Scriptie IDE442 MATERIALISEREN 1999 SQUASHRACKET. P.L.J. de Heus, M.B.D. Beun, T.S.G. Veldman & M.M.G. van Dijk Begeleider: L.H. Langeveld

Scriptie

IDE442 MATERIALISEREN

1999

SQUASHRACKET P.L.J. de Heus, M.B.D. Beun, T.S.G. Veldman & M.M.G. van Dijk Begeleider: L.H. Langeveld Inhoud Summary .....................................................................................................................................2 Samenvatting ..............................................................................................................................2 0. Inleiding ...................................................................................................................................3 1. Squash algemeen ...................................................................................................................3 1.1 Hoe wordt squash gespeeld ...............................................................................................3 1.2 De geschiedenis van squash .............................................................................................3 1.3 Test op een bestaand racket ..............................................................................................4 2. Probleemstelling ....................................................................................................................4 2.1 Probleemstelling .................................................................................................................4 3. Materialen en productietechnieken ......................................................................................5 3.1 huidige productietechnieken en materialen .......................................................................5 3.1.1 Vezelversterkte kunststof ...........................................................................................5 3.1.2 Aluminiumextrusie ......................................................................................................5 3.2 Vroegere productietechnieken en materialen ....................................................................5 3.2.1 Spuitgieten .................................................................................................................5 3.2.2 Fabricage van een spuitgegoten composietracket. ...................................................6 4. Nieuwe mogelijkheden ...........................................................................................................6 4.1 In Situ-schuimen .................................................................................................................6 4.2 UHMWPE-vezels (waaronder Dyneema) ...........................................................................7 4.3 Zylon ...................................................................................................................................7 4.4 GLARE / ARALL (Fibre Metal Laminates) ..........................................................................7 4.5 Andere materialen ..............................................................................................................8 4.5.1 Aramidevezels ............................................................................................................8 4.5.2 Polyethyleen vezels ...................................................................................................8 4.5.3 Liquid Crystal Polyester vezels ..................................................................................8 4.5.4 PBO ............................................................................................................................9 4.5.5 M5 ..............................................................................................................................9 5. Keuze definitief materiaal en proces ....................................................................................9 5.1 Eisen aan het squashracket ...............................................................................................9 5.2 Materiaalkeuze .................................................................................................................10 5.2.1 Sterkte en stijfheid ....................................................................................................10 5.2.2 Massa .......................................................................................................................10 5.2.3 Kruipgedrag ..............................................................................................................10 5.2.4 Impactbestendigheid ................................................................................................10 5.2.5 Slijtagebestendigheid ...............................................................................................10 5.3 Mogelijke alternatieven .....................................................................................................10 5.4 Keuzecriteria ....................................................................................................................10 5.4.1 Breedte vrij ...............................................................................................................11 5.4.2 Doorsnede vrij ..........................................................................................................11 5.4.3 Hoogte vrij ................................................................................................................11 5.4.4 Sterkte en stijfheid ....................................................................................................11 6. Aspecten van het gekozen alternatief ................................................................................13 6.1 Materiaal ...........................................................................................................................13 6.2 Fabricage .........................................................................................................................13 6.3 Dimensionering ................................................................................................................13 6.4 Het Zylon squashracket in punten ....................................................................................14 Bronnen .....................................................................................................................................14 Literatuur ................................................................................................................................14 Internet ...................................................................................................................................14

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

TU

UT

UT

© Faculteit Industrieel Ontwerpen

1

Technische Universiteit Delft

Scriptie


1999

SUMMARY The subject of this report is the squash racket. The question that is asked in this report is whether or not innovations on the squash racket are possible. To answer this question, first squash itself will be examined. This will be followed by a problem formulation. Known techniques and materials will be studied. New possiblities will be examined and a new material will be chosen and highlighted.Squash is a dynamic sport which requires a lot of power and stamina. The game demands a lot from the racket. The most important areas of improvement are the stiffness and weight of the racket. Care has to be taken in not letting this affect the durability of the racket. In this report the demands of professional squashplayers are at the center of interest. The main reason being the choice of focusing on the highest possible performancelevel. Currently, two techniques are being used for manufacturing squash rackets. These are: fiber-reinforced rackets for the high-end market and aluminium-extruded rackets for the lower-end. After examing different options, two alternatives remained: Zylon and Dyneema. Both are highperformance fibers. Of these two fibers, Zylon proofed to be the better option with the best properties for a squash racket for the chosen users. Zylon combines exceptional high strength, abrasion resistance and impact resistance. The fiber is highly qualified for producing a lightweight, stiff and durable squashracket. The chosen alternative has the following attributes: It is made from Zylon Zylon has equal strength at lower mass compared to carbon fiber A racket made from Zylon can be made lighter without affecting other attributes (strength, stiffness, etc.) Wall thickness smaller than for carbon fibre racket, meaning more freedom in shape Manufactured in the same way as carbon fibre rackets SAMENVATTING Het onderwerp van dit rapport is het squashracket. De vraag is of er nog innovaties mogelijk zijn op het squashracket. Hiertoe wordt eerst de sport squash zelf onderzocht. Daaruit volgt een probleemstelling. Huidige technieken en materialen worden bekeken. Nieuwe mogelijkheden worden onderzocht en een materiaal wordt gekozen en toegelicht. Squash is een dynamische sport die veel kracht en energie kost. Het spel vraagt veel van het racket. De belangrijkste facetten waarop een racket verbeterd kan worden zijn de stijfheid en het gewicht. Er moet echter opgepast worden dat dit niet ten koste gaat van de duurzaamheid. In dit rapport staan de eisen van de professionele squashspelers centraal. De reden hiervoor is dat gekozen is om de nadruk te leggen op een zo hoog mogelijk prestatieniveau. Op dit moment zijn er twee technieken voor het vervaardigen van squashrackets in gebruik. Deze technieken zijn: fabricage van vezelversterkte kunststof voor hoger geprijsde rackets en fabricage door middel van aluminiumextrusie voor rackets met een lagere prijs. Na het bekijken van meerdere oplossingsmogelijkheden, bleven er twee over: Zylon en Dyneema. Beide zijn high-performance vezels. Van deze twee vezels blijkt Zylon de beste eigenschappen te hebben voor een squashracket voor de gekozen doelgroep. Zylon combineert exceptioneel hoge sterkte, slijtageweerstand en impactbestendigheid. De vezel is zeer geschikt voor het maken van een licht, stijf en duurzaam squashracket. Het gekozen alternatief heeft in het kort de volgende eigenschappen: gemaakt van Zylon; Zylon gelijke sterkte bij lagere massa dan koolstof; Zylon racket lichter met behoud van andere eigenschappen (sterkte, stijfheid, etc.); wanddikte kleiner dan bij koolstof racket, dus meer vormvrijheid in doorsnede; gefabriceerd op dezelfde manier als koolstof racket (handmatige fabricage met vezelmatten).


