Prototípus gyártás
Gépjármû kerék-terhelésmérõ mérleg gyártása szálerõsítésû polimerbõl HATALA MÁRK* tanszéki mérnök
SIMON ZOLTÁN* egyetemi tanársegéd
1. Bevezetés A hazai közutak állapota (nyomvályúk kialakulása és kátyúk képzõdése) jelzi, hogy nagyszámú túlsúlyos (a megengedettnél nagyobb kerék-, illetve tengelyterheléssel rendelkezõ) jármû közlekedik rajtuk. A gazdasági kár jelentõs, emellett növekszik a balesetek kockázata, az állandó útjavítások pedig rendszeresen forgalmi torlódásokat okoznak. Egy amerikai jelentés szerint, egy 40 tonna össztömegû jármû amortizáló hatása 9600 átlagos személygépkocsi hatásával egyenértékû [1]. A túlsúlyos jármûvek kiszûrésére az útügyi hatóságok hordozható és fix telepítésû mérlegek használatát írták elõ. Cikkünkben bemutatjuk a BME POLIMERTECHNIKA TANSZÉK-en elkészített alacsony – kb. 40 mm – építési magasságú, telepíthetõ, illetve hordozható elektronikus, kompozit anyagú mérleg kifejlesztését a tervezéstõl a gyártáson keresztül az alkalmazásig. 2. Célok A kompozit mérleggel szemben támasztott legfõbb követelmények a következõk voltak: – legyen alkalmas fúvott gumiabronccsal ellátott gépjármûvek kerék- és tengelyterhelésének mérésére, – minimális karbantartást igényeljen, – egy személy által legyen mozgatható, ezért a teherfelvevõt úgy kell kialakítani, hogy azt bárhogyan, bármilyen irányból megfogva kézzel lehessen szállítani, – méretek: 520×850×40 mm (menetirány szerinti hossz/szélesség/magasság), – süllyesztékben és sík útfelületre helyezve is használható legyen, – névleges terhelhetõsége 10 tonna legyen, – törési biztonsága a névleges terhelhetõség másfélszerese legyen, – a mérlegcella cserélhetõ legyen, – a mérõcella teherfelvevõvel érintkezõ felülete a lehetõ legnagyobb legyen a felületi terhelés miatt, – minimális lehajlás maximális terhelésnél. A fentiek alapján a terv a következõ volt: – a mérlegtest polimer mátrixú kompozit anyagból
*BME
138
készüljön, a nemzetközi normáknak megfelelõen ergonomikus és könnyû legyen, – a mérlegtest és a digitális kijelzõ közötti kommunikáció kábel nélkül, rádiós adatátvitellel történjen, – a mérleg névleges maximális terhelése 10 t, pontossága a –10…+50°C hõmérséklet tartományban legyen kisebb ±50 kg-nál. 3. Felhasznált anyagok Elõkísérleteinkhez üveg-, aramid- és szénszálat használtunk. Az üveg- és aramidszál kisebb rugalmassági modulusza miatt nem sikerült kellõen merev mérleglapot létrehozni, csak a szénszál vezetett megfelelõ eredményre. Mivel viszonylag nagy vastagság elérése volt a cél, ezért nagyobb négyzetmétersúlyú szénkelmét választottunk, mert az lényegesen olcsóbb, mint a finom szövet. Annak érdekében, hogy ez ne okozzon magasabb gyantatartalmat – ezáltal alacsonyabb száltartalmat –, egyirányú (unidirekcionális) kelmét használtunk. Az unidirekcionális szálelrendezés további elõnye, hogy a rétegeket elforgatva irányíthatók a laminát mechanikai jellemzõi, és a nem hullámos, egyenesen futó szálak miatt jobbak a laminát dinamikus mechanikai jellemzõi is. Erõsítõanyagként a ZOLTEK RT. Panex 35 típusú, 50k-s, folyamatos szénszál rovingból készült unidirekcionális kelméjét alkalmaztuk,mely egy irányban lefektetett szén