Kungliga Tekniska Högskolan Examensarbete 07-06-13

Utvärdering av tillverkningsmetoder för kompositmaterial inom marinindustrin

Kajsa Lindblad 073-4230730 kajsal@kth.se

1

Förord Först och främst vill jag tacka mina handledare på FMV, Anders Lönnö och Fredrik Lindblom som gjort detta examensarbete möjligt. Vidare vill jag tacka LÄSS-projektet och Sicomp för material, rådgivning och att jag fick tillverka mina sandwichkonstruktioner hos er. På Sicomp vill jag speciellt tacka Runar Långström och Kurt Olofsson. Jag vill också tacka DIAB för kärnmaterial mm som användes till panelerna. Kajsa Lindblad Stockholm 070502

2

Abstract

Comparative study of different manufacturing methods for composite materials for applications within the marine industry Different manufacturing methods for composite materials have been studied. The methods that are commonly used today for the marine industry are described and also new methods that are being introduced to the market that can be useable for shipbuilding. The aim is to find the optimal combination between good quality, mechanical properties, good process ability and low cost for composites within the marine industry through comparing different manufacturing methods. The different methods that has been studied and compared in this report has been chosen because they were suitable for ships building which often includes manufacturing large structures in one piece. The following methods has been studied:

o Different types of vacuum infusion o UV-curing material processes o RTM light o Low temperature prepreg o Resin Film Infusion like Sprint and Zpreg o Quickstep

After comparing these methods some were chosen for practical manufacturing and mechanical testing. In the table below an overview of the process ability and usefulness the marine industry could have of the chosen methods compared to the material cost and the results from the mechanical testing. Metod Usefulness Material cost Mechanical testing Vacuum infusion UV-curing VTM prepreg Sprint Zpreg

Overview of the tested methods, green (good) – red (bad/low). The comparative study gives a mutual correct comparison the different of manufacturing methods and further comparative studies should be carried out. The comparative study has mainly been focused on the material costs and manufacturing part of producing composites. The choice of manufacturing method shouldn’t be based only from manufacturing of the composite. The whole life cycle analysis should be considered when choosing method

3

because a more durable component gives a lower cost in the LCA, this has not been considered in this report. Three methods, vacuum infusion, RFI and LTM prepreg have proven to be useful for manufacturing of marine components. Vacuum infusion with grooved cores and infusion with distribution medias have good process ability for ships building. Low temperature prepreg and RFI where better quality is achieved though with a higher material cost are also useful. The choice between these three methods is determined by what result is to be achieved compared to the material cost, this is not a linear relationship.

4

Sammanfattning Målet är att hitta den optimala kombinationen mellan rationell produktionsteknik, god kvalité, goda mekaniska egenskaper och låg kostnad för komposit/sandwichmaterial inom marinindustrin genom att undersöka och jämföra olika tillverkningsmetoder. De olika tillverkningsmetoderna som studeras och jämförs i rapporten har valts ut då de kan vara lämpade för skeppsbyggnad som vanligen kräver stora konstruktioner. Därmed har flera metoder som kan klara detta vid fartygsproduktion valts ut:

• Olika typer av vakuuminjicering • UV-härdande materialprocesser • RTM light • Lågtemperatur prepreg • Resin Film Infusion som Sprint och Zpreg • Quickstep

Tillverkning och mekanisk provning har utförts för att praktiskt jämföra ett urval av metoderna. Tabellen nedan ger en översikt av vilken producerbarhet och användning marinindustrin kan ha av de prövade metoderna vid tillverkning relaterat till materialkostnaden och resultaten vid den mekaniska provningen. Metod Användbarhet Materialkostnad Resultat vid provning Vakuuminjicering UV-härdande VTM prepreg Sprint Zpreg

Översikt av testade metoder, grönt fält (god)–gult fält (medel)–rött fält (dålig). Jämförelserna i denna studie ger en rättvisande bild mellan metoderna och fortsatta studier bör göras på detta jämförande sätt. Val av metod borde inte ses så kortsiktigt som bara under tillverkningen. Om materialen i komponenten håller bättre blir det mindre kostnader i reparationer och underhåll. Kostnader för hela produktens livscykel bör tas hänsyn till vilket inte tas upp i denna rapport. The metoder uppfyller kraven: vakuuminjicering, RFI och LTM prepreg enligt denna studie. Vakuuminjicering med spårad kärna och olika flödesskikt är mycket användbart för fartygsindustrin. Lågtemperaturprepreg och RFI där högre kvalité uppnås mot ett högre materialpris är också mycket användbara. Valet mellan dessa tre tillverkningsmetoder avgörs av vilket resultat som är önskvärt att uppnå i förhållande till materialkostnaden, detta beroende är dock inte linjärt.

5

Bakgrund till flödesschemat På följande sida redovisas ett flödesschema som ger en översikt av tillvägagångssätt och producerbarhet av metoderna vid tillverkning. Andra parametrar som kvalitet, kostnader och arbetsmiljö redovisas också. Flödesschemat är till för att på ett lättare sätt ge en övergripande bild av examensarbetet i korthet. Färgfält sätts efter hur komplicerat varje steg är med respektive metod. Grönt fält innebär att det är lätt, gult medel och röd svårt. Vitt fält används då detta steg ej behöver utföras vid tillverkning med metoden.

Flödesschema över tillverkning och processrelaterade parametrar

Metoder Investering Serieeffekt Material Lager Förberedelser Sandwich

Form, personalutbildningsgrad, ugn, vakuumutrustning

Processmaterial, komponentmaterial RT / frys

upptining av material Tillkapning

Applicering av material Bagning

Tillverkning av konstruktion

Vakuuminjicering

LTM prepreg

Handlaminering

RFI

Light RTM

UV-härdande

Metoder Impregnering Härdning Efterhärdning Avformning Spillmaterial Arbetsmiljö Kvalitet Montering

Ingöt, utgöt, läckage

Temperatur / UV-ljus

Tidigare gjord investering i ugn Rengöring Hållfasthet

V I

LTM pp

Handlamin.

RFI

Light RTM

UV

7

Innehållsförteckning

Förord ......................................................................................................................................... 1 Abstract ...................................................................................................................................... 2 Sammanfattning ......................................................................................................................... 4 Bakgrund till flödesschemat....................................................................................................... 5 1. Inledning................................................................................................................................. 8 2. Läsförslag till rapporten ......................................................................................................... 9 3. Val av studerade tillverkningsmetoder................................................................................... 9 4. Vakuuminjicering................................................................................................................. 10

4.3 Beskrivning av olika vakuuminjiceringsmetoder.......................................................... 18 4.4 Jämförande av vakuuminjiceringsmetoder..................................................................... 25

5. UV-härdande materialprocesser ........................................................................................... 28 6. Light RTM............................................................................................................................ 33 7. Lågtemperatur prepreg ......................................................................................................... 37 8. Resin film infusion (RFI) ..................................................................................................... 43

8.3 Sprint .............................................................................................................................. 46 8.4 Zpreg .............................................................................................................................. 46

9. Quickstep.............................................................................................................................. 49 10. Jämförelse av tillverkningsmetoderna................................................................................ 51 11. Materialkostnader............................................................................................................... 54 12. Tillverkning av provpanelerna ........................................................................................... 56

12.5 Tillverkning av provpanel med Sprint ......................................................................... 58 12.6 Tillverkning av provpanel med Zpreg.......................................................................... 60 12.7 Tillverkning av provpanel med VTM Prepreg............................................................. 63 12.8 Tillverkning av provpanel med Co-injicering.............................................................. 64 12.9 Tillverkning av provpanel med UV-härdande vinylester............................................. 67

13. Provning ............................................................................................................................. 71 13.1 Paneltryckprov ............................................................................................................. 72 13.2 Vibrationstest ............................................................................................................... 75 13.3 Trepunktsböjning med kort balk .................................................................................. 78 13.4 Fiberhaltsmätning......................................................................................................... 80 13.5 Mikroskopering av provpanelernas laminat ................................................................. 81

14. Slutsatser ............................................................................................................................ 85 15. Flödesschema över tillverkningsmetoderna ....................................................................... 87 Bilaga 1: Ordlista ..................................................................................................................... 92 Bilaga 2: Detaljerade testresultat.............................................................................................. 93 Bilaga 3: Metod, vibrationstest ................................................................................................ 95

8

1. Inledning Denna rapport är ett examensarbete på 20 veckor som omfattar olika tillverkningsmetoder för komposit/sandwichmaterial. Rapporten är uppdelad i ett litteraturstudieavsnitt där olika tillverkningsmetoder beskrivs. Beskrivning av metoderna omfattar tillvägagångssätt vid tillverkning, metodens processbarhet, materialkostnader samt för- och nackdelar med metoden. Även parametrar som rör den färdiga kompositens kvalité som mekaniska- och fysikaliska egenskaper beskrivs. Sedan följer ett avsnitt om praktisk tillverkning och mekanisk provning av kompositlaminat med tillverkningsmetoder som kan vara intressanta för marinindustrin. Där redovisas tillverkningssätt och resultat av tillverkningen. Genomförandet av olika typer av provning beskrivs och resultaten redovisas och diskuteras. Målet är att hitta metoder som ger bättre genomförande och resultat hos komponenten som tillverkas genom att i rapporten undersöka och jämföra olika tillverkningsmetoder. Mål som eftersträvas inom LÄSS-projektet (lätta konstruktioner till sjöss) är lägre kostnader, lättare konstruktioner som ger mindre materialåtgång och lägre bränslekostnader, högre hållfasthet, bättre säkerhet framför allt brandsäkerhet samt uppfylla miljökrav för både produkten och tillverkningen. Med fiberkompositer kan man tillgodose dessa önskade egenskaper med det stora valet av materialparametrar och olika typer av tillverkningsprocesser som kan användas för att på bästa sätt uppfylla kraven. För att uppnå ovanstående mål för LÄSS måste marinindustrin ges möjlighet att hitta bättre tillverkningsmetoder, där vissa båttillverkare fortfarande använder metoder som spray-upp och handuppläggning, där kvaliteten på metoden beror mer på den enskilde tillverkarens skicklighet än metodens utformning. Vidare ger dessa metoder dåliga mekaniska egenskaper och även arbetsmiljön är mycket dålig. Vanliga problem med dessa metoder är tjockleksvariationer, hög porhalt, låg fiberhalt och dålig ytfinish. Tyvärr finns en stor tröghet mot förändringar inom branschen. När en tillverkare hittat en metod som fungerar håller de ofta sig till den eftersom omställning till nya metoder ofta är kostsamt och nya materialsystem är initialt dyra eftersom efterfrågan på dessa då är liten. Liksom kunskap saknas även kännedom om nya produktionsmetoder. Detta är det största hindret till en snabbare utveckling inom marinindustrin som är mycket hårt styrd av att varven ska överleva ekonomiskt. Idag används generellt sandwichkonstruktioner för stora marina komponenter som skrov, däck och överbyggnader. Vid tillverkning av fartyg vakuuminjiceras oftast dessa konstruktioner. Vakuuminjicering är en relativt billig tillverkningsmetod, där utrustning och material har en låg kostnad. Den stora utgiften är arbetskraften då metoden är mycket arbetsintensiv i varje steg av processen. För mindre kostnadskänsliga produkter inom marinindustrin som tävlingssegelbåtar används tillverkningsmetoder med lågtemperaturprepreg och Resin Film Infusion för att uppnå bästa kvalitet och hållfasthet mot ett högt materialpris. Vid serieproduktion av fritidssegelbåtar används ofta formgjutningsmetoder och vakuuminjicering. Men vart är utvecklingen på väg och vilka tillverkningsmetoder är att föredra för att på ett effektivt sätt uppnå bästa möjliga önskade egenskaper? Ursprunget till denna rapport är att tillverkningsmetoder normalt inte jämförs på detta sätt. Olika tillverkningsmetoder för kompositmaterial jämförs ofta med om konstruktionen skulle ha tillverkats i metallmaterial eller gamla metoder som redan visat sig ge sämre tillverkningsförhållanden och resultat. Mer intressant vid omställning till en annan tillverkningsmetod är hur olika metoder som anses vara bra är i förhållande till varandra, inte hur de är jämfört med en sämre metod.

9

2. Läsförslag till rapporten Om något mer än sammanfattning, inledning och slutsatser ska läsas rekommenderas avsnitt om tillverkning och provning, kapitel 12 och 13. Dessa avsnitt kan läsas separat om grundläggande kunskap om kompositer finns. Även avsnitt om de olika tillverkningsmetoderna kan väljas ut och läsas separat beroende på intresse av olika metoder. Beskrivning av tillverkningsmetoder finns i kapitel 4-9.

3. Val av studerade tillverkningsmetoder

3.1 Begränsande faktorer vid val av metoder Vid skeppsbyggnad tillverkas ofta stora konstruktioner, detta medför vissa begränsningar tillverkningsmässigt. Därför har vissa metoder valts bort att studeras i denna rapport:

• Metoder som kräver höga temperaturer vid härdning är komplicerat och kostsamt för stora konstruktioner då det är svårt att uppnå hög och jämn temperatur i hela komponenten, tex högtemperaturhärdandeprepreg.

• Metoder som kräver användning av autoklav* vid tillverkning då detta innebär höga investeringskostnader och storleken är begränsad

• Formgjutningsmetoder som RTM kan vara oflexibla och begränsa komponentstorleken. Dessa metoder medför höga investeringskostnader för form vilket gör att många likadana komponenter måste tillverkas för att göra metoden lönsam.