2


Scriptie


1999

0. INLEIDING Dit is het verslag van het vak Materialiseren. De bedoeling van dit vak is om een verbetering te vinden in een materiaal of een vervaardigingsmethode. Op deze manier leert de student meer zelfstandig de in de voorgaande jaren vergaarde kennis van materialen en vervaardigings-technieken toe te passen. Bovendien leert de student zelfstandig onderzoek te doen in dit gebied en de gevonden, vaak algemene, kennis toe te spitsen op het onderwerp van onderzoek. Het onderwerp van dit rapport is het squashracket. De vraag is of er nog innovaties mogelijk zijn op het squashracket. De laatste tijd zijn er zeer veel innovaties geweest bij rackets, niet alleen squashrackets. Deze innovaties zijn uitgemond in een koolstofvezel racket. Na dit racket lijken de ontwikkelingen echter min of meer tot stilstand te zijn gekomen, terwijl er nieuwe materialen zijn en worden ontwikkeld die wellicht toepasbaar zijn voor het squashracket. De opzet van dit verslag is als volgt. Allereerst wordt de geschiedenis van het squashracket behandeld, vervolgens wordt uitgelegd hoe het spel gespeeld wordt. Het volgende hoofdstuk behandelt de probleemstelling en het traject dat hiertoe leidde. Hierna worden de huidige materialen en productietechnieken behandeld, daarna worden de mogelijke materialen, hun eigenschappen en mogelijke vervaardigingstechnieken voor een nieuw racket opgesomd. Deze opsomming leidt tot een keuze voor een materiaal en een vervaardigingsproces. Deze keuze wordt uitgewerkt in een aantal aspecten van het gekozen alternatief. Ten slotte wordt de toepasbaarheid van het gekozen alternatief geanalyseerd. 1. SQUASH ALGEMEEN 1.1 Hoe wordt squash gespeeld Squash wordt gespeeld op een veld met 4 muren (1 speelmuur en 3 wanden), met een squashracket en een squashbal. Een squashbal is een kunststof bal met een diameter van ongeveer 40mm. De squashbal is gemaakt van een verend materiaal. Er zijn verschillende typen squashballen waar mee gespeeld kan worden. Er zijn snelle ballen die weinig stuiteren (voor gevorderden) en er zijn trage ballen die hoog stuiteren (voor beginners), en typen met gemiddelde spelkwaliteiten. Het gewicht van de verschillende typen ballen is gelijk. Wanneer een squashbal stuitert op een oppervlak verliest deze snelheid. De snelheid wordt omgezet in warmte. Hoe warmer de bal, hoe beter hij speelt. Vóór een wedstrijd wordt een squashbal altijd warm geslagen. Een squashracket lijkt op een tennisracket, maar is iets lichter. Bij het spelen van squash wordt het racket vaak tegen de grond of muren geslagen. Bij het spelen van squash staan 2 spelers in het speelveld (zie figuur 1.1). Het is de bedoeling dat de spelers om de beurt de squashbal tegen de speelmuur slaan. Op de speelmuur staan 2 lijnen. De squashbal moet tussen deze twee lijnen op de speelmuur gespeeld worden anders is de bal uit. De bal mag via alle wanden naar de speelmuur geslagen worden worden, maar niet via de grond. Nadat de bal terugstuitert van de speelmuur mag deze maximaal 1 keer op de grond stuiteren. Squash is een zeer snelle sport. De bal wordt hard geslagen, en kan vele richtingen op stuiteren, waardoor de spelers snel over het veld bewegen. 1.2 De geschiedenis van squash Al meer dan duizend jaar vermaken mensen zich met spellen waarbij een bal wordt geslagen met de gesloten vuist of met een soort racket of batje. Rond 1148 werd er in Frankrijk een spel gespeeld dat ‘Le Paume ‘ heette, hetgeen handpalm betekent, en waaruit tennis is ontstaan. De eerste melding van een spel waarbij een bal tegen een muur weerkaatst komt van een Engelse schoolmeester uit 1581. De eerste min of meer officiële variant van zo’n spel ontstond in de Fleet Prison in Londen. De gevangenen daar, voornamelijk mensen die hun schulden niet konden betalen, zorgden voor lichaamsbeweging door met een racket een bal tegen één van de vele muren te slaan. Het spel dat daaruit ontstond heet ‘Rackets’ of ‘Racquetball’. Dit spel vond zijn weg naar Harrow, en enkele andere scholen rond 1820. Omstreeks 1830 ontdekten leerlingen dat een spel met een Racket-bal waar gaten in gemaakt waren veel uitdagender was.


3


Scriptie


1999

In 1864 werden de eerste vier squashvelden geopend bij de school, hetgeen ertoe leidde dat er velden gebouwd werden in Rugby en bij verscheidene huizen en clubs. Pas in 1922 werd er een standaardmaat vastgesteld voor squashvelden. Daartoe was al in 1911 de aanzet gegeven door de ‘Tennis and Rackets association’. De rackets die in die tijd gebruikt werden leken vrij veel op huidige rackets, tenminste, qua vorm de huidige rackets zijn een stuk efficiënter, onder andere door de vele ontwikkelingen in de laatste jaren op het gebied van materialen. Waar de rackets qua vorm en opzet nog vergelijkbaar waren met de huidige, waren de gebruikte ballen zeer anders, ze waren gemaakt van zacht rubber waar, zoals in het onderstaande ook al vermeld is, een aantal gaten in was gemaakt, zodat ze samenvouwden als ze hard werden geslagen. In het Engels worden deze ballen ‘squashy’ (zacht) genoemd. Samen met de oorsprong in het spel Rackets verklaart dat de naam ‘Squash Rackets’, later afgekort tot squash. Werd squash in de eerste helft van de eeuw een beetje als een tweederangs sport gezien, tegenwoordig wordt het in meer dan 120 landen over de hele wereld gespeeld en worden er wereldkampioenschappen gehouden. 1.3 Test op een bestaand racket Om een beeld te krijgen van de eigenschappen van de huidige rackets, is er een test gedaan op een bestaand racket. Het racket is ingeklemd en belast met een gewicht van 15 N. Deze belasting resulteerde in een afwijking van 6 mm. Onderstaande figuur geeft een schematisch beeld van de test. 2. PROBLEEMSTELLING Omdat het voor onszelf in eerste instantie niet duidelijk was wat de problemen waren op het gebied van squashrackets hebben we via internet een aantal professionele squashspelers benaderd, om meer duidelijkheid te krijgen op dit gebied. Uit deze interviews bleek dat er vooral gezocht werd naar rackets met een lager gewicht (de lichtste modellen wegen tussen de 120 en 150 gram), een betere bestandheid tegen breuk (vanwege het vele contact met muren en grond) en een hogere stijfheid, omdat je met een te slap racket te veel kracht en controle zou verliezen. Verder bleken er problemen te zijn met het feit, dat de handgreep van het racket niet goed bij elke hand aansluit. Wij hebben besloten om ons vooral op het terugbrengen van de massa te richten, met behoud of zelfs eventuele verbetering van alle andere belangerijke eigenschappen. 2.1 Probleemstelling Een squashracket is een product met veel facetten, de ‘speelbaarheid’ van zo’n racket wordt door veel verschillende factoren bepaald en is daarnaast ook nog eens sterk subjectief. Er zijn echter afzonderlijke factoren aan te wijzen en één van die factoren is de massa van het racket. De huidige rackets worden door in ieder geval een deel van de professionele squashsspelers te zwaar gevonden voor competitiedoeleinden. De logische manier om dit op te lossen is de massa van het racket omlaag te brengen. Dit zou echter tot gevolg kunnen hebben dat andere belangrijke factoren van het racket, zoals de stijfheid, de sterkte, of de duurzaamheid, achteruit gaan. Dit willen we vermijden, deze factoren moeten op peil blijven ondanks de gewichtsreductie. Er zijn verschillende mogelijkheden om dit probleem aan te pakken, namelijk het aanpassen van de constructie en het toepassen van andere materialen, een combinatie van beide oplossingsrichtingen lijkt ons waarschijnlijk omdat andere materialen hoe dan ook andere constructies vergen, maar dat is slechts één deel van die mogelijkheid, het is vaak ook mogelijk om met hetzelfde materiaal een constructie zo aan te passen dat een massareductie wordt bereikt. Een ander probleem is dat een deel van de spelers vindt dat de huidige rackets, in vergelijking met vroegere rackets uit aluminium of hout, te snel breken. Een oplossing van dat probleem zal waarschijnlijk voor een groot deel te vinden zijn in een ander materiaalgebruik, hoewel ook hier de constructie aangepast zou kunnen worden. Ook hier moet voorkomen worden dat andere eigenschappen van de rackets gaan lijden onder de verbeteringen op de twee hier aangegeven vlakken. Omdat we ons richten op rackets aan de bovenkant van de (competitie-) markt, waar de prijs geen doorslaggevend aankoopargument is, zullen we de prijs van het racket niet als een beperkende factor beschouwen.