rovingokból áll, ezeket egymás mellé 34 tex finomságú E-üveg és 76 dtex finomságú poliészter fonal rögzít, a kötõanyaga epoxi por. Az elõkísérletek során többféle gyantát használtunk, végül epoxigyanta mellett döntöttünk. Az epoxigyanták érzékenyek a munkatér hõmérsékletének változására, ám lényegesen jobban kézben tartható fazékidejük, mint pl. a poliészter gyantáké. Megfelelõ térhálósító alkalmazásával a fazékidõ 10–12 óra is lehet, ami alatt már szinte bármilyen méretû és geometriájú termék elkészíthetõ. A gyártási idõ és költségek csökkentése érdekében minél kisebb viszkozitású gyantát választottunk, aminek a felhasználhatósági ideje különbözõ térhálósítókkal jól szabályozható. Mindezen követelményeknek a HAVEL COMPOSITES LH 160 epoxi gyanta a Ha 136 térhálósí-
Polimertechnika Tanszék
2008. 45. évfolyam, 4. szám
tóval tett eleget. A fazékidõ 6–7 óra, az exoterm hõmérsékletcsúcs 50–60°C, ha szobahõmérsékleten megy végbe a térhálósodás, akkor a teljes kikeményedés 24 óra. 4. Gyártástechnológia A mérleglap lehetõ legnagyobb merevsége érdekében minél magasabb száltartalomra, minél alacsonyabb pórustartalomra és reprodukálható minõségre kell törekedni. E követelmények, valamint a lemez geometriai kialakítása miatt az injektálás és a prepreg fektetés jöhet szóba, ám a prepreg eljárás lényegesen költségesebb, ezért vákuuminjektálás mellett döntöttünk. A szerszámba erõsítõanyag rétegeket fektettünk, majd lezártuk, és vákuumszivattyú segítségével a térhálósítóval összekevert gyantát a szerszámüregbe juttatjuk. Alapvetõen két módszert különböztethetünk meg. Az egyik esetben mindkét szerszámfél merev (pl. alumínium, kompozit), a másik és gyakoribb eljárásnál pedig csak az egyik szerszámfél merev, a másik szerszámfél valamilyen rugalmas anyag, pl. vákuumfólia. A vákuuminjektálásos eljárás vázlata az 1. ábrán látható.
san erre a célra kifejlesztett, poliamidból készült, ún. tépõszöveten felépítettük a száraz szénszálas erõsítõkelmébõl a kívánt rétegrendet. A rétegfelépítés meghatározásakor fõ szempont volt, hogy a mérleglap szimmetrikus rétegrendû, kvázi izotrop tulajdonságú legyen. A rétegek szélén helyeztük el a perforált gyantavezetõ csatornát, amibe az injektálás folyamán két helyen tápláltuk be az epoxi mátrixanyagot. Az erõsítõrétegek tetejére tépõszövetet terítettünk. Elhelyeztük a vákuum egyenletes eloszlását, illetve a mátrixanyag áramlását segítõ polipropilén vliest és hálórétegeket. Az elszívó csonkokat a termék hosszanti szimmetria tengelyére pozícionáltuk. A vákuumfóliával lezárt szerszámból vákuumszivattyúval kiszívtuk a levegõt, majd a gyanta bevezetõ csöveken keresztül bejutattuk a mátrixanyagot. A térhálósodást követõen a szerszámot szétbontottuk (eltávolítottuk a termékrõl a tépõszövetet és a speciális hálókat), majd az utótérhálósítás következett (5 óra 60°C-on). A gyártás során nem lehet a szükséges geometriai méreteket pontosan beállítani, ezért a termékbõl oldalanként kb. 10–15 mm-t még le kellett munkálni. 5. Vizsgálatok
1. ábra. A vákuuminjektálás általános elrendezése [3]