• Metoder som ger dålig arbetsmiljö och mycket spillmaterial tex handuppläggning, spray-up och wet-preg.

• Metoder som ger dålig hållfasthet och ojämn kvalité hos färdig komponent Metoden bör vara lämpad för tillverkning av sandwichkonstruktioner då man inom LÄSS-projektet är intresserade av att konstruera/bygga en trupptransportbåt samt två överbyggnader till fartyg och färja i kompositmaterial med sandwichkonstruktion. Den jämförande studien syftar till att hitta den optimala kombinationen mellan rationell produktionsteknik, låg kostnad, goda mekaniska egenskaper samt god kvalité hos den färdiga produkten. Med utgångspunkt från detta och ovanstående begränsningar väljs intressanta tillverkningsmetoder ut, även hur lämpliga/möjliga metoderna är för produktion av fartyg tas med.

* Ord finns förklarat i ordlista

10

3.2 Tillverkningsmetoder som har studerats

Metod Beskrivs i kapitel: Olika vakuuminjiceringsmetoder 4 UV-härdande hartssystem 5 RTM light 6 Lågtemperaturhärdande prepreg 7 Olika typer av Resin Film Infusion 8 Quickstep 9

Tabell 1. Hänvisning till kapitel där tillverkningsmetoderna beskrivs.

• Vakuuminjicering kan användas vid tillverkning av mycket stora komponenter. Material-, processmaterial- samt investeringskostnaderna är låga. Olika metoder är injicering med spårad kärna, distributionsskikt, Quick Draw, co-injicering, FASTRAC, dubbla vakuumbagar och VAP.

• UV-härdande hartssystem kan vakuuminjiceras och har mycket korta härdningstider.

Matrisen kan även härdas vid önskat tillfälle. Finns både som vanlig matris och prepreg.

• Vid tillverkning med RTM light används billiga material även cykeltiderna är korta.

Kostnadseffektivt vid tillverkning kan ske i längre serier.

• Lågtemperaturhärdande prepreg ger hög hållfasthet och god repeterbarhet vid tillverkning. De lägre härdningstemperaturerna underlättar och gör det möjligt att tillverka stora komponenter.

• Resin Film Infusion (RFI) ger snabba uppläggningstider, god draperbarhet hos

materialet och hög hållfasthet. Går att tillverka stora komponenter. Vanligt förekommande typer för lågtemperaturhärdning är Sprint och Zpreg.

• Quickstep kan vara intressant för mindre detaljer. Metoden ger god repeterbarhet och

hög hållfasthet.

4. Vakuuminjicering Under de senaste åren har vakuuminjicering blivit en av de vanligaste tillverkningsmetoderna inom marinindustrin, då omställningen från handuppläggning till vakuuminjicering inte är allt för kostsam eller svår. Övergången till vakuuminjicering kan ske gradvis eftersom samma matriser och fibermattor kan användas i båda processerna. Metoderna kan även kombineras i samma komponent. En annan bidragande faktor är att kvalitetsskillnaden mellan metoderna är väldigt tydlig, då hållfastheten förbättrades avsevärt med porhalter på 3-4 % med handuppläggning sjönk till ungefär 0,5 % med vakuuminjicering och volymen fibrer i kompositen ökade från runt 30-40 % till 50-55 % [21]. Vakuuminjicering är en mycket mer repeterbar metod som kan ge samma resultat gång efter gång, medan kvaliteten på ett handupplagt laminat kan variera mycket från gång till gång beroende på vem som tillverkar komponenten.

11

Det finns många andra anledningar till varför just vakuuminjicering blivit mer som en standardtillverkningsmetod inom marinindustrin. Två viktiga anledningar är att användandet av metoden har förbättrat arbetsmiljön avsevärt och metoden kräver ingen avancerad eller dyr utrustning. Främst är det stora delar som skrov, däck och överbyggnader men även spant och andra mindre komponenter som tillverkas med metoden. Metoden möjliggör att stora komponenter snabbt och kostnadseffektivt kan tillverkas. De vanligaste problemen med metoden är att få matrisen att fullt impregnera fibrerna. Utvecklingen inom vakuuminjicering har drivits av att ta fram bättre och snabbare impregneringsmetoder, även minska mängden förbrukningsvaror som används vid tillverkning.

4.1 Beskrivning av metoden Vakuuminjicering är en sluten tillverkningsprocess. Formen som används är enkel dvs formen är öppen och kan vara plan, hon- eller hanform eller mer komplicerade geometrier. Generellt tillvägagångssätt för vakuuminjicering är enligt följande.

• Formen vaxas och förses med släppmedel. Fiber och eventuellt kärnmaterial placeras torrt i formen På fibrerna placeras vid behov en avrivningsväv

• Allt försluts med en vakuumbag, se figur 1. Bagens plast tätas mot formen med sk

hundkött. I hörn och vid in- och utgöt görs sk hundöron i vakuumbagens plast dvs veck i plasten för hörn och kanter i komponeneten. Ingöt för injicering av matris placeras ut. Vanligt bestående av en behållare med färdigblandad matris där det från behållaren går en plastslang upp till formen och in under kanten av bagen, där slangen tätas runt om med hundkött. En eller flera ingöt med matris kan användas. Även utgöt placeras ut i form av plastslangar som tätas med hundkött, dessa slangar går till en spillhink för överskottsmatris och vakuumpumpen.

• Med hjälp av vakuum evakueras luften ur vakuumbagen mha plastslangar från

utgöten. När önskat vakuumtryck nåtts hålls fibrerna under tryck ett tag för att luften helt ska hinna evakueras ut ur laminatet. En kontroll över att vakuumbagen är helt tät görs.

• Därefter öppnas ingöten i önskad ordning och matrisen sugs in i formen av

vakuumtrycket vid utgöten och impregnerar de torra fibrerna.

• När matrisen impregnerat fibrerna fullt låter man matrisen härda. Härdning sker oftast i rumstemperatur men ibland kan värme användas för att påskynda härdningen.

• När laminatet är genomhärdat stängs vakuumtrycket av och vakuumbagen med in- och

utgöt tas bort. Eventuell avrivningsväv dras av. Ibland efterhärdas kompositen för att höja komponentens tg (värmetålighet) beroende på tänkt applikationsområde.

12

Figur 1. Tillverkning med vakuuminjicering.

4.2-1 Allmänt om Processen Processen bygger på att någon typ av matrisdistribuering används för att göra metoden effektiv. Utan detta går injiceringen mycket långsamt vilket gör att bara mindre ytor kan injiceras innan matrisen börjar härda. Olika typer av skikt kan användas som mycket genomsläppliga nät där matrisen snabbare kan transporteras än genom fibrerna, beskrivs senare i detta kapitel. Detta gör att större ytor kan injiceras. Processen är relativt enkel och rättfram. Härdning kan ske vid rumstemperatur och med hjälp av bara vakuumtryck kan laminat med god kvalitet tillverkas. Utrustning som behövs är vakuumpump och förbrukningsvaror såsom plastslangar, spiralslangar, injiceringsflätor, vakuumbag, hundkött, avrivningsväv mm efter behov. Vid vakuuminjicering används mycket förbrukningsvaror som kasseras efter injicering. Även en del spillmatris som uppkommer och restmatris vid tillverkning slängs också. Detta ger relativt mycket avfall. För att minska mängden avfall har återanvändningsbara vakuumbagar börjat tas fram. En fördel är att materialsystemen som används har relativt låg kostnad jämfört med prepreg och RFI.

4.2-2 Materialmöjligheter vid tillverkning Val av armeringar är mer eller mindre obegränsat då de flesta olika fibrer och typer av vävar kan användas. En nackdel med torra fibrer är att vävarna lätt skjuvas vid uppläggning, fibrerna kan då få en något felaktig uppläggningsvinkel vilket påverkar hållfastheten hos materialet. Begränsningar vad det gäller val av matriser är beroende av viskositet då den måste vara tillräckligt låg för att kunna injiceras och impregnera fibrerna. För att kunna vakuuminjicera en matris får viskositeten inte överstiga 500 mPas. Vanlig viskositet på matriser som injiceras är 200-300 mPas, vilket är tillräckligt lågt för att matrisen ska flyta ut bra i formen och ge god impregnering av fibrerna. Det finns special hartser som har mycket lägre viskositet, så lågt som 20 mPas. För att få lägre viskositet kan matrisen värmas men då måste hänsyn tas till att detta påskyndar härdningsprocessen då molekylerna reagerar lättare vid högre värme. Kärnmaterial begränsas av vilken värme de klarar av. Vid härdning i vissa fall kan den exoterma processen hos matrisen utveckla hög värme. Formar gjorda av kärnmaterial isolerar vilket gör att mycket höga temperaturer uppnås som också måste tas hänsyn till vid

13

tillverkning. Ibland efterhärdas komponenten och då måste kärnmaterialet klara en högre temperatur under längre tid. Honeycomb material kan inte användas då kärnmaterialet vid injicering skulle fyllas med matris. När det gäller förbrukningsvaror såsom vakuumbagar finns de i en mängd antal bredder och tjocklekar för att passa den specifika produkten. Bredaste vakuumbagen är 10,5 m. Vakuumbagarna kan även svetsas ihop för att följa komplicerade former eller få extra bredd.

4.2-3 Injiceringshastighet Injiceringshastigheten vid vakuuminjicering avgörs av diametern på ingötet och vakuumtrycket. Impregneringshastigheten/flödeshastigheten genom laminatet beror på vakuumtrycket och motståndet i materialet dvs hur täta fibrerna är som matrisen måste ta sig igenom. Formfyllningstiden är direkt relaterad till matrisens viskositet, vilket avgör hur lång tid det tar att fylla formen.

4.2-4 Kvalitet Mekaniska och fysikaliska egenskaper som följd av metodens processbarhet bör bli enligt följande. Porhalt och fiberhalt blir generellt god och borde ge relativt goda värden på den specifika hållfastheten och delamineringsegenskaper. Eftersom matrisen härdar vid rumstemperatur ger det materialet relativt låga värden på tg. Värmetåligheten kan höjas hos materialet om komponenten efterhärdas. Fiberhalten i det färdiga laminatet bestäms av vakuumtrycket och kompaktionsgraden av fibrerna. Det är fördelaktigt med fullt vakuumtryck då högre tryck bidrar till högre fiberhalter. Används fullt vakuumtryck kan vissa matriser börja skumma och bilda massa små porer (koka). Vakuumtrycket påverkar hur mycket fibrerna trycks ihop. Men fibrerna går bara att kompaktera till en viss grad. Därför påverkar hur mycket fibrerna går att trycka ihop fiberhalten i laminatet. Det kvarstående mellanrummet mellan fibrerna vid kompaktering avgör hur mycket plats som matrisen kan fylla ut. Multiaxiella mattor kan kompakteras mera än vävda. Vanliga fiberhalter hos ett färdigt laminat som vakuuminjicerats är 50-55%, men fiberhalter upptill 65 % går att uppnå. Högre fibervolym leder dock till sämre permeabilitet, då mellanrummen mellan fibrerna är mindre. Detta kan leda till dålig impregnering av varje fiber med följd att hållfastheten försämras. Trycket kan variera över formen, se figur 2. Trycket är högre vid utgöten och lägst vid ingöten [8]. Oftast är denna tryckskillnad mindre betydande för resultatet hos det färdiga laminatet. Men små tjockleksvariationer förekommer då laminatet är något tunnare vid utgötet än ingötet. Exakt form och tjocklek på laminatet går inte att bestämma då det skulle behövas en dubbelsidig form men relativt nära går det ändå att bestämma pga vakuumtrycket. Detta gör att exakt vikt kan variera några procent mellan likadana komponenter som tillverkats på samma sätt. Även fiberhalten kan variera någon procent i samma laminat och mellan olika komponenter. Detta beror på lokala variationer i tryck och fiber kompaktering. Trycket varierar beroende på var in- och utgöt är placerade.

14

Figur 2. Tryckfördelning över laminatet. Figuren kommer från referens 8, sid 2.

Värmetåligheten, tg hos vakuuminjicerade produkter varierar relativt mycket beroende på vilken matris som används. Stor betydelse har också om produkten efterhärdas och under hur lång tid och vid vilken temperatur.