4


Scriptie


1999

3. MATERIALEN EN PRODUCTIETECHNIEKEN 3.1 huidige productietechnieken en materialen Op dit moment zijn er twee technieken voor het vervaardigen van squashrackets in gebruik. Deze technieken zijn: fabricage van vezelversterkte kunststof voor hoger geprijsde rackets en fabricage door middel van aluminiumextrusie voor rackets met een lagere prijs. 3.1.1 Vezelversterkte kunststof Het begin van de fabricage van rackets van vezelversterkte kunststof is het wikkelen van 7 tot 10 matten met verschillende vezeloriëntaties om een soort ballon of blaas gevuld met lucht, een ‘air bladder’. De matten hebben verschillende oriëntaties om andere eigenschappen, vooral sterkte en flexibiliteit, in verschillende richtingen te bereiken. Op deze manier ontstaat een buis van vezelversterkte kunststof. Op bepaalde plaatsen langs die buis worden extra matten ter versteviging gewikkeld. De op deze manier verkregen buis wordt gebogen in de globale vorm van een racket. De uiteinden van de buis worden tegen elkaar aangedrukt en vormen zo de basis voor het handvat. Een juk is het gedeelte van het racket waar de bespanning aan vastgemaakt wordt, maar niet elk racket heeft er één. Als er een juk aanwezig is, wordt dat op een vergelijkbare manier gevormd als de rest van het racket en toegevoegd. De buis wordt nu in een mal gelegd die weer in een pers wordt geplaatst. De druk in de ‘air bladder’ wordt nu zodanig verhoogd dat de buis tegen de mal wordt gedrukt en zijn definitieve vorm aanneemt. Temperatuur, druk en cyclustijd van dit proces hebben maxima van respectievelijk ongeveer 150oC, 200PSI en 30 minuten. Als het racket klaar is wordt het uit de mal gehaald en wordt eventueel overbodig materiaal verwijderd. Het racket heeft nu zijn definitieve vorm. Hierna volgt de afwerking: het racket wordt gelakt en de gaten voor de bespanning worden geboord. Er wordt nu een ‘pallet’ van polyurethaanschuim geplaatst. De laatste stap is het bevestigen van een bumper, ‘grommets’, eindkapje en een handgreep. De meeste meer exclusieve rackets worden zonder bespanning geleverd. De massa van zo’n compostietracket is ongeveer 125 tot 200 gram, een kaal frame weegt tussen de 95 en 170 gram. Het gebruikte materiaal heeft een vezelinhoud van 55 tot 60 volumeprocent. Aan de hars waarin de vezels worden gelegd, worden elementen als vloeibare elastomeren of stukjes rubber toegevoegd om de taaiheid te verhogen. Over het algemeen wordt ‘standard modulus’ koolstofvezel gebruikt, voor de zwaarste en goedkoopste frames wordt echter een mengsel van koolstof- en glasvezel gebruikt. In zeer lichte rackets wordt koolstofvezel met een zeer hoge E-modulus, of speciale vezels als ‘Hypercarbon’ gebruikt. 3.1.2 Aluminiumextrusie Aluminium rackets worden gemaakt voor de onderkant van de markt, ze zijn goedkoop en halen niet de eigenschappen van duurdere (koolstofvezel-) rackets. Voor het vervaardigen van deze rackets wordt (6000-serie) aluminium geëxtrudeerd, waarbij materiaal en doorsnede zijn aangepast aan de gewenste eigenschappen. Deze extrusieprofielen worden gebogen tot een racketvorm, waarbij de twee uiteinden het handvatgedeelte vormen. Als een juk (meestal gemaakt van een kunststof als Nylon) aanwezig is, wordt dit vastgezet. Vervolgens wordt het oppervlak afgewerkt, wordt het racket gelakt en worden de gaten voor de bespanning geboord. Daarna worden een handvat van hard polyurethaanschuim en de laatste onderdelen (bumper, eindkapje) geplaatst. 3.2 Vroegere productietechnieken en materialen In het verleden zijn (squash-) rackets gemaakt van: hout, metaal, aluminium, korte-vezelgevulde kunststoffen en vezelversterkte kunststof. Van deze vervaardigingsmethoden worden vervaardiging uit aluminium-extrusieprofielen en vervaardiging uit vezelversterkte kunststof matten op dit moment nog gebruikt. Een methode die vooral in het verleden gebruikt werd, is spuitgieten uit korte-vezelversterkte kunststoffen. Deze methode wordt hieronder beschreven 3.2.1 Spuitgieten Hiervoor worden kunststoffen gevuld met korte vezels gebruikt, meestal met Nylon als basis en koolstof-, kevlar-, of glasvezels als vulling. Deze vezels worden veelal in combinaties gebruikt, naar gelang de gewenste eigenschappen. De vezels worden verspreid in het gesmolten


5


Scriptie


1999

basismateriaal en gespuitgiet in een gekoelde mal. Het hangt van het racketontwerp, de haalbare spuitdruk en dergelijke eigenschappen af hoeveel rackets per drukgang gespoten kunnen worden. Na het spuitgieten wordt overbodig materiaal verwijderd, worden mogelijke oppervlaktefoutjes hersteld en wordt het racket gelakt, ten slotte worden losse elementen als bumper en eindkapje bevestigd. Net als aluminium rackets halen spuitgietrackets niet dezelfde prestaties in stijfheid en massa als de nieuwste rackets. Verder worden de maatvoering en complexiteit van het racket beperkt door de beperkingen van het spuitgietproces. 3.2.2 Fabricage van een spuitgegoten composietracket. Begin jaren tachtig is door Dunlop een proces bedacht, om een tennisracket van composietmateriaal te kunnen spuitgieten. Omdat het composiet wordt spuitgegoten kunnen alleen korte vezels worden gebruikt. Het proces is afgeleid van de verloren was-methode en verloopt als volgt. In de spuitgietmatrijs wordt een gegoten kern gelegd van bismuth-tin, vervolgens wordt om deze kern heen het composietmateriaal gegoten. Na het spuitgieten wordt de kern uit het racket gesmolten. Het materiaal van de kern wordt opgevangen in een oliebad en kan gebruikt worden voor een nieuwe kern. Vervolgens wordt het racket volgespoten met polyurethaanschuim dat zorgt voor een goede schokbestendigheid en voor een goede gewichtsverdeling. Onderstaande figuur 1 illustreert dit proces.