A mátrix a száraz erõsítõanyagot tartalmazó zárt szerszámüregbe szívódik. A gyantafront a nyomáskülönbség hatására az elszívócsonk felé tart és a szálak között rekedt légzárványokat magával viszi a gyantacsapdába. A gyártáselõkészítés egyik fontos lépése az elszívó csonkok számának meghatározása, azok megfelelõ pozícionálása, amit a termék mérete és geometriája jelentõsen befolyásol. A gyantabetáplálás egészen addig tart, amíg az elszívó csonkoknál kiáramló gyanta buborékmentes nem lesz, ekkor az injektálás befejezettnek tekinthetõ. Fûthetõ, speciális szerszámok esetében ilyenkor hõ hatására a térhálósítás felgyorsítható és az utótérhálósítás a szerszámban is történhet. A mátrixanyag térhálósodását követõen a szerszám nyitható, amelybõl rendszerint egy – még utómegmunkálást igénylõ – félkészterméket vehetünk ki. Az általunk alkalmazott egyoldali, merev szerszám egy 20 mm vastag üveglap volt. A síklapra PET fóliát erõsítettünk, amelyre formaleválasztó pasztát hordtunk fel, majd políroztuk a felületet. Közvetlenül a fóliára a gyanta terjedését elõsegítõ hálót terítettünk. A speciáli-
2008. 45. évfolyam, 4. szám
A mérleglap feszültségállapotának és egyéb paramétereinek modellezéséhez próbatesteken vizsgáltuk az anyagtulajdonságokat. Mérésekkel ellenõriztük továbbá a végeselemes modellezés pontosságát is. Kézi laminálással, illetve vákuuminjektálással készített próbatesteken sûrûséget, száltartalmat, vastagságot és felületi tömeget mértünk. A kézi laminálással készült, egy irányban erõsítõanyagot tartalmazó próbatesteket szakítottuk, a [03/903/452/–452/0/90/45/–45]S rétegfelépítésû, injektált lemezbõl kivágott próbatesteket pedig hárompontosan hajlítottuk. 5.1. Sûrûség és száltartalom meghatározás A sûrûség meghatározásához a próbatestek tömegét levegõn, majd alkoholba (etanol) merítve mértük, a kapott értékekbõl az (1) egyenlet alapján határoztuk meg a sûrûséget: ρ kompozit =
mlevegõ mlevegõ − m alkohol
·ρ alkohol
(1)
A vákuuminjektált próbatestek sûrûsége 1,46 g/cm3nek adódott. A száltartalmat a mátrixanyag kiégetésével határoztuk meg (2a. ábra) az ASTM D 2584 szabvány alapján [4], melynek során az epoxigyanta kb. 650°C-on kiég a nagy hõállóságú szálak közül (2b. ábra). A vizsgálat kezdetén mért kompozit minta tömegének, illetve a mátrix kiégetése után visszamaradt erõsítõanyag tömegének arányából számítható a tömegre vo-
139
2. ábra. A mátrixanyag kiégetése (a), a minta kiégetés elõtt (b) és után (c)
natkoztatott száltartalom, majd a szénszál és a kompozit sûrûségének ismeretében a térfogati száltartalom: ϕ=
ρ kompozit ρ szál
·
m szál m kompozit
(2)
A kézi laminálással készült próbatestek száltartalma ϕ = 35,4 térfogat%, míg az injektálással készült hajlító próbatestek száltartalma ϕ = 40,1 térfogat% volt. 5.2. Szakító- és hajlítóvizsgálatok A kézi laminálással készült, unidirekcionális erõsítésû próbatesteket a rétegjellemzõk vizsgálatához használtuk. A kompozit száltartalma, valamint a szál és a mátrix rugalmassági moduluszának ismeretében, a keverési szabály alapján kiszámítottuk a kompozit szálirányú rugalmassági moduluszát: Ekompozit = Eszálϕ + Ematrix(1 – ϕ)
(3)