4.2-5 Metodens dimensionsmöjligheter och begränsningar Med vakuuminjicering kan mycket stora komponenter tillverkas. Matris från ett ingöt klarar att transporteras med hjälp av vakuumtryck ca 4-6 meter. Därför används vid injicering av långa sträckor flera ingöt efter sträckan för att göra injiceringen effektiv. Dessa placeras med fördel ut med 0,8 meters avstånd för att göra injiceringen möjlig och minska injiceringstiden då injiceringen går snabbt i början men avstannar mer och mer. Vid större injiceringar kopplas först ingötet som är längst från utgötet på och matrisen börjar flöda mot andra sidan när flödesfronten passerat nästa ingöt kopplas den på med matris och så vidare tills matrisen nått utgötet. Allt eftersom flödesfronten fortsätter kan de första ingöten stängas av. En injicering på 34 meter tar ca 6-7 timmar det betyder att i slutet av injiceringen har redan den del av laminatet som först impregnerades börjat härda då geltiden på matrisen vanligen är ca 1,5-3 timmar. Begränsningen i hur stora komponenter som kan tillverkas är mer utrymmesmässigt och praktiskt begränsande än vad metoden skulle kunna användas till eftersom injiceringen kan fortsätta efter att första delen av komponenten börjar gela och härda. Något exakt mått finns inte men ytor på ca 200 m2 är möjliga att tillverka. Injiceringen måste ske från den lägsta punkten till den högsta för att inte luft ska innestängas och bilda torrfläckar och porer. En laminattjocklek på upptill ca 55 mm tjocka eller ca 80 lager är möjlig att tillverka. Själva injiceringen av dessa laminat är inget problem. Vid injicering av tjocka laminat blir den exoterma processen mycket kraftig vilket resulterar i att temperaturen blir mycket hög i laminatet. Detta kan bli ett problem om kärnmaterialet inte tål den höga värmen eller matrisen inte hinner impregnera fibrerna helt innan viskositeten höjs pga att temperaturen påskyndar härdningen och matrisen börjar gela. För att undvika detta kan matris med längre härdningstid användas för att processen ska bli långsammare och utveckla mindre värme. Val av matris måste anpassas efter storleken och tjockleken av laminatet map vilken viskositet och geltid som behövs. Tjockare laminat är säkert möjliga att tillverka men vid större komponenter blir det troligen svårt med impregneringen. Vakuuminjicering kan användas till de flesta komponenter för marina applikationer. Hur komplicerade former hos en komponent som kan tillverkas avgörs av draperbarheten hos armeringen. Generellt har vävda mattor mycket god draperbarhet medan multiaxiella mattor är mindre draperbara. Draperbarheten hos de torra fibrerna är relativt god vilket medger att komponenter med varierande form kan tillverkas med bibehållen god kvalitet hos laminatet. Mycket komplicerade geometrier är däremot svårt. Det är svårt att få fibrerna att följa formen ut i hörnen ordentligt eftersom det inte finns någon yttre form som kan trycka ut fibrerna där om vinklarna är skarpa.

15

4.2-6 Hållbarhet Det finns ett stort utbud av tillverkare för fibrer och matriser. Kärnmaterial och fibervävar kan lagras i rumstemperatur och har inte något utgångsdatum. Matriser bör förvaras svalt och har en hållbarhet på mellan 1-2 år.

4.2-7 Serielängd Hela tillverkningsmetodens process är mycket arbetsintensiv, eftersom varje steg i processen kräver manuellt arbete. Investeringskostnaderna för tillverkning med vakuuminjicering är låg. Dessa faktorer gör metoden lämpad för korta till mellanlånga serier. Mindre komponenter kan vara lönsamma att producera i långa serier. Metoden är mycket lämpad för tillverkning av ett fartyg då inga dyra investeringskostnader finns, ”one-off” metoden kan användas vid tillverkning ifall bara ett fartyg ska tillverkas kostnadseffektivt.

4.2-8 Efterhärdning Laminaten härdas vid rumstemperatur. Ibland finns krav hos uppdragsgivaren på efterhärdning. Detta sker tex vid 50/60ºC i 36/24 timmar men beror förstås på val matris. Efterhärdningen görs genom att ett isolerat tält byggs över tex skrovet som är de största delarna som de efterhärdar. Sedan kopplas värmefläktar in och luften leds i stora rör för att kunna fördela värmen jämt över delen. Delens värme mäts manuellt med en IR-mätare. Även detta moment kräver två personer som hela tiden övervakar processen, vilket kostar en hel del. Ett annat dyrare alternativ är att bygga en värmekammare, där en lokal förses med värmeaggregat. Hela rummet kan värmas och hållas vid en konstant temperatur. Ingen övervakning behövs då.

4.2-9 Vanligaste problemen vid vakuuminjicering Allmänna uppstartningsproblem är för hög viskositet hos matrisen, för tidig gelning och dålig impregnering av armeringen. Värme ger lägre viskositet och bättre impregnering men också kortare geltid. Matris egenskaperna bör anpassas för den specifika komponenten för att få till en bra injicering.

4.2-9.1 Matrisrelaterade problem Det finns några huvudproblem vid injicering, det ena är att få ut luften ur laminatet och den andra är att få matrisen att fullt och jämt impregnera fibrerna. Formfyllning är därmed den mest kritiska delen vid användningen av denna tillverkningsmetod. Vanligaste problemen är alltså matrisrelaterade såsom:

• Ofullständig fyllning av matris i formen • Torrfläckar • Porer som innesluts i matrisen eller mellan fibrerna • Dålig impregnering av fibrerna • Ostoppbar process med stora mängder accelererad matris

16

Dessa problem resulterar i dålig kvalitet, ibland så pass dålig att hela produkten måste kasseras [20]. Ofullständig formfyllning beror på felaktig placering av in- och utgöt eller tillsats av för lite matris vid injicering. De allra flesta tillverkare gör inte datorsimuleringar för flödet vid injiceringen utan provar sig fram. Därför är detta ett vanligt första gången fel som inte finns i verkstäder där processen använts ett tag. En annan orsak till detta kan vara ojämnt vakuumtryck i laminatet under injicering. Otillräcklig fyllning ger höga luftkoncentrationer och ofta ett oanvändbart laminat. Det är viktigt att förstå flödesmekaniken för att korrekt kunna placera ut in- och utgöt. För varje ny typ av komponent måste ny optimering och omplacering av in- och utgöt göras för att bra resultat ska uppnås. Torrfläckar är ett likartat problem som ofullständig fyllning men sker i mindre skala, se figur 3. Torrfläckar uppstår oftast pga felaktig placering av in- och utgöt, då matrisen väljer den enklaste vägen genom formen. Det kan också bero på att inte alla delar i laminatet är i kontakt med vakuumtrycket och matris därmed inte sugs genom dessa områden utan de förblir torra. Med bra övervakning och framför allt kunskap och erfarenhet av tillverkning av den specifika komponenten kan detta problem undvikas. Trots att torrfläckarna försvinner kan området istället innehålla mycket porer. Även en mycket ojämn flödesfront kan ge torrfläckar då oimpregnerade områden kan inneslutas av flödesfronten och förbli oimpregnerade. Lite ojämn flödesfront är däremot inga problem. Man kan anpassa så att ytor som inte får tillräckligt med matris har tex dubbla lager med sommarväv eller på annat sätt ökar och påskyndar fiberimpregneringen där. Injiceringen går inte fortare där men mer matris kommer till området och kan impregnera i tjockleks led genom laminatet. En annan orsak kan vara dålig uppläggning av fibrerna eller kärnmaterialet som gör att hålrum/kanaler bildas, då matrisen tar den enklaste vägen och en torr zon innestängs i materialet. En annan mer ovanlig orsak är laminat som har impregnerats fullt kan vid start av den exoterma processen bli varmare och därmed få lägre viskositet. Detta gör att matris kan dras från områden som varit helt impregnerade och torrfläckar kan bildas. Denna typ av torrfläckar är ovanliga.

Figur 3. Laminat med torrfläck.

Ett annat problem är porbildning vid injicering. Luft som innesluts i laminatet kan orsakas av läckage. Läckage i vakuumförseglingen kontrolleras i regel noga med mätinstrument innan injiceringen påbörjas. Men läckor kan ändå uppstå under själva injiceringen, där luft från läckagepunkten dras med och bildar ett spår med luftbubblor från läckan till matrisens flödesfront. Om läckan upptäcks på en gång och tätas hinner luften i regel transporteras ut ur

17

laminatet. Mycket svårare är det att täta läckor som uppstår underifrån i formen. En annan anledning till luft i matrisen är vid iblandning av härdare i matrisen då luft också blandas ned. Luftbubblorna som kommer med matrisen vid injicering transporteras i flödesfronten ca 15-25 cm in. Luftbubblor bildas i områden där full impregnering inte ännu skett. Dessa luftbubblor transporteras bort allt eftersom om placering av in- och utgöt är korrekt. Man bör injicera så att inte olika flödesfronter möts eftersom luft ofta innestängs då och inte följer med flödesfronten till utgötet. Om tillverkningsprocessen går rätt till bildas mindre än 0,5 % porer i laminatet. Bildningen av dessa porer beror inte på laminattjockleken och inte heller har vilken fiberväv som används någon större inverkan. Det som anvgör är matrisens viskositet. Det är fördelaktigt om matrisen har låg viskositet då den går lättare att injicera och flyter ut bättre i laminatet. Låg viskositet gör också att luft lättare kan transporteras genom matrisen. Vakuuminjicering är en mycket känslig metod, en liten läcka och hela laminatet kan bli förstört om inte läckan hittas och tätas eftersom matrisens rörelse gör så att luften dras med över hela laminatet. Storleken på produkterna som går att tillverka med vakuuminjicering är mer eller mindre obegränsade, vilket är en stor fördel som nämnts ovan. Ett problem vid injicering av stora komponenter är att processen inte går att stoppa under gång då det kan röra sig om flera hundra kilo accelererad matris som flyter omkring. Om något går fel under injiceringsprocessen leder detta till enorma mängder oanvändbart material. Tester på mindre injiceringar görs därför ofta innan injicering av en stor komponent ska göras.

4.2-9.2 Problem med ytfinishen vid tillverkning med metoden Vanliga defekter i ytan av laminatet orsakas av:

• Laminatveck • Matrisveck • Avtryck från processmaterial vid injicering

Ytfinnishen på vakuuminjicerade komponenter kan variera beroende på hur komponenten tillverkas om laminatsidan som är mot formen används som utsida eller mot kärnmaterialet. Sidan mot formen får mycket god ytjämnhet medan sidan mot vakuumbagen får yta med vissa mindre höjd variationer. Ytrelaterade problem som förekommer är veck i laminatet. Veck kan uppkomma av att vakuumbagen är skrynklig och matris samlas där under injiceringen och bildar matrisveck. Dessa veck går att slipa ner utan att förstöra laminatet. En annan typ av veck är när fibermattorna veckar sig. Detta påverkar inte alltid ytfinnishen men däremot försämras hållfastheten avsevärt i dessa områden. Detta kan dels bero på slarv vid uppläggningen av fibrerna men även på kvaliten hos fibrermattorna. Vid stora injiceringar används ofta spiralslangar för att distribuera matrisen från ingötet. Dessa slangar är dragna över laminatet under vakuumbagen. Detta gör att vakuumtrycket trycker ner spiralslangen i laminatet. Detta leder till att avtryck i laminatet bildas och ytan blir ojämn. Spiralslangen läggs ofta på en tunn skiva tex masonit med hål i för att fördela trycket från vakuumbagen för att göra avtrycket mindre i laminatet. Avtrycken blir då mindre men ändå märkbara. Även vid in- och utgöt blir det ibland märken på laminaten beroende på placering och invaddering av dessa. Ytfinishen på ovansidan av laminatet påverkas också av hur armeringen är sydd och tillverkad samt om avrivningsväv används.

18

4.3 Beskrivning av olika vakuuminjiceringsmetoder

Flera olika varianter av vakuuminjicering finns men skillnaderna är inte så stora. De allra flesta varianterna syftar till att underlätta matrisens flöde för att förbättra impregneringen av fibrerna. Några är inriktade på att höja fiberhalten och minska porhalten. En annan faktor som vissa av metoderna försöker förbättra är på olika sätt minska andelen avfall och förbrukningsvaror. De olika metoderna beskrivs i följande avsnitt.

4.3-1 Vakuuminjicering med spårade kärnmaterial Vid injicering av sandwichkonstruktioner kan spårat kärnmaterial användas, se figur 4. Användning av spårade kärnmaterial syftar till att få matrisen att flyta ut bättre och snabbare i formen. Vid injicering med spårad kärna fylls först de spårade kanalerna i kärnmaterialet med matris och sedan impregneras fibrerna genom en transport i tjockleksriktningen genom laminatet [10]. Detta beror på att den transversella permeambilliteten är mycket sämre än permeabilliteten i planet. Spåren i kärnan gör att injiceringstiden förkortas väsentligt.

Figur 4. Sandwichkonstruktion med spårad kärna.

Kärnmaterialet har bearbetats maskinellt med frästa spår antingen i rutmönster eller parallella spår med jämna avstånd. Avstånden och spårbredden varierar något beroende på vilken matris som används, laminattjocklek och storlek på komponent. De två vanligaste varianterna är spårning på båda sidorna i rutmönster eller spårning på en sida i rutmönster med hål igenom till andra sidan. Med spårad och hålad kärna injiceras matrisen på den spårade sidan först och spåren fylls. Sedan dras matrisen genom hålen till andra sidan av kärnmaterialet och laminatet på den sidan impregneras. De spårade kanalerna ger bättre vidhäftning mot laminatet än kärnmaterial med plana ytor. Detta har inte så stor betydelse då det som händer vid delaminering är att kärnmaterialet går sönder och inte i skarven mellan laminat och kärna då kärnmaterialet är vekare. En nackdel är komponenten blir tyngre pga den matris som fyller kanalerna. En spårad kärna med rutmönster med avstånd 100 mm mellan kanalerna med spårning på båda sidorna där spåren är 2x2 mm ger en viktsökning på ca 900 gram/m2. Ofta beställs paneler färdigspårade och hålade från tillverkaren av kärnmaterialet. Enkellaminat kan inte tillverkas med denna metod. Optimering av spåren görs map ett par faktorer. Om spåren är för smala blir matrisflödet inte tillräckligt stort. Om spåren är för breda svackar fibrerna över spåret pga vakuumtrycket. Injiceringshastigheten beror på matrisens viskositet och laminatets tjocklek. Där

19

impregneringstiden i laminatets tjocklek beror på fibrernas permeabilitet i tjockleksled. Med för tunna laminat (1-2 lager) avgörs fyllningstiden på permeabilitet i längsled i fibermattorna mellan spåren [4]. För tunnare laminat bör spårbredden och avstånden vara smalare. Vid fyllning av matris i spåren är det enda vakuum motståndet. Därför ger spårad kärna snabbare formfyllning än med distributionsskikt som beskrivs nedan.

