
Vervolgens worden de vezels, in ons geval koolstofvezels aangebracht rondom het frame.
Nu wordt vacuüm infusie toegepast door het product in een matrijs te leggen en een vacuüm zak eroverheen te bevestigen met speciale vacuüminfusie tape.
Hier wordt de hars doormiddel van een pomp door de vezels getrokken. De resin trap voorkomt dat de hars in de pomp komt.
We hebben gekozen voor koolstofvezel en epoxyhars in de verhouding ca. 1:1. Omdat dit aangeraden was door Airborne. We zullen nu kijken naar de materiaalkosten.
35
Om het gewicht en kosten te berekenen bepalen we eerst de inhoud. Hiervoor versimpelen we eerst het model. We nemen aan dat het gewicht en kosten van het schuimen zitje vergelijkbaar zijn met het gewicht en kosten van de composiet. In werkelijkheid zal het schuim lichter zijn en goedkoper. We zien nu het frame als losse rechten buizen zodat we gemakkelijk alle buisvolumes bij elkaar kunnen optellen. Het zitje hebben we beschouwd als een rechthoekige plaat met dikte 10 mm. Lengtes buizen: a= 10 dm b= 9 dm c= 6 dm d= 1 dm e= 4 dm f= 1 dm k=breedte van de slee = 3 dm
Inhoud van een buis is te berekenen met lengte (l)* oppervlakte (A). De oppervlakte voor een cirkel = πr2. We hebben te maken met een holle buis. Oppervlakte is te berekenen door de oppervlakte van de holte van de buis af te trekken van de oppervlakte van de totale cirkel Π*0.1502-π*0.102=3,93*10-2 dm2 Totale buislengte: Buislengtes in x-richting zijn a, c, en buis c-d. Deze buizen zijn 2 keer aanwezig. Buislengtes in y-richting zijn f en e. Deze buizen zijn 2 keer aanwezig. Buislengtes in z richting zijn 2 buizen van lengte k. Totale buislengtes: 2*(10+6+(6-1))+2*(0.1+0.4)+2*0.3= 43,6 dm Oppervlakte hollebuis * totale buislengtes= volume composiet; 43,6*3,93*10-2 dm2 =1,70 dm3 Volume zitje= lengte(b-c)*breedte(k)*dikte; 3,0 dm*3,0 dm *,10 dm=0.9 dm3 Totale volume: volume buislengtes + volume zitje; 1,70+0.9=2,6 dm3 De verhouding is 1:1. Epoxy:
2,6/2=1,30 dm3
Gewicht koolstofvezel: 1,84 kg/ dm3 wat een gewicht van 1,30*1,84 = 2,4 kg Gewicht epoxy: 1.15 kg/ dm3 wat een gewicht van 1.30*1,15 =1,5 kg Totale gewicht slee: 3,9 kg Kosten koolstofvezel: 30 euro/ kg Kosten epoxyhars: 10 euro/ kg Hiermee komen we op de totale kosten van de slee van 87 euro
36
Conclusie Nadat we uitgebreid onderzoek gedaan hebben naar composieten en bijbehorende productieprocessen, kunnen wij een conclusie trekken wat betreft de haalbaarheid van ons concept als wij deze willen maken met behulp van RTM en een koolstofcomposiet. Er zitten meerdere voordelen en nadelen aan welke we kort tegen elkaar afwegen: Voordelen: Het grootste voordeel van de slee is dat hij extreem licht is. Door de relatief hoge stijfheid bij de lage dichtheid van koolstofcomposieten biedt de slee uitstekende kwaliteit bij een laag gewicht. Nog een groot voordeel is dat de slee grotendeels uit één deel bestaat. Dit bevordert de stijfheid aanzienlijk en vermindert de kans op breuk in een anders misschien te zwakke verbinding. Door de afwerkingmogelijkheden van een matrijs en de hightech uitstraling van een koolstofvezelcomposiet zijn nabewerkingen zoals oppervlaktebehandelingen of grafische bewerkingen achteraf niet meer nodig. Materiaaltechnisch zijn koolstofcomposieten ook zeer voordelig voor onze slee omdat ze zeer omgevingsbestendig zijn. Zo zijn koolstofcomposieten van nature corrosiebestendig, chemisch resistent en hebben ze een hoge weerstand tegen vermoeiing. Door de productietechniek RTM toe te passen hebben we ook grote vormvrijheid. Nadelen: Het grootste nadeel van ons concept is dat de slee waarschijnlijk heel duur in productie is. Willen we koolstofcomposiet met RTM vormgeven tot een slee in aluminium matrijzen, dan zal de stukprijs erg hoog zijn. In vergelijking met huidige spuitgegoten sledes zal hij dan in de meest extreme prijscategorie vallen. Ook is een nadeel van koolstofcomposieten dat als het bij extreme belastingen bezwijkt het moeilijk te repareren is. Versplinterde onderdelen zouden opnieuw aan elkaar bevestigd kunnen worden, maar de stabiliteit kan dan niet gewaarborgd worden en de prijs van dit proces is ook erg hoog. Een materiaaltechnisch nadeel van ons concept is dat de slee tijdens gebruik over ruige ondergrond zal glijden en daar erg veel slijtage zal ondervinden. Als het koolstofvezel frame als contactoppervlak dient zal dit binnen korte tijd versleten zijn. Aangezien reparatie geen optie is zou het slim zijn om metalen skids te monteren onder het frame, die eenvoudig te vervangen zijn als ze versleten zijn.