Szakítóvizsgálatokkal ellenõriztük, hogy a számítás mennyire pontosan írja le az anyag valódi viselkedését. A mintákat az ISO 527-4 szabvány alapján, Zwick Z 020 univerzális szakítógépen, 2 mm/perc terhelési sebességgel szakítottuk, a nyúlást Zwick BW 40220 videoextenzométerrel határoztuk meg. Az eredmények alapján megállapítottuk, hogy a szénszál esetében nem számolhatunk az adatlapjában szereplõ 242 GPa-os rugalmassági modulusszal, ehelyett 180 GPa-t célszerû használni a modellezésnél. A végeselemes modellezéshez szükséges E2 rugalmassági moduluszt, az ezzel járó keresztkontrakciót jellemzõ ν21 Poisson-tényezõt és a G12 csúsztató rugalmassági moduluszt – a szakirodalmi [2] értékek alapján határoztuk meg. A vákuuminjektált lemezekbõl két irányban kivágott próbatesteket hárompontos hajlítással vizsgáltuk, ahol a két irány a kompozit felsõ rétegével párhuzamos (0°), illetve arra merõleges (90°) volt. Az MSZ EN ISO 14125 szabvány szerint, 2 mm/perc terhelési sebességgel dolgoztunk. Az alátámasztási távolság a vastagság ~20-szorosa, 206 mm, a próbatestek névleges szélessége b = 56 mm volt (3. ábra). 140
3. ábra. Erõ-lehajlás diagram
A kezdeti szakaszt leszámítva a görbe lineáris, emiatt lineáris analízis alkalmazható a végeselemes modellezéskor. A terhelõerõ-lehajlás karakterisztika ismeretében a [03/903/452/–452/0/90/45/–45]S rétegrendû injektált próbatestek hajlító rugalmassági modulusza 46,6 GPa (0° jelû minta), illetve 32,9 GPa (90° jelû minta) volt. 6. Végeselemes modellezés A végeselemes modell (VEM) alkalmazhatóságának és megbízhatóságának vizsgálatához a hárompontos hajlítást modelleztük, és ezt a kísérleti eredményekkel öszszevetettük. A mért és modellezett lehajlások eltérése minimális (<5%) volt, tehát a modell megfelelõ pontossággal írja le a próbatest valós viselkedését. A VEM célja a termék deformációjának csökkentése, melyhez a következõ lehetõségeket vizsgáltuk: anyagtulajdonság javítása, vastagság növelése, a cellák számának és elhelyezésüknek, illetve a rétegrend optimálása. A modell geometriája megegyezett a mérlegtest méreteivel, azaz 850×520 mm felületû téglatesttel. 6.1. Anyagtulajdonság A kompozit rendszerek mátrixanyagainak tulajdonságai nincsenek jelentõs hatással a kétfázisú rendszer mechanikai teljesítõképességére. Ezzel ellentétben az erõsítõszálaké meghatározók. Megvizsgáltuk, hogy a kereskedelmi forgalomban kapható, jobb mechanikai teljesítõképességû erõsítõszálak alkalmazása esetén milyen lehajlás csökkenés érhetõ el. Eredményeink szerint, a szál rugalmassági moduluszának növelése arányosan csökkenti a deformációt, de a többszörös ár miatt ez nem kifizetõdõ. Kompozit rendszereknél az erõsítõanyag tulajdonságain kívül annak adott térfogatban elfoglalt hányada (térfogategységre vonatkoztatott száltartalom) is meghatározó. A vákuuminjektálásos technológiával elérhetõ
2008. 45. évfolyam, 4. szám
maximális száltartalom ~40–45 térfogat%, míg RTM, prepreg fektetés esetén elérheti a ~60–65 térfogat%-ot is. Ezekhez a high-tech technológiákhoz jó minõségû, más kiszerelésû erõsítõanyagok (pl. prepreg) tartoznak. Mindezek következménye, hogy a termék ára magas, így az nem lehet versenyképes a piacon. 6.2. Vastagság A vastagság hatásának vizsgálatából kiderült, hogy alacsony fajlagos elõállítási költségnövekedés mellett jelentõs merevségnövekedés érhetõ el. Ennek ismeretében úgy döntöttünk, hogy az elsõ munkaszakaszban vizsgált lapok vastagságát megduplázzuk, így kb. 20 mm vastag lappal dolgozunk tovább. Ez azt jelentette, hogy az eredeti [03/903/452/–452/0/90/45/–45]S rétegfelépítés helyett [06/906/454/–454/02/902/452/–452]S rétegrendet alkalmaztunk. 6.3. Cellák száma, illetve elhelyezése