4.3-2 Tillvägagångssätt vid dubbelsidig injicering av sandwich konstruktion Dubbelsidig injicering av sandwichkonstruktionen innebär att båda laminaten injiceras samtidigt [9]. Denna typ av injicering kan användas av metoder som spårad kärna och injicering med distributionsskikt mm.

• Vid tillverkning läggs fibermattorna för undre laminatet upp först. Sedan läggs kärnmaterialet, där skivorna av kärnmaterial fogas samman med strukturellt lim i skarvarna. Ovanpå kärnmaterialet läggs fibrerna till andra laminatet.

• Ovanpå komponenten placeras avrivningsväv. Fibrerna på undersidan får sticka ut ett

par centimeter utanför kärnan och fibrerna på ovansidan. Detta eftersom flödesfronten rör sig något fortare på undersidan där matrisen får mer plats mellan form och kärna än ovansidan där vakuumbagen mycket tätare följer ytan. Om fibrerna inte skulle sticka ut skulle flödesfronten på undersidan följa med runt kärnan och de två flödesfronterna skulle mötas i det övre laminatet med följd att luft innesluts i laminatet istället för att sugas ut vid utgötet av vakuumtrycket.

• Vid injicering går det bra med ett ingöt som förser både undre och övre laminaten med

matris. Däremot bör två utgöt användas, en för varje laminat för att hålla flödesfronterna separata.

4.3-3 Vakuuminjicering med distributionsskikt Distributionsskikt kan användas både till enkellaminat och sandwichkonstruktioner, se figur 5. Olika typer av distributionsskikt finns. Enkelt kan dessa skikt beskrivas som material med hög porositet som gör dem mycket genomsläppliga men ändå behåller sin tjocklek under vakuumtryck. Det finns flödesskikt som är speciellt tillverkade för vakuuminjicering men även enklare material som sk sommarväv kan används som distributionsskikt. Funktionen med flödesskiktet är att matrisen först fyller flödesskiktet och sedan från flödesskiktet impregneras fibrerna genom laminatets tjocklek. Detta gör att formfyllningstiden bestäms av distributionsskiktets permeabilitet och inte impregneringshastigheten hos fibrerna. Ett mer genomsläppligt distributionsskikt ger snabbare injicering. Tillverkade flödesskikt för injicering ger dubbelt så snabb injiceringtid mot om sommarväv används.

20

Figur 5. Sandwichkonstruktion som injiceras med flödesskikt.

Vid tillverkning med flödesskikt placeras den ovanpå avrivningsväven. Efter härdning kan flödesskiktet tas bort med avrivningsväven och slängas. Ett lager eller flera kan användas efter behov med avseende på tjocklek på laminat [3]. För många lager distributionsskikt leder till mera spillmatris och dålig kvalitet hos komponenten.

4.3-4 Mattor med inbyggda flödesskikt Mattor med inbyggda flödesskikt är uppbyggda så att på varsin sida om flödesskiktet ligger en fibermatta [41]. De vanligaste fibermattorna är CSM och multi-axiella vävar. Dessa mattor finns bara i glasfiber. Laminat med dessa mattor byggs vanligen genom att ytterst placera ett lager och sedan bygga resterande laminatet med vanliga fibermattor. Behövs mer matrisflöde kan matttyperna växlas. Producenter av dessa mattor är tex Ahlström och Saertex. Mattor med inbyggda flödesskikt används mycket vid tillverkning med RTM light som beskrivs i kapitel 6.

4.3-5 Quick Draw Quick Draw är en metod där veck i vakuumbaggen fungerar som flödeskanaler för matrisen, se figur 6. Denna tillverkningsmetod är ännu en metod för att underlätta matrisflödet i formen där själva vakuumbaggen innehåller kanaler/ojämnheter för matrisflödet [15]. Vakuumbagen kan ses som ett distributionsskikt. Metoden kan inte användas vid dubbelsidig injicering av sandwich konstruktioner. Eftersom vakuumbagen är veckad blir kontaktytan mot laminatet liten och det ska göra att det blir lättare att försegla materialet med vakuumbagen. Företaget som tillverkar Quick Draw har olika varianter för att passa olika material och temperaturer. Vakuumbagsfilmen är 2 eller 3 mm tjock och därför relativt styv och gjord av nylon eller modifierad polyester [15]. Vakuumbagen kan användas till vakuuminjicering, prepreg och för UV härdande system enligt tillverkaren. Vakuumbagen kan följa komplicerade geometrier och former.

Figur 6. Bild på Quick Draw vakuumbagen. Bilden kommer från referens 15.

21

Ytfinishen på komponenten blir troligen skrovlig. Där ytan är full av matrisveck från vakuumbagen som måste slipas bort efter härdning.

4.3-6 Co-injicering Metoden är framtagen av University of Delaware’s Center for Composite Materials. Metoden kallas vanligen för CIRTM som står för Co-injection resin transfer molding. Metoden är utvecklad för att flera olika matriser ska kunna injiceras samtidigt i ett och samma laminat. Anledningen till att tillverka laminat med olika matriser är att kunna kombinera olika egenskaper i samma laminat. Olika egenskaper som eftersträvas hos materialet kan vara bra hållfasthet och brandegenskaper [11]. Flera egenskaper kan vara svåra att uppfylla med en och samma matris. För att kunna injicera flera matriser samtidigt utan att de blandas används ett separationskikt, se figur 7. Skikten fungerar både för att hålla isär matriserna och att vid härdning ge god vidhäftning mellan matriserna och pss skapa en stark sammanfogning av de olika matriserna.

Figur 7. Schematisk skiss över co-injicering.

Det finns olika typer av separationskikt. Ett skikt som är en prepreg impregnerad med en matris som är kompatibel med de två olika matriserna på var sin sida om lagret [40]. Detta skikt härdar samtidigt som exotermen utvecklar tillräckligt hög temperatur hos de injicerade matriserna. Men ibland kan efterhärdning vara nödvändig för att härda prepregen. Som exempel kan en polyester prepreg användas med vinylester och epoximatriser. En annan variant är ett lager med en tunn termoplastfilm ofta polysulfon som ligger mellan två lager med lim anpassat för härdplastmatriserna på var sin sida. Om matrisen är en epoxi används epoxibaserat lim. Ett tredje alternativ är ett ogenomträngbart skikt av en härdad härdplast eller ett gummiskikt. Ytterligare en typ av separationsskikt finns bestående av katalysatorer kan användas. Matrisen som impregnerar fibrerna kommer att sakta ner när den kommer i kontakt med separationsskiktet eftersom den kemiska reaktionen får matrisen att få förhöjd viskositet och härda istället för att tränga igenom till den andra matrisen. Dessa lager förbättrar sammanfogningen av matriserna och ger en reducerad vikt jämfört med om laminaten skulle ha limmats ihop efter härdning [11]. Tanken är att skapa multifunktionella material i en tids- och kostnadseffektiv process. Detta minskar antalet steg i processen jämfört med att tillverka samma material med konventionella vakuuminjiceringsmetoder. Matrisernas härdningscykler måste vara kompatibla med varandra [12]. Ifall matriserna har olika viskositet och därmed olika flödeshastighet ställer det höga krav på separationsskiktet. Om den ena matrisen börjar gela innan den andra helt impregnerat fibrerna kan det göra att

22

temperaturen höjs och då höjs också den andra matrisens viskositet och orsakar ofullständig impregnering i den delen av laminatet. Denna metod kan med fördel användas tillsammans med flödesskikt eller spårad kärna för att underlätta impregneringen av fibrerna.

4.3-7 Spårat verktyg mellan dubbla vakuumbaggar sk FASTRAC Metoden är framtagen av amerikanska armén och FASTRAC står för Fast Remotely Actuated Channels. Detta är ännu en variant av vakuuminjicering där en form med spår i används. Där spåren i formen fungerar på samma sätt som spåren i en spårad kärna, se figur 8. Flödesmekaniken är liknande som vid injicering av spårad kärna. Matrisen transporteras ut i kanaler och impregnerar sedan fibrerna i z-led [7].

Figur 8. Schematisk skiss över injicering med FASTRAC formen. Figuren kommer från referens

14 på sid 1.

• FASTRAC är alltså en form med spår i som placeras mellan två vakuumbaggar. En inre vakuumbag används för att försluta fibrerna mot formen och denna sätts under vakuumtryck.

• På den inre vakuumbaggen placeras FASTRAC-formen som nu är i indirekt kontakt

med fibrerna i formen. En yttre vakuumbag placeras ut ovanpå FASTRAC-formen, över den inre vakuumbaggen och försluts. Ur denna evakueras också luften ut och tills vakuumtryck erhålls över FASTRAC-formen.

• I nästa steg släps vakuumtrycket i den inre vakuumbagen, detta får vakuumbagen att

dras upp i FASTRAC-formen och följa formens spår. Sedan pumpas luften återigen ut ur den inre vakumbagen. Flödeskanaler har bildats för matrisen vid injicering.

• När båda vakuumbagarna hållts under vakuumtryck ett tag påbörjas injicering av

matrisen som först transporteras i flödeskanalerna. FASTRAC-formen kan utformas efter behov med antal kanaler, avstånd emellan, parallella eller rutnät, olika diameter.

• När injiceringen är slutförd tas FASTRAC-formen bort och distributionskanalerna i

vakuumbagen tillåts kollapsa innan matrisen härdar. Detta för att ge komponenten en bättre ytfinish.

23

Dubbla vakuumbagar minskar risken för läckage under injicering. Dubbla vakuumbagssystemet ger ett effektivare sätt att transportera bort luft ur laminatet vilket kan leda till lägre porhalt [14]. Vakuumbagen har slätare ytor än den spårade kärnans väggar vilket gör att det blir mindre motstånd i kanalerna vid injicering. Ingen extra vikt som vid spårad kärna då kanalerna försvinner innan härdning. En nackdel är att denna metod bara kan användas vid injicering av enkellaminat. Användandet av en form ger ökade investeringskostnader, detta blir mer lönsamt om komponenter som samma form kan användas till produceras i större serier. Detta gör dock att man blir låst till en viss komponentform som är svårt att modifiera, ifall man inte vill ha ökade kostnader för att ta fram en ny form. Eftersom formen måste avlägsnas innan härdning börjar ske i laminatet begränsar detta komponentstorleken. Detta adderar även extra arbete med avlägsning av formen. När det gäller förbrukningsvaror förbrukas mer vakuumbag men ingen avrivningsväv eller flödesskikt behöver användas.

4.3-8 Dubbla vakuumbaggar- DVB double vacuum-bag Metoden är patenterad av NASA, i metoden används dubbla vakuumbaggar och en form av perforerat stål som placeras mellan baggarna, se figur 9. Tanken med denna metod är att efterlikna en autoklav men med billiga och enkla medel [13]. Tillvägagångssättet är enligt följande:

• En vakuumpåse försluter fibrerna som vid vanlig vakuuminjicering och förses med in- och utgöt. Över den inre vakuumbaggen placeras formen av perforerat stål och över formen placeras den yttre vakuumbaggen. Denna försluts och förses med eget utgöt.

• Under injiceringen har den yttre baggen något mer vakuumtryck än den inre.

Lufttrycket utanför gör att den yttre baggen lägger sig tätt över den perforerade stål formen och sugs fast. Av tryckskillnaden mellan de två baggarna dras den inre vakuumbaggen upp mot den perforerade stålformen. Båda baggarna ligger i den här fasen tryckta på var sin sida mot stål formen. Trots att den inre vakuumbaggen dras uppåt bibehålls vakuumtryck innanför den. Detta gör att fibrerna inte pressas lika hårt samman av det atmosfäriska trycket eftersom den inre baggen är lös, dvs inga kompakterings problem hos fibrerna uppstår. Detta gör att luft lätt kan transporteras ut ur laminatet i höjdled med hjälp av vakuumtrycket.

• När injiceringen är färdig släpps trycket i den yttre baggen och den tillåts nå

atmosfärstryck. Medan trycket i den inre baggen ökas. Detta gör att den inre baggen lägger sig tätt över fibrerna och den yttre baggen släpper också från stål formen. Detta gör att laminatet under härdning hålls tätt och trycks samman.

24

Figur 9. Schematisk skiss över injicering med dubbla vakuumbagar. Figuren är från referens 13

på sid 5.

Det är tveksamt om kvalitén i praktiken blir mycket bättre i laminatet om denna metod används. En fördel är att detta minskar risken för läckage eftersom båda vakuumbaggarna håller tryck. Med det är dock svårt att upptäcka läckage eftersom man inte ser laminatet genom stålverktyget. Svårt att tillverka större komponenter och även komplicerade geometrier pga det perforerade stålverktyget som är placerad mellan vakuumbaggarna. Detta gör att denna metod blir olämplig för tillverkning av större komponenter. Metoden är relativt komplicerad med många delar som måste fungera ihop med mycket justeringar och noggrannare övervakning krävs vid användandet av metoden.