Figuur 1

Ten opzichte van fabricageprocessen waarbij met de hand composietmateriaal wordt aangebracht, heeft dit proces als voordelen dat het sneller, nauwkeuriger en minder arbeidsintensief is. Nadeel is echter dat de vezeloriëntatie bij deze techniek niet goed te controleren is, terwijl dat bij de fabricagetechniek waarbij gebruik gemaakt wordt van matten wel mogelijk is. 4. NIEUWE MOGELIJKHEDEN In de onderstaande paragrafen staan verschillende nieuwe mogelijkheden om squashrackets te maken, uitgelegd. Afhankelijk van het onderwerp ligt de nadruk op een fabricageproces of een materiaal. De meeste oplossingen zijn echter combinaties van materialen en processen. 4.1 In Situ-schuimen In Situ schuimen is een nieuwe fabricagemethode om sandwich-panelen te maken. Deze methode is recentelijk ontwikkeld aan de faulteit Lucht- en Ruimtevaart (Provó Kluit, 1997). De normale manier om dit soort panelen te maken is om twee platen te verbinden met een ander tussenmateriaal. Dit betekent dat dit soort panelen tijdrovend is om te fabriceren. In Situgeschuimde panelen worden echter anders gefabriceerd. Tussen de twee deklagen worden verscheidene films gelegd die geïmpregneerd zijn met een middel dat bij hitte gas produceert (een blaasmiddel). Deze sandwich wordt op elkaar geperst en verhit tot een bepaalde, voor het blaasmiddel geschikte, temperatuur. Na het verhitten en persen worden de twee platen langzaam van elkaar getrokken. Het materiaal waarmee de films geïmpregneerd zijn veroorzaakt schuimvorming tussen de twee deklagen, het materiaal gaat koken. Deze schuimvorming is zo te controleren dat een, uit sterkte-oogpunt ideale, honingraatstructuur wordt benaderd. Deze productiemethode is veel minder arbeidsintensief en bewerkelijk dan de conventionele methode. De materialen die gebruikt worden voor In Situ-schuimen zijn in eerste instantie PEI, later ook polypropyleen (PP). Andere polymeren zijn geprobeerd, maar hebben tot nu toe geen resultaat opgeleverd. De vormen die bereikt kunnen worden met het proces zijn vrij beperkt. In eerste instantie zijn alleen vlakke platen gemaakt, later zijn ook gekromde platen vervaardigd. Er is een oplossing voor meer ingewikkelde vormen, maar die bestaat nog slechts in theorie. Als In Situ-schuimen al geschikt is te maken voor rackets, zal dat niet binnen afzienbare tijd zijn.


6


Scriptie


1999

4.2 UHMWPE-vezels (waaronder Dyneema) UHMWPE staat voor Ultra High Molecular Weight Polyethylene. Er worden vezels van dit materiaal vervaardigd door AlliedSignal (Spectra®), DSM (Dyneema®), Tenfor (Snia®), en Mitsui (Tekmilon®). De moleculaire formule van deze polymeer is hetzelfde als gewoon polyethyleen, maar het materiaal is significant anders vanwege het erg hoge moleculaire gewicht, dat 10 tot 100 keer hoger is dan gewoon polyethyleen. Het hoge moleculaire gewicht resulteert in fysische eigenschappen die in menig opzicht kunnen concurreren met glasvezel, koolstofvezels en aramidevezels. De vezels hebben een hoge sterkte per gewicht, uitstekende slijtage-bestendigheid, uitstekende bestendigheid tegen vermoeiing en een hoge impactbestendigheid. UHMWPE-vezels kunnen gebruikt worden in de meeste commerciële matrixharsen zoals vinylesters, epoxy’s en polyesters. De chemische eigenschappen van deze vezels zorgen er echter voor dat er meestal een slechte verbinding tussen vezel en hars ontstaat. Hierdoor worden de eigenschappen die men zou verwachten als men kijkt naar de vezeleigenschappen, niet gehaald. Er zijn verschillende oppervlaktebehandelingen uitgeprobeerd om dit te verhelpen, maar die hebben slechts weinig commercieel succes gehad. De vezels worden op dit moment gebruikt in toepassingen waarbij ze geen deel uitmaken van een dragende structuur. Een ander probleem van UHMWPE vezels is de kruip. UHMWPE vezels moeten niet gebruikt worden in toepassingen waarbij hogere temperaturen dan 87°C voorkomen. Hetzelfde geldt in situaties waarbij, zelfs op kamertemperatuur, een langdurige belasting wordt aangebracht. De kruip kan in 90 uur oplopen tot een waarde van 10% wanneer op kamertemperatuur een belasting van 30% wordt aangebracht. 4.3 Zylon Zylon is ontwikkeld door SRI International, een non-profit organisatie die gericht is op het ontwikkelen van innovatieve technologie. De chemici van SRI hebben onlangs een nieuwe klasse "high performance" polymeren, de zogenaamde PBZ’s, gepatenteerd. De technologielicensie voor de commercialisering is verleend aan DOW Chemical, dat zijn aandeel vervolgens heeft verkocht aan Toyobo (één van de grootste kunstvezelproducenten in Japan). Zylon is ook wel bekend onder de naam PBO, afgeleid van de chemische naam poly(p-phenylene-2,6benzobisoxazole). De vezels worden verkregen uit het PBO polymeer door middel van een proces, dat dry-jet-wet spinning wordt genoemd. Naast een lage massa heeft Zylon de volgende voordelen: Zylon heeft de hoogste snijweerstand van alle bestaande polymeren, het is sterker dan staal en ongeveer twee keer zo sterk als Kevlar. Zylon combineert exceptioneel hoge sterkte, slijtageweerstand en impactbestendigheid. Het wordt onder meer toegepast in zeildoek, fietsbanden, tennisrackets en in allerlei hittebestendige kleding. 4.4 GLARE / ARALL (Fibre Metal Laminates) GLARE wordt gefabriceerd door AKZO en SLC (joint venture van AKZO, Alcoa en de faculteit lucht- en ruimtevaart van de TU Delft, waar het materiaal is ontwikkeld). GLARE is opgebouwd uit dunne laagjes aluminium, met daartussen laagjes glasvezel. ARALL is vergelijkbaar met GLARE, bij ARALL zijn in plaats van glasvezels aramidevezels gebruikt. GLARE en ARALL worden geproduceerd door eerst het aluminium plaatmateriaal in de gewenste vorm te buigen, waarna de glasvezels of aramidevezels er met epoxy tussen worden gelijmd. Een squashracket van GLARE zou dus op deze manier moeten worden gemaakt, wat nogal bewerkelijk is. Een andere fabricagemethode is uitgesloten omdat GLARE niet kan worden geëxtrudeerd en ook niet kan worden vervormd. GLARE heeft als positieve eigenschappen, dat het goed bestand is tegen vermoeiing, dat het een gunstige prijs-prestatie(=gewicht) verhouding heeft en dat het goed bestand is tegen schokken. Door de positieve eigenschappen van het materiaal te benutten kunnen constructies tot 20 % lichter worden gemaakt. Als negatieve eigenschappen van GLARE kunnen worden genoemd: de prijs is 10 keer hoger dan die van conventioneel aluminium. Dit hoeft geen belemmering te vormen voor een highperformance squashracket. Daarnaast is de stijfheid ca. 65 Gpa. Dit wijkt niet zoveel af van de stijfheid van normaal aluminium en is veel lager is dan die van composieten. Hierdoor valt GLARE al af als materiaal voor een high-performance squashracket. Er wordt gewerkt aan een variant van GLARE, waarin geen glasvezels maar koolstofvezels worden gebruikt. Dit materiaal wordt waarschijnlijk stijver dan GLARE, maar er is verder nog niks over bekend. Momenteel