1. táblázat. Különbözõ típusú modellezési módszerek Modell típusa A B
Mért lehajlás, mm 3,32 4,05
Számított lehajlás, mm 2,79 4,62
6.4. Rétegfelépítés A rétegrend optimálása során mindkét terheléstípusra adott lehajlás választ vizsgáltuk. Amennyiben a két terhelési esetet nézzük, akkor a [06/906/454/–454/02/902/ 452/–452]S rétegrend nem adhat kellõ merevséget, hiszen a külsõ rétegek a mérleg hosszanti irányával párhuzamosak, ebben az irányban a cellák középpontjainak távolsága 370 mm, míg a rövidebb oldalnál 410 mm ez a méret. Ezt a feltevésünket megvizsgálva felcseréltük a 0, illetve 90 fokos rétegeket a laminátban, azaz [906/06/454/ –454/902/02/452/–452]S rétegrenddel számoltunk. A VEM szimuláció a következõ eredményeket mutatta: ‘A’ típus 2,34 mm, ‘B’ típus 4,96 mm. Annak ellenére, hogy a ‘B’ típus lehajlás értéke kicsit nagyobb volt, a lehajlás eloszlását a teljes felületen megjelenítve megállapítottuk, hogy a [906/06/454/–454/902/02/452/–452]S rétegrend alkalmasabb a mérlegtest felépítéséhez. Természetesen létezhet olyan rétegfelépítés, ami merevebben viselkedik, de figyelembe kell venni azt is, hogy a gyártás során 0 vagy 90 foktól eltérõ szálirányú rétegek kivágása meglehetõsen bonyolult, hosszú ideig tart és a vágási hulladék is több. A mérleglap összeállításakor a mérlegcella helyeket marással kell kialakítani a mérlegtestben (4. ábra). Ez merevségcsökkenéssel jár, a csökkenés mértékét az eddig alkalmazott modell nem képes még megközelítõen sem jelezni, ehhez kísérletekre volt szükség.
A végeselemes szimulációk elsõ lépéseként négy mérlegcellát használtunk, amelyek elhelyezkedése nagymértékben befolyásolja a lehajlást. A cellákat a lap széleitõl a lap közepe felé mozgatva jelentõs merevségnövekedés érhetõ el. Amennyiben a cellák középpontját úgy helyezzük el, hogy a mérõcella széle a mérlegtest szélével egy síkba essen, illetve attól 40–40 mm-re legyen, akkor az azonos terhelési szint mellett mérhetõ lehajlás a felére csökken. Ezzel együtt a lap stabilitása is romlik. Fel- és lehajtáskor ugyanis a lap széleire ható terhelés miatt a nem megfelelõen alátámasztott mérleg felbillenhet, ezért a gyakorlatban erõsen korlátozott a merevség növelésének ezen módja. Négy mérõcellát alkalmazva már 4 tonna terhelésnél is meglehetõsen nagy a mérlegtest deformációja. A modellezett érték ~16 mm volt, a mérlegcella ilyen nagy elfordulásnál nem képes pontos értéket mérni. 