4.3-9 Vacuum assisted process (VAP) Skillnaden mellan standard vakuuminjicering och VAP är ett membran som placeras mellan vakuumbagen och laminatet, se figur 10. Membranet är patenterat EADS och säljs av Saertex [41]. Membranet är utvecklat för att minska mängden porer i laminatet. Vid tillverkning är tillvägagångssättet enligt följande:

• På de torra fibrerna placeras VAP-membranet som försluts och förses med ingöt. Ovanpå placeras en polyestermatta sk breather. Allt försluts med vakuumbag som förses med utgöt utan spillmatrisbehållare.

• Sedan injiceras matrisen. VAP-membranet är ett poröst membran som är

genomsläppligt för luft men bildar en barriär som matrisen inte kan ta sig igenom. Porernas diameter i membranet är tillräckligt stora för att vara permeabelt för luft och gas [19]. Detta gör att luft kan transporteras ut ur laminatet till breathern i vakuumbagen. Matris som sugs upp i membranet kommer inte igenom pga porstorleken och hålls tillbaka. Membranet kan jämföras med material som används i extremsportkläder där materialet ska kunna andas men hålla vatten ute. Vilken sida av materialet som placeras ner mot laminatet spelar mindre roll. Oftast läggs den släta glansiga sidan ner mot laminatet för att efter härdning lättare kunna släppa. Med vissa matriser som tex fenol behövs avrivningsväv för att VAP-membranet ska lossna från det färdighärdade laminatet.

• Fullt vakuumtryck kan användas i under hela processen vilket leder till höga

fiberhalter och trycket gör även att mycket luft kan förflyttas under processen och ge

25

laminatet låga porhalter [18]. I praktiken är detta membran mycket effektivt på tunnare laminat (upp till ca 6 mm), men vid tjockare laminat är det svårt att kompaktera fibrerna så mycket att all luft kan tas bort.

Figur 10. Schematisk skiss över injicering med VAP-membranet.

Eftersom membranet är genomsläppligt för luft ger det ett jämnare vakuumtryck över hela laminatet där polyestermattan fördelar trycket. Detta leder till att metoden förbättrar kvaliteten på laminatet och minimerar risken för uppkomsten av torrfläckar. Även jämnare kompaktering av laminatet sker vilket ger jämnare fördelning av fiberhalten. Att porhalten minskas beror på att innestängd luft i laminatet kan avlägsnas över hela laminatet inte bara i vid utgötet. Detta minskar porhalten då det är betydligt kortare för porerna att transporteras i z-led än hela vägen till utgötet genom laminatet. Bra produktionstolerans genom att mängden matris som tillsätts direkt bestämmer volymsfraktionen matris i laminatet. Det finns inget utlopp för matrisen därför är det noga att rätt mängd matris injiceras. Om för mycket matris injiceras ökar tjockleken och volymsfraktionen fibrer minskar. Matrisen hålls kvar av membranet bara luften når utgötet som är placerat mellan membranet och vakuumbagen. VAP ska enligt tillverkaren ge lägre porhalter, så låga som 0,3 % och en fiberhalt på 60 volymprocent [17].

4.4 Jämförande av vakuuminjiceringsmetoder

Jämförelsen är gjord med följande punkter i åtanke:

• Allmän jämförelse • Vad metoden klarar av (rationell produktionsteknik) • Om tillverkningsmetoden är lämpligt/möjligt för produktion av fartyg

I tabell 2 ges en översikt av vilka processmaterial och återanvändbart material som behövs utöver det som används vanligt vid injicering för varje metod. Metod Extra material för

metoden Återanvändbart material

Specifikt avfall för metoden

Spårad kärna Spår i kärnan distributionsskikt Flödesmatta/väv Flödesmatta/väv Inbyggda flödeskikt Quick draw Speciell vakuumbag CIRTM Särskickt FASTRAC Extra vakuumbag Spårad stålform Extra vakuumbag DVB Extra vakuumbag Pereforerad stålform Extra vakuumbag VAP VAP-membran VAP membran

Tabell 2. Olika material som behövs till metoderna.

26

Två viktiga faktorer att ta hänsyn till är storlek på komponent som kan tillverkas med metoden och om den är användbar vid dubbelsidig injicering. Med vakuuminjicering kan stora komponenter injiceras men med vissa varianter begränsas tillverkningsstorleken, se tabell 3. I LÄSS-projektet är sandwichkonstruktioner till fartygsbyggnad av stort intresse därför är det viktigt att utreda om tillverkningsmetoden kan användas för dubbelsidig injicering. Metod Största storlek på komponent Dubbelsidig injicering

av sanwichkonstruktion Spårad kärna Ca 200 m2 Ja Distributionsskikt Ca 200 m2 Ja Inbyggda flödesskikt Ca 200 m2 Ja Quick draw Begränsas av vakuumbagens bredd(3 m) Nej CIRTM Ca 200 m2 Ja FASTRAC Begränsas av storlek på produkt som

kan injiceras innan gelning påbörjas Nej

DVB Begränsas av storlek på verktyget Ja VAP Ca 200 m2 Ja

Tabell 3. Komponentstorlek och injiceringsmöjligheter.

Metod Antal materialåterförsäljare Spårad kärna Flera Distributionsskikt Flera Inbyggda flödesskikt Flera Quick draw En CIRTM Ingen kommersiell produkt FASTRAC Ingen kommersiell produkt DVB Ingen kommersiell produkt VAP En Tabell 4. Antal distributörer av material till metoderna.

I tabell 5 redovisas en punktlista över de största för- och nackdelarna med respektive metod. Metod Fördelar hos metoden Nackdelar hos metoden

Spårad kärna

+ Kärnmaterialet ingår redan i konstruktionen + Ger bra injiceringsresultat + Snabb injicering

- Högre vikt med matris i spåren hos komponenten

Distributionsskikt + Ger bra injiceringsresultat + Effektiv matrisdistribuering

- Mycket spillmatris och spillmaterial

Inbyggda flödesskikt + Flödesskiktet ingår i laminatet + Effektiv matrisdistribuering

- Lägre specifik hållfasthet än om bara vanliga mattor använts

Quick draw + Vakuumbag och distributionsskikt är integrerat vilket ger mindre spillmaterial + Kan användas som distributionsskikt till UV härdande

- Medger endast enkelsidig injicering - färdigt laminat får skrovlig yta, matrisveck

27

matriser Co-injicering + Kan kombineras med andra

metoder + Löser problemet med flerfunktionella material

- Tester behövs för att hitta ett separationsskikt som ger bra vidhäftning till matriserna

FASTRAC + Mindre risk för läckage pga dubbla vakuumbagar används

- Endast enkelsidg injicering - Oflexibelt pga den spårade formen

DVB

+ Mindre risk för läckage pga dubbla vakuumbagar används

- Kräver mycket utrustning - Oflexibelt pga den pereforerade formen

VAP + Ger goda mekaniska egenskaper + Ger lägre porhalt

- Bäst för tunna enkellaminat (<6 mm)

Tabell 5. För- och nackdelar med tillverkningsmetoderna.

4.4-1 Vakuuminjiceringsmetodernas lämplighet för olika fartygskomponenter I tabell 6 har olika fartygskomponenter delats in i fyra olika typer av komponenter för att översiktligt kunna jämföra olika vakuuminjiceringsmetoder. Med bordläggning menas själva yttre delen av skrovet. Stora paneler redovisas eftersom många delar till fartyg först tillverkas på plana formar för att sedan skäras och sammanfogas till olika delar. Exempel på dessa delar kan vara däcksöverbyggnader, skott och däck. Bärande struktur är balkar, kölstock och spant. Komplicerade delar är delar med avancerade former som vattenjetsaggregat och propellrar mm. Färgfält sätts efter hur komplicerat det är att tillverka med följande metoder. Grönt fält innebär att det är lätt att tillverka och röd svårt eller ej genomförbart. Detta är en översikt vad metoderna är lämpliga för, inte något definitivt betyg.

Metod Bordläggning Stora paneler Bärande struktur

Komplicerade delar

Spårad kärna Distributionsskikt Inbyggda flödesskikt Quick draw CIRTM FASTRAC DVB VAP

Tabell 6. Tillverkningsmetodernas lämplighet för fartygstillverkning.

28

4.4-2 Sammanfattning av jämförelse av vakuuminjiceringsmetoder

• Av de olika typerna av vakuuminjicering är injicering med spårad kärna och distributionsskit de oftast som används inom marinindustrin. Dessa metoder har mycket god producerbarhet. Stora ytor kan snabbt och effektivt injiceras.

• VAP-membranet kan användas vid injicering med spårad kärna och distributionsskikt.

Membranet är mera ett tillbehör för att öka kvalitén hos kompositen än en helt fristående metod för injicering.

• Vid produktion marinkomponenter som inte har höga krav på hållfasthet och vikt kan

injicering med mattor med inbyggda flödesskikt snabbt, enkelt och effektivt användas utan extra spillmaterial.

• Principen för Quick draw är intressant, att kombinera flödesskikt och vakuumbag i ett

material. Detta medför begränsningar som tillverkning med dubbelsidig injicering inte är möjlig och att laminatets yta måste bearbetas maskinellt efter tillverkning.

• Att kombinera olika matriser i samma laminat med co-injicering kan ha flera olika

fördelar som bättre optimering av önskade egenskaper hos komponent mm. Svårigheten med metoden är att få god vidhäftning mellan matris och särskikt.

• Metoder som använder dubbla vakuumbagar kan diskuteras vilket egentlig bidragande

effekt den extra vakuumbagen har då det inte går att uppnå mer än fullt vakuumtryck oavsett hur många vakuumbagar som används.

5. UV-härdande materialprocesser UV-härdande materialprocesser har funnits i mer än 20 år på marknaden [22]. Det är matrisen i kompositen som härdar med UV-ljus istället för vanliga härdare. Det som gör matriserna UV-härdande är att de innehåller fotoinitiatorer som sätter igång den exoterma processen vid bestrålning med UVA-ljus [23]. Det finns olika typer av matriser som är UV-härdande. Vanliga matriser kan göras UV-härdande genom tillsatser av fotoinitiatorer som blandas i matrisen istället för konventionella härdare [35]. Det finns också UV-härdande prepreg. Materialsystemen härdar i UVA-ljus eller vanligt solljus. Våglängderna som materialen härdar i är mellan 340-410 nanometer. Det finns även matriser som härdar av UVB-strålning, dessa går inte att härda i utomhus i dagsljus.

5.1 UV-härdande matriser för vakuuminjicering För UV-härdande matriser används med fördel vakuuminjicering [22]. Matriserna kan användas till tillverkningsmetoder såsom handuppläggning och spray-up. Men inriktningen här har valts att vara för UV-härdande matriser med vakuuminjicering. Eftersom denna metod ger bättre mekaniska och fysikaliska egenskaper hos laminatet. Vid injicering av UV-härdande matriser kan metoder som spårad kärna och Quick Draw kombineras [15]. Vakuuminjiceringsmetoder som inte går att använda är de som använder olika typer av

29

materialskikt som placeras ovanpå laminatet som inte är genomsläppliga för UVA-ljus, såsom olika flödesskikt.

5.2 Beskrivning av metoden Tillvägagångssätt är som vid tillverkning med vanlig vakuuminjicering. Det som skiljer är härdningsprocessen av laminatet. Matrisen injiceras i formen men börjar inte gela förrän den bestrålas med UVA-ljus, injiceringstiden inte begränsas av geltiden hos matrisen [22]. Vid injicering kan matrisen värmas för att sänka dess viskositet för att den lättare ska kunna injiceras och flyta ut i formen, detta kan ske utan att matrisen börjar polymerisera. Härdning av matrisen sker med UVA-lampor eller direkt solljus. Matrisen kan även härdas utomhus när det är mulet, härdningstiden blir då längre men laminatet härdar fortfarande fullt [35]. Vid belysning med UVA strålning reagerar fotoinitiatorerna i matrisen och den exoterma processen påbörjas, se figur 11.

Figur 11. Härdning av laminat som injicerats med UV-härdande matris

5.3-1 Olika typer av UV-härdande matriser De UV-härdande matriserna kan vara färdigblandade för att användas på en gång eller så kan fotoinitiatorerna tillsättas separat. Dessa tillsatser är till för att blandas i vanlig polyester och vinylester som gör att dessa efter tillsats kan härdas med UVA-ljus [35]. Generellt kan dessa inte härdas i dagsljus utan bara med UV-lampa. Tillsatsen består av fotoinitiatorer som reagerar kemiskt vid belysning med UVA-ljus. Tillsatserna ska tillsättas i liten mängd (ca 0,6 viktsprocent) i förhållande till matrisen, detta räcker för att tillgodose fullständig härdning av laminatet [24]. Vanliga fotoinitiatorer som används är bis-acylphoshine oxid (BAPO) och alpha-hydroxid ketoner (aHK) [23]. Dessa kan blandas i samma matris, för bästa effekt ofta 1:3 (BAPO:AHK) [24]. Bis-acylphoshine oxid (BAPO) är bra vid härdning på djupet vilket gör att tjockare laminat kan härdas. Tillsatsmängd och blandningsförhållanden bör anpassas efter matrisen.