7


Scriptie


1999

wordt GLARE vooral toegepast in vliegtuigonderdelen en in enkele explosie- en vuurbestendige constructies. 4.5 Andere materialen Andere materialen die gebruikt kunnen worden voor het produceren van squashrackets, zijn de ‘high performance organic fibres’. Deze kunstvezels kunnen in vijf groepen worden verdeeld: Aramidevezels Polyethyleen vezels Liquid crystal polyestervezels. PBO (Zylon) M5 In onderstaande paragrafen worden deze groepen gedetailleerder uitgelegd. 4.5.1 Aramidevezels In deze groep vallen onder andere Twaron, Kevlar en Technora. Ze worden gefabriceerd met het in onderstaande figuur geïllustreerde dry jet-wet spinning proces. Kevlar is een para-aramide vezel, is afkomstig van Du Pont en werd in 1972 op de markt gebracht. Kevlar heeft als goede eigenschappen, dat het een hoge treksterkte heeft, een lage breukrek en een grote stijfheid, verder heeft het een goede slijtagebestendigheid en taaiheid. Het word ondermeer toegepast in banden, rompen van zeiljachten en sportartikelen. Twaron is door Akzo Nobel in 1985 op de markt gebracht en lijkt in veel opzichten op Kevlar. Het heeft als positieve eigenschappen een laag gewicht, een hoge sterkte, hoge stijfheid, een goede demping en een goede slijtagebestendigheid. Het word door Akzo aangeboden in de vorm van draden en matten. Huidige toepassingen van Twaron zijn onder meer in helmen, vliegtuig- en helikopteronderdelen , hockeysticks, ski’s, snowboards, tennisrackets en hoge druk-vaten. Technora heeft ten opzichte van de andere Aramidevezels een betere buigbestendigheid.Het wordt sinds 1987 geproduceerd door Teijin. Het word onder andere toegepast in de bespanning van tennisrackets. Aramidevezel van Hoechst. Aramidevezels hebben over het algemeen als nadeel, dat ze niet zo goed bestand zijn tegen buigen en schuren (langs oppervlakken) 4.5.2 Polyethyleen vezels Tot deze groep behoren onder meer Spectra, Dyneema, Tekmilon en Certran. Ze worden geproduceerd met een proces, dat gel spinning wordt genoemd. Spectra was de eerste variant van de polyethyleen vezels en is door het Amerikaanse bedrijf Allied Signal op de markt gebracht. Eigenschappen van deze vezel zijn onder meer een hoge sterkte bij een laag gewicht en een lage breukrek. Deze vezel wordt onder meer toegepast in touwen, sportartikelen en zeildoek. Dyneema: Een broertje van Spectra, maar dan geproduceerd door DSM. Deze vezel staat in meer detail boven vermeld. Tekmilon: Polyethyleen vezel van Mitsui Petrochemicals. Certran: Wordt geproduceerd door Hoechst Celanese. Ook Certran wordt onder meer toegepast in touwen, zeildoek en sportartikelen. Voordelen van deze groep vezels ten opzichte van de aramidevezels is dat ze een hogere sterkte / gewicht-verhouding hebben. Als nadeel hebben ze dat ze kruipgevoelig zijn en dat ze moeilijk te gebruiken zijn bij processen als spuitgieten, doordat ze bij hoge temperaturen veel van hun sterkte verliezen. 4.5.3 Liquid Crystal Polyester vezels In deze categorie vallen onder meer Vectran, Ekonol en Xydar. Vectran: Vectran is een vezel gemaakt van aromatisch polyester. Vectran wordt vervaardigd via melt spinning uit Vectra Liquid Crystal polymeer. Het is een produkt van Hoechst Celanese en kan onder andere worden toegepast in touwen en kabels, zeildoek, golfclubs, voorvorken van fietsen, ski’s en tennisrackets. Als voordelen heeft het een hoge E-modulus (stijfheid), een goede buigbestendigheid, een goede demping van vibraties, een goede kruipbestendigheid en een goede schuurbestendigheid.