7. Merevség és pontosság vizsgálata Figyelembe véve, hogy a mérlegtest vastagságát toA teljes méretû, 20 mm vastag, 6 erõmérõ cellával vább nem növelhettük, hat mérõcellát építettünk be. Ez felszerelt, kimunkált mérlegtest vizsgálata során valós a megoldás még mindig jóval költséghatékonyabb, mint terhelési körülményekre törekedtünk, így a terhelést más típusú erõsítõanyag (prepreg vagy jobb mechanikai minden esetben egy 270 mm átmérõjû körfelületen kejellemzõkkel bíró szénszál) beszerzése. A hat mérlegcelresztül vezettük be a mérlegtestbe a modellezés során isla alkalmazása felveti azt a problémát, miszerint a várhamertetett kétféle módon (5. ábra, 2. táblázat). tó legnagyobb deformációt nem a mérlegtest középen, A mérlegtest az erõmérõ cellák pontos mûködése hanem a félméretû mérleget (425×520 mm) a közepénél terhelve kapjuk. Így a végeselemes modellezés két terheléstípusra vált szét: a teljes méretû mérlegtestet középen (‘A’ típus), illetve a félméretû testet középen terhelõ (‘B’típus) variációkra. 5 tonna terhelõerõnél a mért és modellezett eredményeket az 1. táblázat foglalja össze. Az eredmények ismeretében hat mérõ4. ábra. A mérlegcellák helyének kialakítása marással cella alkalmazása mellett döntöttünk. 2008. 45. évfolyam, 4. szám
141
5. ábra. A végleges, szerelt mérleglap terheléspróbája a kétféle mérési elrendezéssel
2. táblázat. Szerelt mérleglap terhelés-lehajlás értékei és a mérleggel meghatározott terhelések Valós terhelés, t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
‘A’ típus
‘B’ típus
Lehajlás, mm
Cellákkal mért terhelés, t
Lehajlás, mm
Cellákkal mért terhelés, t
0,00 2,20 3,30 3,90 4,20 4,60 5,00 5,40 5,86 6,30 6,70
0,00 0,99 1,97 2,94 3,93 4,92 5,92 6,90 7,89 8,87 9,86
0,00 1,47 2,29 3,05 3,78 4,45 5,11 5,78 6,37 7,00 7,60
0,00 0,99 1,98 2,98 3,98 4,97 5,97 6,96 7,96 8,96 9,96
8. Összefoglalás Egy, a piacon még nem kapható újszerû terméket állítottunk elõ. Sikeresen továbbfejlesztettük a vákuuminjektálás egyik változatát, ugyanis ilyen vastagságban és ekkora felületen a hagyományos injektálás nem hatékony. Próbatesteken meghatároztuk a modellezéshez szükséges anyagjellemzõket. A modellezés alapján megfelelõ rétegfelépítésû, vastagságú és száltartalmú készterméket gyártottunk. A mérlegtestre erõmérõ cellákat szereltünk valós üzemi körülmények között teszteltük (6. ábra). A mérleg pontosságát egy független vizsgáló laboratórium kalibrációs vizsgálati jegyzõkönyve is alátámasztja [5].
Munkánkat a GVOP 3.1.1-2004-05-0439/3.0 számú pályázat támogatta. Ezúton köszönjük meg a KALIBER MÛSZER ÉS MÉRÉSTECHNIKA KFT., az ENERGOTEST DIAGNOSZTIKAI ÉS AUTOMATIZÁLÁSI KFT. és a BME POLIMERTECHNIKA TANSZÉK dolgozóinak segítségét. Irodalomjegyzék
6. ábra. Terhelésteszt üzemi körülmények között
mellett – a vizsgálati eredmények alapján – biztosítja a kellõ merevséget .
142
[1] Department of Homeland Security Daily Open Source Infrastructure Report for 12 September 2007, www.globalsecurity.org [2] Kollár, P.; Springer, G., S.: Mechanics of Composite Structures, Cambridge University Press, Cambridge, 2003. [3] Simon, Z.: Laminált polimer kompozit lapok feszültség–deformációs mechanizmusának elemzése különös tekintettel a méret- és szerkezethatásokra, PhD dolgozat, BME Polimertechnika Tanszék, Budapest, 2007. [4] Rácz, Zs.: Egy irányban erõsített kompozit rudak hajlító karakterisztikájának és tönkremeneteli folyamatának elemzése, PhD dolgozat, BME Polimertechnika Tanszék, Budapest, 2006. [5] Összefoglaló szakmai beszámoló, GVOP 3.1.1-2004-050439/3.0, Kompozit mérleg
2008. 45. évfolyam, 4. szám