37
Ontwerprichtlijnen Tot slot hebben we een aantal ontwerprichtlijnen voor wanneer je gaat ontwerpen met composieten opgesteld. deze zijn bedoeld voor onze collega’s en ons zelf, in het vervolg van onze opleiding kunnen we deze ontwerprichtlijnen eenvoudig raadplegen. Algemene richtlijnen • Vezels in de richting van de belasting leggen Doordat vezels slechts in de richting waarin ze liggen sterkte kunnen uitoefenen moet je zorgen dat je weet op welke manier het product belast wordt, zodat je geen overbodige hoeveelheid materiaal gebruikt. • Bridging (overspannen in afrondingen) Omdat je de met hars geïmpregneerde vezels niet in een scherpe hoek kunt buigen moet je er rekening mee houden dat de minimale afronding 3mm bedraagt en wanneer deze groter kan moet je dat doen om risico te vermeiden. Ook is het handig om te weten dat een cross ply mat die ±45° is makkelijker plooit in een afronding dan 0°/90°. Als de vezels tegen de malwand worden gedrukt, wil het vezelpakket niet meer schuiven, dit resulteert in luchtbellen in de afronding. • Symmetrie in het laminaat Het is van belang om tijdens het ontwerpen van je product rekening te houden met de interne spanningen die zullen optreden door de negatieve uitzettingscoëfficiënt, doordat de vezels in lengte afnemen en in dikte toenemen kan je product gaan vervormen wanneer die aan het uitharden is. Door 0°/90° matten te gebruiken kun je dit vrijwel voorkomen doordat de twee richtingen elkaar op hun plaats houden. Richtlijnen voor RTM • Hars kiest weg van de minste weerstand Door de viscositeit van de hars kan het injecteren van de vezels veel tijd in beslag nemen, om dit te voorkomen moet je de volgende dingen in je achterhoofd houden. Hars stroomt sneller langs een vezel dan dwars op een vezel, injecteer de hars dus in de richting van de vezel. Je kunt ook runners gebruiken om het proces te versnellen omdat via deze runners de hars sneller door het gehele product stroomt. Ook is het plaatsen van opkomers en injectiepunten een manier om de productietijd te reduceren. • Let op de lossing Wanneer je een product wil produceren middels twee matrijshelften moet je er op letten dat het product na dat de hars is geïnjecteerd nog wel de matrijs kan verlaten.
38
• Houd de injectie lengte kort Uit de wet van d’Arcy blijkt dat de injectiesnelheid grotendeels afhangt van de injectielengte, bij het ontwerpen is het dus van belang dat je rekening houd met de ligging van de aanspuit punten, zodat de injectielengte beperkt blijft. • Rondom aanspuiten Omdat de injectielengte even lang is wanneer je in de kern aanspuit als dat je aan de rand begint zou je kunnen denken dat dit niet zoveel uitmaakt. Echter is het aan te raden om het injecteren rondom te doen, op deze manier is de benodigde druk lager en zal de snelheid toenemen.
39
Bronnen Boeken: • “Materials and Design”; Ashby, M. and Johnson, K.; Elsevier; 2006 • “Moderne Industriële Productie”; Put, J. van de; Pearson Education Benelux; 2009 • “Composite Airframe Structures”; Niu, M.; Hong Kong Conmilit Press LTD.; 2005 Internet: • Materiaal eigenschappen; (http://www.tifac.org.in/news/acfil.htm) • Productietechnieken; (http://www.twanetwerk.nl/default.ashx?DocuID=8839) • Schematische weergaves; (http://www.wikipedia.org) • Composieten; (http://www.engr.sjsu.edu/WofMatE/Composites.htm) • Verwerking; (http://www.netcomposites.com/Education.asp?sequence=53) • Nabewerken; (http://www.flowcut.nl/nl/materialen_en_technieken/technieken) • Kosten; (http://www.awamolding.nl/?pag_id=44477) • Rekenen; (www.wolframalpha.com) • Sleeën; (http://gizmodo.com/) Personen: • Dr. Erik Tempelman • Ir. Kasper Snijder • Ir. Henk Crone • Ir. Anton Heidweiller • Ing. Alex Verduyn Andere bronnen: • Database; CES; 2010 • Database; DINED Tables • Werkdocumenten masterclass IP (IO2040); 2009-2010 • RTM Worx, simulatie programma van PolyWorx; 2010
40