8


Scriptie


1999

4.5.4 PBO Onder de naam Zylon wordt PBO momenteel door Toyobo op de markt gebracht. Deze vezel staat in paragraaf 4.3 in meer detail uitgelegd. 4.5.5 M5 Dit is een vezel, die zich nog in de ontwikkelingsfase bevindt bij Akzo Nobel en nog niet commercieel beschikbaar is. Ten opzichte van andere vezels blinkt deze vezel vooral uit in weerstand tegen drukspanning. Volgens Akzo kan deze vezel een drukspanning aan van 1450 tot 1600 Mpa, terwijl voor andere vezels maximaal 300 Mpa haalbaar is. Andere goede eigenschappen zijn het lage gewicht en de grote sterkte en stijheid. Verder heeft M5 het een lage breukrek (1,5 %). Akzo denkt onder andere aan toepassingen in drukvaten, side impact protection-balken in auto’s en in sportartikelen, zoals golfclubs, tennisrackets en hockeysticks. Voor de toekomst zou dit materiaal dus zeer geschikt kunnen zijn voor een squashrackets, op dit moment heeft het echter nog weinig zin om een racket te ontwerpen met een materiaal dat nog niet verkrijgbaar is. 5. KEUZE DEFINITIEF MATERIAAL EN PROCES 5.1 Eisen aan het squashracket Aan een squashracket worden door verschillende partijen verschillende eisen gesteld. Zo zullen de eisen, die door een recreatieve squashspeler, een professionele squashspeler of een fabrikant van squashrackets worden gesteld, op veel punten niet hetzelfde zijn. In deze scriptie hebben wij er voor gekozen de eisen van de professionele squashspelers centraal te stellen. De reden hiervoor is dat we een racket willen maken waar de nadruk ligt op een zo hoog mogelijk prestatieniveau. Hier volgt een rijtje met eisen, die we na een aantal interviews met professionele spelers (via internet) hebben opgesteld: het squashracket moet zo licht mogelijk zijn. het squashracket moet zo stijf mogelijk zijn. het squashracket moet goed te hanteren zijn, wat wil zeggen dat het racket de speler een zo groot mogelijke controle over zijn spel biedt. het squashracket moet een zo groot mogelijke "sweet spot" hebben. het racketframe moet bestand zijn tegen de grote krachten, die er mogelijk tijdens het gebruik in wedstrijden, op werken. (krachten op de bespanning rekenen we niet tot ons gebied van onderzoek) Sommige van deze eisen conflicteren waarschijnlijk met elkaar en daarom zal in ons uiteindelijke ontwerp tussen sommige eisen waarschijnlijk de beste middenweg moeten worden gezocht. Verder is er een aantal voorwaarden, die het ISF (International Squash Federation) in haar reglementen aan een squashracket stelt. In ons ontwerp, zullen we ook hiermee rekening moeten houden. Deze voorwaarden luiden als volgt: Het racket mag maximaal 686 mm lang zijn Het racket mag maximaal 215 mm breed zijn Het racket mag een maximaal bespannen oppervlak van 500 cm2 hebben De breedte van het frame mag niet meer dan 7mm zijn. De hoogte van het frame mag niet meer dan 26 mm zijn. Het racket mag niet meer dan 255 gram wegen. Het racket mag bij contact met de grond of wand geen strepen of krassen achterlaten. De totale racketconstructie moet symmetrisch zijn ten opzichte van een lijn die verticaal door het centrum van de top van het racket naar het handvat loopt, als je het racket van voren bekijkt. Deze eisen zullen gebruikt worden voor het kiezen van het meest geschikte nieuwe materiaal voor een squashracket.


9


Scriptie


1999

5.2 Materiaalkeuze Er zijn verschillende factoren die invloed hebben op hoe een squashracket aanvoelt en presteert (gewicht, gewichtsverdeling, balans, kopvorm, besnaringspatroon, enz.). De voorkeuren van de spelers bepalen hoe die factoren gewaardeerd worden. De voor de keuze gebruikte factoren zullen hieronder verduidelijkt worden. 5.2.1 Sterkte en stijfheid Het racket moet zo stijf mogelijk zijn. De meeste rackets van tegenwoordig zijn gemaakt van een koolstofcomposiet, sommige bezitten zelfs titanium verstevigingsschachten. Een speler die speelt met een racket dat flexibel is verliest over het algemeen kracht en controle. 5.2.2 Massa De massa van het racket is erg belangrijk. Niet elke speler stelt een erg licht racket op prijs. Sommige spelers geven de voorkeur aan een lagere massa met een smal blad, andere spelers hebben liever een topzwaar racket met een gemiddelde massa. Sommige spelers kunnen meer kracht genereren met een lichter racket, andere slaan de bal beter met een zwaarder racket. Bij dit racket is geprobeerd om de massa zo laag mogelijk te houden. Squashrackets wegen meestal tussen de 120 and 200 gram. De meeste nieuwe modellen wegen tussen de 120 and 150 gram. 5.2.3 Kruipgedrag Het kruipgedrag van de composiet heeft belangrijke gevolgen voor de duurzaamheid van een squashracket. De bespanning in het blad zorgt voor een constante hoge belasting, waardoor kruip een belangrijke faaloorzaak wordt. 5.2.4 Impactbestendigheid De levensduur van het racket is ook afhankelijk van de impactbestendigheid. Dit is de mate waarin een composiet bij plotselinge zeer zware belasting (bijv. tegen de muur slaan) energie op kan nemen zonder te beschadigen. De delen van het racket die het meeste in contact komen met de muur zijn het meest kwetsbaar. Dit zijn de bovenkant van het frame, aan beide zijden ongeveer halverwege de bocht van het frame. Over het algemeen is eerst een haarscheur te ontdekken, die groter wordt na contact met de muur of vloer, waarna het racket breekt en niet meer bespeelbaar is. Af en toe breekt het racket bij de ‘throat area’, de overgang van handvat naar het blad, maar dat is zeldzaam. 5.2.5 Slijtagebestendigheid Squashrackets slijten tijdens intensief gebruik vrij snel. Het racket komt vaak in aanraking met de vloer en de muur of het racket van de tegenspeler. 5.3 Mogelijke alternatieven Er zijn twee mogelijke oplossingsrichting bekeken. Zylon: De high-performance polymeer van Toyobo. Dyneema: de UHMWPE-vezel van DSM. Beide materialen staan uitgebreider beschreven in hoofdstuk 4. 5.4 Keuzecriteria Om het gewicht te minimaliseren met het behoud van stijfheid en sterkte moet het juiste materiaal gekozen worden. Het gaat hier vooral om ‘Stiffness-limited design at minimum mass’, minimale massa bij begrensde stijfheid en ‘Strength-limited design at minimum mass’, minimale massa, maar nu met begrensde sterkte. Uit de tabel van prestatieparameters (M.F. Ashby & D. Cebon 1996) is af te leiden wat er gemaximaliseerd moet worden om het beste materiaal te kiezen. Hierbij is het racket vereenvoudigd tot een balk die op buiging wordt belast. Er zijn drie mogelijkheden: onbepaalde breedte en gespecifideerde hoogte; onbepaalde hoogte en gespecifideerde breedte; onbepaalde oppervlak van de doorsnede en gespecificeerde vorm van de doorsnede.


10


Scriptie


1999

5.4.1 Breedte vrij Als de breedte onbepaald wordt gekozen dan moet E/dichtheid gemaximaliseerd worden om een zo hoog mogelijke stijfheid bij een zo laag mogelijk gewicht te krijgen. Een maximale sterkte per gewicht wordt bereikt σ f /ρ te maximaliseren. Dit zou betekenen dat het racket zo breed mogelijk zou kunnen gemaakt worden. Daar zitten beperkingen aan. Een te breed racket zou hinderlijk kunnen zijn bij het squashen. De luchtweerstand wordt te groot bij het slaan. B

B

5.4.2 Doorsnede vrij Als de doorsnede onbepaald wordt gekozen dan moet E 1/2 /dichtheid en σ f 2/3 /ρ maximaal worden gekozen. Dit zou betekenen dat het racket zo hoog mogelijk gemaakt zou kunnen worden. P

P

P

P

5.4.3 Hoogte vrij Als de hoogte onbepaald wordt gekozen dan moet E 1/3 /dichtheid en σ 1/2 /ρ maximaal worden gekozen. Dit zou betekenen dat het racket zo hoog mogelijk zou kunnen gemaakt worden. Daar zitten beperkingen aan. Een te hoog racket zou hinderlijk kunnen zijn bij het squashen. De bal kan dan tegen de rand komen en een verkeerde kant op gaan. In onderstaande tabel staan de belangrijke kentallen vermeld. P