30

5.3-2 Materialmöjligheter vid tillverkning De flesta typer av vävar och mattor kan användas vid tillverkning med metoden. Olika fibertyper som kan användas är begränsat till glasfiber. Detta eftersom metoden bygger på att ljus ska kunna tränga in och härda matrisen. Fibertyper som aramid och kolfiber fungerar inte då dessa fibrer släpper igenom för lite ljus vid UVA-härdning av laminat, men enstaka lameller kan härdas med dessa material [35]. Urvalet av matriser som kan användas är begränsat, vanligast förekommande är polyester och vinylester [22]. Hållbarheten för färdigblandade matriser är ca ett halvår. Dessa kan förvaras i rumstemperatur och är inte speciellt känsliga mot kyla eller höga temperaturer. Ytterligare en begränsning är att matrisen inte kan pigmenteras om den ska kunna härdas. De allra flesta kärnmaterial kan användas förutom honeycomb material då kärnmaterialet helt fylls av matris vid injicering.

5.3-3 Injiceringshastighet och tid Injicringshastighet bestäms av samma parametrar som vid vanlig vakuuminjicering. Härdningstiderna är mycket korta och beror på hur tjockt laminatet är. Ett laminat med en tjocklek på 5 mm tar 5-10 minuter att härda och ett laminat som 12 mm tjockt går på 30 minuter utomhus i dagsljus [35]. Vid härdning är den exoterma processen mildare än vid vanlig härdning då processen utvecklar mindre värme [22]. Efterhärdning behövs normalt inte men detta kan göras genom att komponenten får stå utomhus i solljus [22]. Vid vakuuminjicering med vanliga matriser efterhärdas komponenten i värmekammare eller ugn. Detta behövs inte för UV-härdande matriser vilket innebär en besparing i både värmekostnader och investeringskostnader i utrustning. Om det är önskvärt kan delar av laminatet härdas för att tex göra vått i vått skarvar. Den del som inte ska härdas täcks med ett skikt som inte är genomsläppligt för UVA-ljus [22].

5.3-4 Vanliga Problem Problem som kan uppkomma vid tillverkning är samma som för vakuuminjicering:

• Ofullständig fyllning av matris i formen • Torrfläckar • Porer som innesluts i matrisen eller mellan fibrerna • Dålig impregnering av fibrerna • Ostoppbar process med stora mängder accelererad matris • Laminatveck • Matrisveck • Avtryck från processmaterial vid injicering

31

5.3-5 Kvalitet De mekaniska egenskaperna hos UV härdade laminat är jämförbara med motsvarande laminat som härdats på konventionellt sätt. En studie för glasfiber-vinylester laminat visade något bättre resultat när den härdats mha tillsatser av fotoinitiatorer än härdning mha tillsats av vanlig härdare [24]. Det kan bero på av matrisen inte börjar polymerisera vilket leder till minskad avdunstning av oreagerade styren molekyler, eftersom matrisen inte börjar reagera förrän den bestrålas med UVA ljus. Det ger då fler lediga styrenmolekyler som kan hjälpa till vid polymerisationen och ge bättre tvärbindning i härdningsprocessen [24]. Matrisen ger ifrån sig betydligt mycket mindre styrenångor än motsvarande vanlig vinylester och polyester. Vid härdning av fotoinitiatorer bildas mindre inre spänningar jämfört med vanlig härdning. Mindre exotermprocess leder till att ca 10 % mindre inre spänningar skapas i materialet [22]. Fiberhalt och bildning av porer styrs av samma faktorer som vid vanlig vakuuminjicering. Vanliga fiberhalter är 50-55 % och porhalter under 1 % för tillverkning av vakuuminjicerade laminat med UV-härdande matris. Materialets värmetålighet (Tg) styrs inte av härdningstemperaturen utan hur belysningen sker under härdning [24]. Antalet lameller (fibrernas täthet och mängd) avgör hur mycket ljus som tränger ner och vilken energi som träffar fotoinititorerna i matrisen. Andra faktorer som påverkar är belysningstiden och lampans avstånd från laminatet. Förlängd belysningstid innebär att fler fotoner skulle träffa materialet och ge en hög excitationsgrad hos fotoinitiatorerna som skulle bidra till högre tvärbindningsgrad hos polymererna under den exoterma processen. Koncentrationen av fotoinintiatorer och styrkan av UV-lampan spelar mindre roll för tg i laminatet. Belysningstiden (härdningstiden) måste optimeras för att uppnå de bästa mekaniska egenskaperna. De mekaniska egenskaperna ökar till en viss tid sedan börjar de avta igen vid längre belysningstider [24]. Ytfinishen blir som med vanliga vakuuminjicerade laminat, som till större del utgörs av typ av väv som används. Repeterbarhet hos laminatens mekaniska egenskaper är densamma som för vanliga matriser som vakuuminjicerats. Draperbarheten hos materialet och komplexiteten hos komponenten avgörs av egenskaperna hos de torra fibrerna. Men som också nämnts tidigare att härdning av laminatet är möjlig map skuggor begränsar vilka geometrier som är möjliga.

5.3-6 Metodens dimensionsmöjligheter och begränsningar De två begränsande faktorerna vid tillverkning med avseende på vilka geometrier och dimensioner som är möjliga att tillverka är härdningsdjup och skuggor på komponenten som gör att laminatet inte härdar. Komplexa komponenter med varierande laminat tjocklek gör det mer komplicerat att få till en bra härdningsprocess. Flera olika variabler som lampornas effekt, utformning och positionering måste optimeras.

32

Skuggor måste undvikas och belysningen bör vara jämnt fördelad över laminatet under härdningen. Skulle någon del av komponenten inte bli tillräckligt genomhärdad kan den belysas igen. Matrisens egenskaper med typ och mängd av fotoinitiatorer måste bestämmas för att laminatet ska härda fullt. Den andra begränsande faktorn är hur djupt ljuset kan tränga ner i laminatet. Men ungefär 13-19 mm tjocka laminat går att tillverka i en omgång [22]. Olika typer av mattor har olika bra genomträngbarhet för UV ljus beroende på hur ljuset reflekteras i materialet och storleken på hålrumen mellan fibrerna. Det innebär att tjockleken hos laminatet som kan härdas beror på typ av väv och fiberbuntar. Få begränsningar finns hos metoden med hur stora komponenter som kan tillverkas. Detta eftersom matrisen inte börjar tvärbinda sig förrän den belyses med UV ljus. Detta gör också att överflödig matris vid tillverkning kan sparas och användas vid nästa tillverkning [22]. En nackdel är att lamporna ökar energiförbrukningen vid tillverkningen som ökar kostnaderna.

5.3-7 Tillverkning av sandwichkonstruktioner med metoden Att tillverka enkelskalskonstruktioner går bra med metoden. Betydligt omständigare är det att tillverka sandwichkonstruktioner då detta måste göras i två steg med varje laminat för sig. Detta pga att bara ett laminat i taget kan härdas då ena laminatet är placerat ner mot formen.

5.3-8 Serielängd Metoden lämpar sig för korta serier för stora produkter. För större komponenter kan det vara användbart men många begränsningar och nackdelar finns som nämnts ovan. Eller för mindre detaljer då det kan vara lönsamt med långa serier, då dessa kan produceras mycket snabbt med korta härdningstider. UV härdande är mycket bra vid tillverkning av mindre detaljer, då de kan snabbt, effektivt och billigt tillverkas med mycket god arbetsmiljö.

5.3-9 Reparationer Reparationsmöjligheterna är bra med UV-härdande matriser, då lite utrustning behövs [25]. Reparationerna kan göras på kort tid och med enkla medel som handlaminering och finns tillgång till dagsljus utomhus härdar lagningen lätt. UV härdande akrylatlim typ Dynmax 3092 kan användas mot kärna för att ge bättre vidhäftning mot tex kärnmaterial. Lim kan också användas vid reparationer för att ge bra vidhäftning mot underlaget [35].

5.3-10 Arbetsförhållanden Arbetsförhållandena är som för vakuuminjicering. Ingen onödig kontakt med matrisen behövs om färdigblandad matris används vilket ytterligare förbättrar arbetsförhållandena [24].

33

5.4 UV-härdande prepreg UV härdande materialsystem finns även som prepreg. Prepregen finns i materialen polyester eller vinylester med glasfiberarmering. Materialet har en hållbarhet på ca 6 månader och kan förvaras i rumstemperatur [22]. Prepregen måste däremot förvaras i en förpackning som inte är genom trängbar för ljus. Materialet är svårt att hantera då prepregen är klibbig och svårt att fästa upp. Prepregen är även dyr i förhållande till kvalitén [35]. UV prepregen kan vara lämpligt för små reparationer där prepregen kan användas till lagningslappar. Lagningen kan då ske snabbt, enkelt och lagningen blir hållbar. Bara att fästa upp och låta den härda av sig själv om möjlighet till dagsljus utomhus finns. Detta gör att lagning på fartyget kan ske under gång, så att fartyget inte behöver transporteras till en verkstad.

6. Light RTM Light RTM är en sluten formtillverkningsprocess som är en vidareutveckling av RTM. Tillverkningsmetoden är framtagen för att minska investerings- och tillverkningskostnaderna. Detta genom att en form av lågkostnadsmaterial används, inget övertryck används utan tillverkning sker under vakuumtyck samt att komponenten kan härda utan tillsatt värme. De största fördelarna med light RTM är processens korta cykeltid och mycket goda ytfinish. Även användandet av dubbelsidig form gör att viktsvariationen blir liten. Mycket exakta geometrier och tjocklekar på komponenten kan tillverkas. Metoden används idag främst av segelbåtstillverkare och inom bilindustrin. Inom marinindustrin tillverkas både däck och skrov med RTM light. Metoden är lönsamt för långa serier. Största tillverkare av utrustning till metoden är Plastech.

6.1 Beskrivning av metoden Vid tillverkning används delbar form i kompositmaterial, ofta hon- och hanform. Vanligt formmaterial är polyester och glasfiber. Metoden kan även användas för tillverkning av sandwichstrukturer.

• Vid tillverkning placeras de torra fibrerna som ska impregneras och eventuellt kärnmaterial mellan formarna.

• Formarna trycks ihop och låses med hjälp av vakuumtryck ca 0,5 bar innan matrisen

injiceras in i formen. För att hålla formhalvorna på plats och se till att de låses i rätt läge mot varandra används en typ av genomgående bult som används som styrtappar [26]. Dessa är placerade på 3-4 meters avstånd från varandra. Dessa gör att formhalvorna kan passas in i x- och y-led mot varandra.

• Två vakuumförseglingar för formen används. En för att förhindra att matrisen läcker

ut ur formen, där vakuumtrycket anpassas efter vad som ger bäst matrisimpregnering av fibrerna. Den andra som är placerad längre ut på formens kant är till för att täta mot atmosfäriskt tryck utifrån där fullt vakuumtryck används [27]. Syftet med denna försegling är att förhindra att luft kommer in i laminatet och porer bildas.

34

• När fullt vakuumtryck uppnåtts injiceras matrisen in i formen med en lågtrycksinjiceringspump och matrisen dras genom formen med hjälp av vakuumtrycket. Formen bör fyllas under fullt vakuumtryck för att ge bra resultat.

• Under härdning stängs alla in- och utgöt för att minska mängden porer i laminatet. Då

trycket sjunker när matrisen härdar eftersom den krymper något och formen inte fylls helt.

• När komponenten har härdat tillräckligt kan formarna delas och komponenten kan

lyftas bort och en ny komponent kan tillverkas. Den övre ofta honformen är mer flexibel för att underlätta fyllning och avformning.

6.2 Matrisflödet i formar vid injicering Vid injicering sker två typer av matrisflöden i laminatet. Ett flöde mellan fibermattorna, makroskopisktflöde och ett genom fiberbuntarna, mikroskopisktflöde, se figur 12. Makroskopisktflöde styrs av tryckgradienten i formen. Det makroskopiska flödet har en snabbare flödeshastighet och det är detta flöde som fyller formen [5]. Medan det mikroskåpiska flödet impregnerar fibrerna. Flödeshastigheten hos det mikroskopiska flödet styrs av fibrernas ytfriktion, matrisens ytspänning och fibervolymen (fibrernas täthet). Ifall flödet blir ojämnt mellan de två flödestyperna kan luft innestängas, eftersom när flödesfronten passerat är det svårt att få ut luften ur laminatet. Två typer av porer kan karakteriseras makroskopiska i matrisen och mikroskopiska mellan fibrerna i fibermattorna.

Figur 12. Schematisk skiss över mikroskopiskt och makroskopiskt matrisflöde. Figuren är från

referens 5 på sid 4. Matrisegenskaperna beror på impregnering av fibrerna och vidhäftning mellan fiber och matris. Matrisflöde, värmetransport, matris viskositet och polymerisationsgrad är faktorer som avgör kvalitén på det färdiga laminatet [6].