E/ρ

σ/ρ

E

1/2 P

P

/ρ

σ

2/3 P

P

/ρ

E

1/3 P

P

/ρ

/2

σ /ρ P

P

P

P

P

Breuksterkte(σ f )

EModulus

Kruip

Dichtheid (ρ)

Gpa

Gpa

%

g/cm3

B

B

Zylon

179

3.72

10.73

2.07

4.19

1.54

5.8

280

2.5

1.56

Dyneema

113

3.61

10.81

2.38

4.94

1.93

3.5

110

3.5

0.97

Kevlar

131

1.93

9.51

1.37

3.96

1.15

2.8

190

2.4

1.45

Nomex

123

0.47

9.45

0.54

4.01

0.58

0.65

170

22

1.38

Steel Fiber

26

0.36

1.81

0.25

0.75

0.21

2.8

200

1.4

7.8

Carbon Fiber

131

1.99

8.62

1.31

3.48

1.06

3.5

230

1.5

1.76

Polyester

11

0.80

2.81

0.77

1.79

0.76

1.1

15

25

1.38

Breedte vrij

Doorsnede vrij

hoogte vrij

Tabel 1 Kentallen voor racketontwerp

5.4.4 Sterkte en stijfheid Als de breedte vrij gekozen kan worden is het beter om Zylon te kiezen. Maar een breed racket zal moeilijker door de lucht te bewegen zijn door de luchtweerstand. Als de doorsnede of de hoogte vrij gekozen wordt is Dyneema de betere oplossing. 5.4.5 Kruip In de tabel is te zien dat de kruip van Zylon langzamer verloopt dan bij aramidevezels (Kevlar). De kruip van Dyneema is groter, dit kan grote problemen opleveren. Er moet rekening worden gehouden met het feit dat zowel aramide, als Dyneema, als Zylon nooit los kunnen worden toegepast in het blad (wel in de steel), aangezien kruip dan snel tot vervorming zal leiden. Een combinatie met koolstof kan kruip sterk afremmen. Ook kan er een combinatie met titanium gemaakt worden. 5.5 Keuze Zowel Zylon als Dyneema hebben goede eigenschappen. Dyneema is net iets beter wat betreft de stijfheid en sterkte maar heeft een te hoge kruip. Als de kruip tot een aanvaardbaar niveau is terug te brengen, is Dyneema een geschikt materiaal. Op dit moment legt Dyneema het op grond van de slechte kruipeigenschappen en de slechte bestandheid tegen druk echter af tegen Zylon. Hieronder volgt nog een tabel met gegevens over het combineren van beide vezels met Carbon en Titanium. De verschillende eigenschappen zijn verkregen door de volumeprocenten van het materiaal te vermenigvuldigen met de materiaaleigenschappen. De uitkomsten zijn eigenschap-


11


Scriptie


1999

pen van een materiaal dat bestaat uit de twee homogeen verdeelde stoffen. Er is geen rekening gehouden met het feit dat bijvoorbeeld een Titanium kern, met daar omheen Zylon of Dyneema, gebruikt wordt. Daarnaast wordt geen rekening gehouden met de vezeloriëntatie. E/σ σ f /σ E 1/2 /σ σ f 2/3 /σ E 1/3 /σ σ f 1/2 /σ σ f B

B

P

P

B

PB

P

P

P

B

PB

P

B

B

E

Kruip σ

GPa Gpa %

g/cm

P

Zylon+Carbon

3 P

Verdeling Zylon

Carbon

133

2,07 8,71

1,35

3,51

1,09

3,6

233 1,6

1,75

0,05

0,95

135

2,14 8,81

1,38

3,55

1,11

3,7

235 1,6

1,74

0,1

0,9

154

2,80 9,62

1,68

3,82

1,30

4,7

255 2,0

1,66

0,5

0,5

174

3,53 10,50

1,99

4,12

1,49

5,6

275 2,4

1,58

0,9

0,1

177

3,62 10,61

2,03

4,15

1,52

5,7

278 2,5

1,57

0,95

0,05

Dyneema+Carbon

Dyneema Carbon 130

2,03 8,70

1,34

3,53

1,09

3,5

224 1,6

1,72

0,05

0,95

124

1,99 8,39

1,31

3,42

1,06

3,5

218 1,7

1,76

0,1

0,9

125

2,56 9,55

1,69

4,06

1,37

3,5

170 2,5

1,37

0,5

0,5

116

3,34 10,53

2,20

4,73

1,78

3,5

122 3,3

1,05

0,9

0,1

115

3,47 10,67

2,28

4,83

1,85

3,5

116 3,4

1,01

0,95

0,05

Zylon

Titanium

Zylon+Titanium 25

1,67 2,29

0,84

1,04

0,60

7,9

117 1,1

4,71

0,05

0,95

28

1,71 2,46

0,86

1,10

0,61

7,8

125 1,2

4,55

0,1

0,9

60

2,14 4,33

1,13

1,80

0,82

6,9

194 1,8

3,22

0,5

0,5

139

3,18 8,57

1,75

3,39

1,30

6,0

263 2,4

1,89

0,9

0,1

157

3,42 9,54

1,89

3,75

1,41

5,9

271 2,4

1,73

0,95

0,05

Dyneema+Titanium

Dyneema Titanium 23

1,66 2,22

0,84

1,02

0,60

7,8

108 1,1

4,68

0,05

0,95

24

1,68 2,32

0,86

1,06

0,61

7,6

108 1,3

4,49

0,1

0,9

37

1,97 3,57

1,10

1,63

0,82

5,8

109 2,3

2,93

0,5

0,5

81

2,90 7,70

1,84

3,52

1,46

4,0

110 3,3

1,36

0,9

0,1

94

3,20 8,99

2,06

4,11

1,66

3,7

110 3,4

1,17

0,95

0,05

Tabel 2: Het combineren van verschillende vezels

De tabel geeft aan voor welke doorsnede (zie ook tabel 5.1) de optimale stijfheid/dichtheidsverhouding en sterkte/dichtheidsverhouding wordt bereikt. Uit de tabel blijkt dat: 5% Carbon met 95% Zylon het beste is voor een doorsnede waarbij de breedte onbepaald is. 5% Carbon met 95% Dyneema het beste is voor een doorsnede waarbij de hoogte of de doorsnede onbepaald is. Dit is geen schokkende conclusie want de eigenschappen worden op deze manier vrijwel alleen bepaald door Dyneema en Zylon zelf. Een combinatie met Carbon zou zeer goed kunnen. De kruip die Dyneema veroorzaakt neemt ook niet schrikbarend af. Uit de tabel blijkt verder dat een combinatie met titanium geen goede oplossing is. De stijfheid/dichtheidsverhouding en sterkte/dichtheidsverhouding liggen een stuk lager. Vooral bij hoge percentages. Een combinatie met Titanium is af te raden. Voor de vraag of Dyneema toepasbaar is in squashrackets, is de hulp ingeroepen van dhr. Van Gorp, die werkzaam is als R&D-manager bij DSM. Hij meldde dat Dyneema tot nu toe in


12


Scriptie


1999

composiettoepassingen moeilijk toepasbaar is gebleken. De compressiesterkte van Dyneema is laag, waardoor het in het composiet niet bijdraagt aan de buigstijfheid. de impactbestendigheid van het composiet neemt door het Dyneema toe. Verder vertelde hij dat er tennisrackets zijn gefabriceerd met Dyneema. Deze rackets werden gemaakt op basis van koolstof vlechten die vervolgens in een mal werden geïnjecteerd, in de vlecht waren enkele draden Dyneema verwerkt. Deze rackets worden inmiddels niet meer geproduceerd. Dyneema zou op basis van zijn eigenschappen beter in motorhelmen kunnen worden toegepast. Over Zylon was bij DSM minder informatie. In een door dhr. Van Gorp gemaakte vergelijking tussen Dyneema en Zylon, zou Dyneema impactbestendiger en slijtagevaster zijn, Zylon zou weer minder kruip- en temperatuurbeperkingen hebben. Hieruit blijkt dat Dyneema voor een squashracket geen goede oplossing is doordat de problemen met kruip niet op te lossen zijn. Zylon voldoet veel beter aan de eisen en wordt daarom gekozen als materiaal voor het nieuwe squashracket. 6. ASPECTEN VAN HET GEKOZEN ALTERNATIEF Hieronder wordt beknopt een aantal aspecten van het gekozen alternatief, Zylon, nader bekeken. Het gaat om de aspecten ‘dimensionering’, ‘materiaal’ en ‘fabricage’. 6.1 Materiaal Uit de voorgaande hoofdstukken blijkt dat Zylon een zeer geschikt materiaal vormt voor squashrackets. De materiaaleigenschappen zijn beter dan die van koolstof en het materiaal biedt de mogelijkheid om een nieuwe stap te zetten in de ontwikkeling van squashrackets. Zylon heeft een grotere sterkte bij een lagere massa, een van Zylon vervaardigd racket zal daarom een kleinere wanddikte nodig hebben dan een van koolstof vervaardigd racket. Dit houdt tevens in dat er meer vrijheid is om de doorsnede de ideale vorm te geven. Een Zylon racket zal door de grotere sterkte bij een gelijke massa lichter kunnen zijn dan de huidige koolstofvezel-rackets. Het racket kan lichter gemaakt worden aangezien de sterkte bij de huidige rackets niet verbeterd hoeft te worden en aangezien de focus van ons proces ligt op het optimaliseren van de massa. 6.2 Fabricage Zylon wordt in verschillende vormen aangeboden (zie figuur 6.1 en 6.3). Om te helpen bij het kiezen welke vorm het meest geschikt is voor een squashracket, is het nuttig naar vergelijkbare producten te kijken. Er zijn enkele tennisrackets gemaakt van dit materiaal, dat gebruikt werd in de vorm van vezels (zie figuur 6.2). Deze materiaalvorm zullen we ook toepassen voor ons squashracket. De fabricagemethode die op dit moment toegepast wordt voor rackets gemaakt van koolstofvezel, is zeer geschikt om dit materiaal te verwerken. Deze methode staat beschreven in paragraaf 3.1 onder ‘vezelversterkte kunststof’. Deze fabricagemethode is zeer arbeidsintensief en daardoor duur. De resultaten zijn echter beter te controleren dan bij andere methoden omdat de vezeloriëntatie is aan te passen aan de vereiste eigenschappen. Dit past bij onze doelstelling een zo goed mogelijk racket te maken, ongeacht de prijs. 6.3 Dimensionering Door de gebruikte fabricagetechniek krijgt het blad van het racket een ronde holle doorsnede, wat erg gunstig is voor de stijfheid/gewicht verhouding. De dimensionering van het racket zal verder niet veel verschillen van bestaande vezelversterkte kunststof (koolstof) rackets. De stijfheid/gewichtverhouding en sterkte/gewichtsverhouding van Zylon (als het racket vereenvoudigd wordt tot een balk) is hoger dan bij Carbon. Dit geldt zowel bij: Onbepaalde breedte en gespecificeerde hoogte; Onbepaalde hoogte en gespecificeerde breedte; Onbepaald oppervlak van de doorsnede en gespecificeerde vorm van de doorsnede. Met een eindige elementen pakket zou eventueel de dimensionering geoptimaliseerd kunnen worden.


13


Scriptie


1999

6.4 Het Zylon squashracket in punten Het gekozen alternatief heeft in het kort de volgende eigenschappen: Gemaakt van Zylon; Zylon gelijke sterkte bij lagere massa dan koolstof; Zylon racket lichter met behoud van andere eigenschappen (sterkte, stijfheid, etc.); wanddikte kleiner dan bij koolstof racket, dus meer vormvrijheid in doorsnede; gefabriceerd op dezelfde manier als koolstof racket (handmatige fabricage met vezelmatten). BRONNEN Literatuur Baer/Moet,’High Performance Polymers’,1991 Provó Kluit, P.W.C.,’The development of In-Situ Foamed Sandwich Panels’, afstudeerverslag faculteit Lucht- en Ruimtevaart, TUD, 1997 Weidmann e.a.,’Structural Materials’,1990 Wilson co.,’Overview of racquet manufacturing for Tennis, Racquetball, squash and Badminton racquets’ Wilson co.,’Making a Wilson tennis racquet.....from concept to competition

Internet Toyoba (Zylon) URL: http://www.toyobo.co.jp/e/seihin/kc/pbo/index.htm Dupont (Kevlar) URL: http://www.dupont.com/afs/ Dow chemical URL: http://www.dow.com/homepage/index.html Hoechst-Celenese (Vectran) URL: http://hoechst.com/ World Squash Federation URL: http://www.squash.org/wsf/ Internet Squash federation URL: http://www.squash.org/ DunlopURL: http://www.dunlopsports.com/RacquetFront.htm Black Knight URL: http://www.bksquash.com/ Wilson URL: http://www.wilsonsports.com/ Prince URL: http//www.princesquash.com Racquet Research URL: http://www.raquetresearch.com NASA (GLARE) URL: http://www.nasa.gov/ IBM patenten site URL: http://www.womplex.ibm.com/ Europese Octrooibureau URL: http://www.european-patent-office.org/index.htm Personen Doctor R. Jones, Doctor R. Jones is gespecialiseerd in onderzoek op het gebied van sportartikelen, [email protected] Egbert van Gorp, R&D manager bij DSM, deskundig op het gebied van Dyneema, [email protected] Bob Bourgonje, Student L&R heeft onderzoek naar GLARE gedaan. Dave Repetto, Technical Center Manager, Wilson sportin goods company Paul Brogna, Professioneel squashspeler David Perry, Professioneel squashspeler


14


Scriptie IDE442 MATERIALISEREN 1999 SQUASHRACKET. P.L.J. de Heus, M.B.D. Beun, T.S.G. Veldman & M.M.G. van Dijk Begeleider: L.H. Langeveld

Recommend Documents