6.3 Vanliga problem vid tillverkning De vanligaste problemen vid tillverkning är matrisrelaterade:

• Otillräcklig fyllning av matris i formen • Torrfläckar • Luft kommer in i formen

35

• Matrisläckage • För snabb formfyllning • Sprickor i färdig komponent

Problemen är svåra att upptäcka under tillverkning eftersom formen är sluten och det därmed inte går att övervaka matrisflödet visuellt som vid vakuuminjicering. Torrfläckar kan uppstå om fibrerna inte täcker hela vägen ut till formkanten. Eller om fibrerna är klippta kan detta göra att fibermattan är tunnare i kanten. Detta gör att hålrum bildas när fibrerna kompakteras och bildar en väg för matrisflöde, matrisen flyter i kanten där inte fibrerna är eftersom detta är en lättare väg för matrisen. Detta kan även leda till lägre vakuumtryck, vilket gör att formen inte fylls helt då inte matrisen dras genom hela formen med hjälp av vakuum. En annan anledning till att torrfläckar ibland uppstår under tillverkning är felkalibrering av formhalvorna när de sätts ihop. Detta gör att formarna låses med liten förskjutning av formhalvorna mot varandra, vilket bildar felaktiga håligheter i formhalvorna där inte fibrerna inte täcker. Matrisen flyter den lättaste vägen som inte är genom fibrerna utan in i hålligheterna som bildas [29]. En annan anledning kan vara att utgöt och ingöt för matrisen är felplacerat och orsakar torrfläckar, pss som vid vakuuminjicering. Men när god kontroll av processen uppnåtts ger den goda resultat och snabba cykler. Vakuumtryck används mellan formarna detta gör att det finns en stor risk pga undertrycket att luft kommer in i formen. Luft är dessutom ca 17000 ggr mer lättvisköst än matrisen och tar sig därför lätt in genom minsta hål även när formen är helt fylld med matris [29]. Förseglingen mellan två formhalvor är vanligen inte orsaken till läckage, oftast kommer luften in vid rörkopplingar, inserts eller små sprickor i formen. Eftersom formen är sluten är det svårt att se dessa läckor och pss upptäcka dessa och åtgärda problemet under processen. Läckage av matris är också ett problem som förekommer, då matris läcker från den inre förseglingen och hamnar mellan de två förseglingarna. Det kan bero på att förseglingen är dåligt gjord då förseglingen inte trycks ihop tillräckligt mellan formarna. Fibrerna kan vara felplacerade i formen, de kan då hamna mellan förseglingen och formen. Tryckfall från vakuumpumparna kan orsaka läckage, det är därför viktigt att man inte använder samma vakuumpump till flera olika processer samtidigt. Ett annat vanligt problem är att processen genererar mycket spillmatris. Om formen fylls för fort är det omöjligt att avgöra när matrisflödet ska stängas av vid ingötet. Stängs matrisflödet av när matrisen når utgötet resulterar detta ofta i stora mängder spillmatris när formen relaxerar tillbaka till sin ursprungsform. Ett sätt att undvika detta är att veta vilken mängd matris som behövs. För stora formar kan det ibland variera något i matrismängd som behövs från cykel till cykel [29]. För att undvika detta bör en tryckmätare användas som hela tiden läser av och justerar trycket i formen mha injiceringshastigheten så att matris fylls utan deformation av formen. För att minska avfallsmängden och kostnaderna bör spillmatris vid utgötet minimeras. Sprickor på plana ytor av den färdiga kompositen orsakas av att komponenten blivit tjockare än planerat. Detta beror på för snabb fyllning av matris i formen som får formhalvorna av tryckas ut. Om detta följs av en snabb härdningsprocess innan formen hunnit återta sin ursprungsform resulterar detta i en hög exotermprocess som orsakar sprickor i kompositen

36

[29]. I värsta fall kan det resultera i att formen också spricker. För snabb formfyllning kan göra att trycket i formen blir så högt att inte förseglingarna kan hålla emot och läckage av matrisen uppstår. Sprickor i hörn hos kompositen beror på felanpassning av formarna när de fästs ihop innan injicering [29].

6.4-1 Materialmöjligheter Materialmöjligheterna är det samma som för vakuuminjicering. Torra fibrer används i kombination med vanliga matriser. Lagring, tillgång och hållbarhet av material är som för vakuuminjicering eftersom samma typ av material används. De flesta olika typer av matriser kan användas som har en viskositet som är lägre än 500 mPas. Detta gör att materialen som används har en mycket lägre kostnad jämfört med prepreg och RFI. Vid härdning isolerar formen vilket gör att temperaturen kan stiga ytterligare, vilket ger ett häftigare och snabbare härdningsförlop. Detta måste tas hänsyn till vid iblandning av tillsatser i matrisen. En annan faktor är att kärnmaterialet i sandwichkonstruktionen måste tåla temperaturerna i formen. Vid injicering av sandwichkonstruktion kan med fördel spårad kärna användas för att underlätta injiceringen. Precis som vid vakuuminjicering kan fibermattor med inbyggda flödesskikt användas.

6.4-2 Injiceringshastighet och tid Bestämning av injiceringshastigheten beror på flertalet faktorer såsom matrisens viskositet, storlek på komponent, typ av fiber och tryck. Vanlig injiceringsmängd brukar vara 1,3-2 liter per minut [43]. Flera in- och utgöt kan användas precis som vid vakuuminjicering. Processen är sluten och svår att kontrollera utan mätutrustning. Injiceringstiderna är mycket korta, som exempel kan nämnas att det tar ca 45 minuter att injicera ett skrov till en 38 fots segelbåt [30]. En hel tillverkningscykel tar ca 24 timmar, då är kärnmaterialet tillverkat i ”kit” för snabba på och underlätta processen. Att injicera en form som är ca 6 m2 tar ca 15 minuter [27]. Om metoden är temperatur kontrollerad kan cykeltiderna minskas [28].

6.4-3 Kvalitet Värmetåligheten varierar beroende på vilken typ av matris som används, härdningstemperatur och värme vid den exoterma processen. Vanliga fiberhalter som uppnås med metoden är mellan 30-50 viktsprocent fiber [42].

6.4-4 Metodens dimensionsmöjligheter Metoden har mycket god repeterbarhet då fiberhalt och vikt på färdig komponent noga kan bestämmas i och med att två formhalvor används. Detta gör att mycket likartade komponenter kan tillverkas. Vid tillverkning med RTM light får komponenter god ytkvalité och få oönskade tjockleksvariationer. Viktsvariationen på ett skrov som är 50 fot kan vikten bestämmas med endast en variation på ± 5 kg [30].

37

Komplicerade former växlande med och utan kärna med olika antal lager i laminatet kan injiceras med gott resultat. Exempel på detta är däckskonstruktioner till fritidssegelbåtar med skarpa hörn och vinklar som delvis innehåller kärna [29]. Även hela skrov kan göras i en och samma injiceringsprocess med sandwichkonstruktion. Eftersom det handlar om torra fibrer är draperbarheten god och de dubbla formhalvorna gör att armeringen tvingas att följa formens vinklar vilket gör att komplicerade detaljer kan tillverkas. Storleken på komponent som kan tillverkas bestäms av storleken på formen. Men ungefär 60 m2 är de största komponenterna som tillverkats hittills med metoden, större komponenter är säkert möjliga om god kontroll över härdningsprocessen finns. Storleken styrs också av vad som är praktiskt och kostnadseffektivt. Andra påverkande faktorer är exotermaprocessen och formens isolerningsgrad.

6.4-5 Formar För att den tillverkade komponenten ska uppnå god kvalité ställs höga krav på tillverkningen av formarna. Formen måste tillverkas med hög noggrannhet. Dels för att passa korrekt ihop så de sluter tätt, men även för att ge god tillverknings precision på komponenten. Formen kan lätt modifieras genom att den går att plasta om, när modellen uppgraderas eller ändringar ska göras. Det är ändå alltid en stor begränsning med formtillverkningsmetoder. Då man är låst vid en exakt geometri. Dock är det mycket lättare att göra ändringar jämfört med RTM.

6.4-6 Arbetsmiljö Arbetsmiljön är mycket bra, mycket små utsläpp eftersom formen är sluten. Inga förbrukningsvaror används och ungefär 1-5% spillmatris [30].

6.4-7 Serielängder Processen är lämpad för relativt långa serier eftersom metoden är snabb, enkel och kan ske vid en låg kostnad när komponenter produceras i större serie. Trots att formen är har en relativt låg kostnad är det den största kostnaden.

7. Lågtemperatur prepreg Lågtemperaturs prepreg fungerar som vanliga prepregs men är utvecklade för att härda vid lägre temperaturer vanligen mellan 60-85ºC. Men materialen kan även härdas vid högre temperaturer (100-135ºC) i fall kortare härdningstider önskas, kallas även low temperature moulding (LTM) prepregs. Skillnaden mellan vanliga prepregs och LTM prepregs är matrisens egenskaper. Vid lägre härdningstemperaturer blir härdningscyklerna relativt långa ungefär 16 timmar. Lågtemperatur prepregen kan tillverkas i autoklav eller med vakuumbag. Det senare är det som är relevant för tillverkning av större komponenter inom marinindustrin till rimlig kostnad. Priset på materialet är relativt dyrt. Inom marinindustrin används dessa material mest till högprestanda tävlingssegelbåtar och vissa fritidsbåtar av attraktiva märken.

38

7.1 Beskrivning av metoden Prepregmaterialet består av fibrer som är förimpregnerade med matris. Matrisen är delvis härdad dvs polymererna i härdplasten är till viss del tvärbundna, sk B-staged. Detta för att matrisen ska hållas jämt fördelad över fibrerna och inte rinna iväg. För att härdningsprocessen inte ska slutföras måste materialet förvaras i frys (-18ºC) tills det ska användas [31].

• När den ska användas tas rullen av prepreg ut ur frysen för att tinas. När prepregen nått rumstemperatur skärs det till och läggs upp i formen. Formen ska innan uppläggning av prepregen vaxas och förses med släppmedel.

• Varje lager trycks på plats i formen för att reducera mängden luft som kan slutas inne i

laminatet. Efter att första lagret av prepreg har lagts upp vakuumbaggas laminatet med perforerad plastfolie och breather ovanpå [31]. Laminatet sätts under vakuumtryck ett tag för att luften ska transporteras ut ur laminatet och prepregen tätt ska följa formen utan luftinnestängningar. Ibland används även något förhöjd temperatur för att göra prepregen mer formbar. Detta upprepas efter var tredje lager för att ytterligare förhindra att luft innestängs. Denna procedur kallas debulking. För mycket komplicerade geometrier bör debulking ske mellan varje lager.

• När uppläggningen av prepregen är färdig täcks den över med en avrivningsväv.

Avrivningsvävens uppgift är att göra det möjligt att ta bort det som ligger ovanpå den.

• På avrivningsväven placeras en perforerad plastfilm, som ska förhindra att för mycket matris trycks ut ur laminatet under härdningen. Ovanpå placeras en en vit polyester matta sk breather. Den är till för att absorbera överskottsmatris, underlätta lufttransport ut ur laminatet samt ge en jämn fördelning av vakuumtrycket i laminatet.

• Hela laminatet försluts sedan med en vakuumbag som tätas av mot formens kant med

hundkött. Minst två utgöt placeras ut med fördel en på varsin sida av laminatet [37].

• Sedan evakueras luften ut med hjälp av en vakuumpump. Vissa tillverkar rekommenderar att laminatet ska hållas under vakuumtryck i flera timmar innan härdningscykeln inleds.

• Under härdning används fullt vakuumtryck. Innan laminatet härdas kontrolleras att

vakuumbagen är tät. Härdning sker i ugn eller värmekammare. Vid härdningscykelns början är laminatet rumstempererat. För att temperaturen i hela laminatet ska ändras jämnt höjs temperaturen långsamt. Vanligen brukar temperaturökningen vara 2ºC/minut för mindre komponenter och 0,5ºC/minut för stora strukturer [31].

• När komponenten nått härdningstemperaturen hålls laminatet vid denna temperatur

under den rekommenderade härdningstiden som anges för prepregen i produktdatabladet.

• Avkylning sker vanligen med 3ºC/minut. När härdningscykeln är avslutad bibehålls

vakuumtrycket tills laminatet svalnat av till en temperatur till ungefär 50ºC [37]. För sandwichkonstruktioner bör komponenten svalna av ytterligare för att undvika att

39

vidhäftningen blir dålig mellan kärna och laminat, då den isolerar och behåller värmen längre. Används detta tillverkningssätt ska materialet innan härdning innehålla mer matris än det som ska vara i det färdiga laminatet.

Alternativt tillverkningssätt är att istället för att använda perforerad plastfolie använda en tät plastfolie. Där lufttransporten och vakuumtrycket tillgodoses mha glasfiberbuntar. Glasfiberbuntarna placeras runt om laminatet med ett avstånd på ca 0,5 meter och sticks in ca 1-2 cm in i laminatet mellan lagrerna vid uppläggning av laminatet, se figur 13. Glasfiberbuntarna ska placeras så att de är i kontakt med breathern för att vakuumtrycket ska fördelas jämnt i laminatet och luft kunna transporteras bort. Används detta tillverkningssätt behövs inte avrivningsväv användas. När operforerad plastfolie används ska materialet från början ha rätt mängd matris då det inte är tänkt att materialet ska blöda.

Figur 13. Prepregsandwichkonstruktion med glasfiberbuntar.

7.2 Processbarhet

7.2-1 Limfilm När prepreg används i sandwichkonstruktion bör limfilm användas närmast kärnan för att laminatet ska fästa bra mot kärnmaterialet. Beroende på vilken cellstorlek kärnmaterialet har avgör hur tjock limfilmen bör vara. Ofta har varje tillverkare en limfilm speciellt framtaget för att passa till sin LTM prepreg. Limfilm med eller utan bärare kan användas, där armeringen i limfilmen är gjord av polyester, bomull eller glasfiber. Limfilmen kan även vara integrerad yttersta lagret i prepregen.

7.2-2 Kvalitet Fiberhalten bestäms vid tillverkning av själva prepregmaterial. Materialen kan tillverkas med relativt höga fiberhalter (upp till ca 65 volym %). Typiska matrishalter är 32 vikt% till glasfiber och 40 vikt% till kolfiber [31]. Kvalitén på det ohärdade prepregmaterialet bestämmer till viss del det färdiga laminatets egenskaper. Där matrisen innehåller mycket lite porer innan härdning jämfört med metoder där matrisens komponenter måste blandas ihop innan tillverkning som gör att även luft

40

blandas ner i matrisen. Olika tillverkare anger olika porhalter i färdiga laminat men mindre än 1-2 % kan anges generellt [31, 37]. Skyddsfilmen och impregneringen av fibrerna på prepregen gör att fibrerna hålls raka, på jämna avstånd och i tänkt riktning. Det är då lättare att lägga upp laminatet med bättre kontroll att fiberriktningarna blir rätt och lagret inte skjuvas utan fibrerna förblir i ursprungsvinkeln. Anledning till varför prepreg laminat oftast har högre värden vid mekanisk provning jämfört med material som tillverkats av torra fibrer. Eftersom matrisen och fibrerna redan är på plats innan härdning ger det bättre kontroll på härdningsprocessen. Detta ger även mindre variation i fiberhalt hos laminatet jämfört med tex vakuuminjicering. Materialet har mer eller mindre samma dimension före och efter härdning. En fördel jämfört med högtemperatur härdande prepregsystem är att lägre temperaturer ger mindre krympning av matrisen som leder till mindre ändring av storlek på komponenten som minskar de inre spänningarna i laminatet. För att förbättra ytfinishen finns speciella ytfilmer som placeras ovanpå laminatet innan härdning.

7.2-3 Vanliga problem med metoden

• Problem vid uppläggning av materialet • Härdningsrelateradeproblem • Problem vid upptining

Luft som innesluts i laminatet är ett förekommande problem. Detta beror på att fibrerna är helt impregnerade med matris och när lagrerna trycks ihop med vakuumtryck har luften ingen naturlig väg att effektivt transporteras ut ur laminatet. Detta kan förbättras genom att uppläggningen av lagrerna görs noggrannare och regelbunden debulking av materialet genomförs. Debulkingen gör att laminatet redan innan härdning är mer eller mindre porfritt. För att kunna kontrollera härdningsprocessen bör temperaturen mätas i laminatet mha av termoelement som placeras i mitten av laminatet. På en 40 fots skrov rekommenderas det att ca 40 termoelement används. Det är viktigt att temperaturen är jämn i ugnen och att form och laminat klarar av att ändras med en temperatur på åtminstone 0,5ºC/min för att kunna ge bra härdningscykel. Ändras temperaturen långsammare kan det bli problem med impregneringen av fibrerna då viskositet inte blir tillräckligt låg innan matrisen börjar gela. Temperaturen måste räknas på den svalaste punkten i komponenten för att säkerställa att laminatet blir fullt härdat. Ofullständig härdning leder till dåliga mekaniska egenskaper hos komponenten. Materialet blir då sprött och detta kan leda till att mikrosprickor i laminatet bildas [36]. För härdning av stora laminat krävs lång tid för att uppnå jämn temperatur i form och laminat. Värmetransport i materialet kan bli ett problem då varma och kalla fläckar kan bildas. Skiftningen i temperatur orsakar olika egenskaper i lagrerna i laminatet vilket leder till dålig vidhäftningen och delaminering mellan lagrerna [36]. Vid tillverkning av tjocka laminat är det svårt att uppnå god kvalitet pga dålig värmetransport som leder till ojämna temperaturer i laminatet. Laminat som är tjockare än 10 mm bör härdas med en anpassad härdcykel. Temperaturerna kan rampas upp [31]. I början av den exotermaprocessen bör en lägre härdningstemperatur användas [37]. Då den

41

exotermaprocessen vid härdning av tjockare laminat utvecklar mer värme än härdningstemperaturen i den omgivande luften. Vid uttagning ur frysen kan kondens bildas i prepregen, detta bör undvikas då fukt reducerar laminategenskaperna. Rekommendationer är att materialet tinas i stängd förpackning så att bildning av kondens förhindras. Material egenskaperna försämras pga att om materialet innehåller fukt kan porer i materialet bildas vid härdning [31].

7.2-4 Materialets hållbarhet Hållbarheten hos materialet är begränsad både vid lagring och vid tillverkning. Materialet måste förvaras i frys med en temperatur på –18 C, vilket medför att lagringsutrymmet blir begränsat och även en ökad förvaringskostnad. Även förlängs tillverkningstiden eftersom materialet måste tina innan uppläggning av materialet kan ske. Varje gång prepregmaterialet tas ut ur frysen förkortas livslängden. Vanlig livslängd hos materialet är 1-2 år som är kortare hållbarhet än för hög temperatur härdande prepreg. Vanlig livslängd hos materialet i rumstemperatur är ett par veckor. Längre livslängd i rumstemperatur kan uppnås om materialets lägsta härdnings temperatur är högre. Vid uppläggning av större och mer komplicerade komponenter kan det bli en faktor till att ta hänsyn till, då olika delar av materialet måste dokumenteras eller märkas hur länge de varit i rumstemperatur innan hela komponenten härdats.

7.2-5 Materialmöjligheter och begränsningar De flesta olika fibrer och vävtyper kan beställas till prepregen, då tillverkarna är väldigt flexibla. Matriser som har tagits fram för härdning vid lågtemperaturhärdning är främst epoxi, men det finns även vinylester, cayanidester. De två sistnämnda bör efterhärdas vid högre temperaturer för att goda mekaniska egenskaper ska kunna uppnås. De flesta typer av kärnmaterial kan användas. Tillskillnad från tillverkning med olika injicerings metoder kan prepreg användas i kombination med honeycomb material. Trots att härdningstemperaturen är relativt låg kan vissa kärnmaterial av PVC ha svårt att klara av temperaturen under lång tid. Vid tillverkning av prepregmaterialet är det svårt att impregnera tjocka mattor med gott resultat. Ytvikter upp till ca 900 g/m2 fiber är möjliga att tillverka [37]. Prepreg materialet tillverkas med ett lager UD eller väv vilket gör att lagerna är tunnare jämfört med RFI som innehåller två lager åt gången. Mattorna har också ofta lägre ytvik för att vara tillräckligt draperbara. Detta gör att prepreg laminaten tar längre tid att lägga upp. Lagrerna har sämre draperbarhet än RFI och torra vävar med samma ytvikt eftersom de är fullt impregnerade med matris. Vanlig ytvikt för prepreg är ca 300 g/m2 fiber, då blir tjockleken hos den färdiga lamellen ca 0,2 mm.

42

7.2-6 Dimensionsbegränsningar Laminat som är ungefär 25 mm tjocka kan tillverkas. Begränsande faktorer är värmevariationer som uppkommer i tjocka laminat och den exotermaprocessen som utvecklar höga temperaturer. Desto större komponenter gör det svårare att tillverka tjocka laminat. Storleken på komponent som kan tillverkas begränsas av på hur stor värmekammare som finns att tillgå. Uppskattningsvis kan LTM prepreg tillverkas ungefärlig största storlek på ca 200 m2 i en omgång.

7.2-7 Sandwichkonstruktioner Generellt finns två sätt att tillverka sandwichkonstruktioner med prepreg. Det ena är att sandwich konstruktionen görs i flera steg vid tillverkning av tex bordläggningen till ett skrov. Innerlagret härdas först på platts. Kärnmaterialet skärs till och placeras i formen, kärnan tas bort limfilm appliceras och sedan placeras kärnan tillbaka och limmas på platts. Yttre lagret läggs på kärnmaterialet med limfilm mellan prepregen och kärnan därefter härdas. Det andra tillverkningssättet är att göra hela konstruktionen i ett skott, dvs båda laminaten läggs upp och härdas samtidigt.

7.2-8 Utrustning Billigare utrustning såsom processmaterial och form/plugg än vid tillverkning med vanliga prepreg går att använda eftersom de inte behöver tåla lika höga temperaturer.

7.2-9 Fördelar med matrisformatet Matrisrelaterade problem minimeras vid tillverkning med prepreg. Problem som torrfläckar och ofullständig fyllning av matris som kan uppstå vid olika injiceringsmetoder undviks vid tillverkning med prepreg. Vid användningen av prepreg minskas spill av råmaterial, särskilt matris.

7.2-10 Delvis tillverkat material Materialet är delvis tillverkat vilket spar arbetstid då ingen blandning av matris behövs och mindre övervakning behövs under härdningsprocessen. Mindre arbete kan viktas mot ett högre materialpris.

7.2-11 Arbetsmiljö Arbetsmijön är god eftersom processen är sluten. Vid hantering av materialet är matrisen delvis härdad vilket gör att avdunstning av farliga ämnen är liten.

43

8. Resin film infusion (RFI) RFI är en relativt ny metod, där matris och fiber kombineras på nya sätt innan härdning. Materialet som används till tillverkningsmetoden RFI kallas ofta för semi-prepreg. Matrisen i materialet är delvis tvärbunden precis som matrisen i prepreg. Det finns ett antal olika sätt som fiber och matris kan kombineras på för tillverkning med RFI. Ofta växlas torra fibrer med ark av matrisfilm, där matrisfilmen ibland är delvis impregnerad in i fibermattan, se figur 14. Olika kombinationer finns. En variant är två fibermattor med ett matrisark emellan sig delvis impregnerat i båda mattorna. En annan fibermatta med ett matrisark delvis impregnerat i mattan. Andra varianter där fibrerna är helt torra och läggs upp med lösa matrisark mellan sig alternativt med alla fibermattor överst med ett tjockare lager matrisfilm underst. Ytterligare en kombination är fibermattor delvis impregnerade från ena sidan med matrisen i ränder.

Figur 14. Skiss över materialet.

Dessa material tillverkas av samma företag som producerar prepreg, där samma matriser och fibrer används. Det är då lätt att tycka att dessa material är mer eller mindre som prepreg men de borde mera ses som en ersättning för vakuuminjicering. Metoden är utvecklad för att matrisen ska impregnerar fibrerna på ett bättre sätt. Även här som för prepregmaterialen är de material med matrissystem som kan härdas vid lägre temperaturer utan autoklav de som är intressanta för marinindustrin. Dessa material görs med lågtemperaturhärdande matrissystem oftast med epoxi. Materialet kan levereras färdigkombinerat och klart att användas direkt efter leverans producenten. Flexibiliteten är stor när det gäller olika vävar och fiber typer som kan kombineras med olika förimpregnering av matris efter kundernas önskemål. Det andra alternativet för att använda denna metod är använda torra fibrer och limfilm utan bärare som kan kombineras på önskat sätt. Två färdiga produkter beskrivs senare i detta kapitel.

8.1 Beskrivning av tillverkning med metoden Tillverkningen går till på liknande sätt som vid tillverkning av LTM prepreg:

• Innan tillverkningen kan påbörjas tas rullen med materialet ut ur frysen och den får tina. Upptiningen kan ta upp till ett par dagar beroende på hur stor rulle man har innan den helt nått rumstemperatur. Använder man bara litet i taget kan man låta rullen tina lite, rulla av det som behövs och lägga tillbaka rullen i frysen [37].

• Formen ska vaxas, önskas någon ytfilm ska denna placeras först i formen. Lagrerna

med RFI skärs till och placeras i formen. Termoelementen placeras ut.

• Glasfiberbuntar placeras ut runt om laminatet för att luft lättare ska kunna evakueras ut ur laminatet. Glasfiberbuntarnas ändar ska vara i kontakt med breathern [31].

44

• Laminatet förses med avrivningsväv, operforerad plastfolie och breather.

• Vakuumbagen installeras med vanliga standardtekniker. Minst två utgöt bör användas,

de ska då placeras i varsin ände av laminatet.

• När allt är installerat och klart sätts vakuumpumpen igång. Laminatet hålls under fullt vakuumtryck i mellan 5 och 60 minuter beroende på storlek på laminatet [37].

• Temperaturen stegas upp (0,5 eller 2 °C/min) laminatet härdas sedan efter

rekommenderad härdningscykel. Härdningscyklerna för dessa lågtemperaturmaterial är relativt långa ofta ca 16 timmar [31].

• Under härdning får matrisen lägre viskositet och pressas genom fibrerna av trycket

samtidigt som luften i laminatet passerar ut genom de torra fibrerna. Alternativ kan material med högre matrishalt än som behövs i det färdiga laminatet användas. Då kan tillverkning med perforerad plastfolie användas och materialet tillåts blöda ut till breathern. Detta rekommenderas om en struktur med mera komplexa former ska tillverkas, då instängd luft kan transporteras ut.

8.2-1 Impregnering av fibrer Matrisfilmen i RFI kan jämföras med injicering där någon typ av matrisdistribuering används, där tillvägagångssättet är att matrisen först flyter ut i distributionsmediet över hela komponenten för att sedan impregnera fibrerna i tjockleksled. Medan här slipper man utföra hela injiceringsprocessen och undviker problem som torrfläckar och ofullständig formfyllning. Matrisen är redan på rätt platts i rätt mängd utan luft som blandas i vid blandning av matris vid injicering. Eftersom materialet inte är fullt impregnerat kan luften under härdning när matrisen impregnerar fibrerna sucksesivt transporteras ut ur laminatet genom de torra fibrerna, där mellanrum mellan fibrerna möjliggör passager [37]. Vid härdning bör fullt vakuumtryck användas för att minimera porhalten i laminatet [33]. Vid låga temperaturer har matrisen en något högre viskositet. Vid högre temperaturer är viskositeten initialt lägre men blir relativt snabbt mycket högre eftersom geltiden vid högre temperaturer är mycket kort. Är geltiden för kort blir det till följd att laminatet blir ofullständigt impregnerat.

8.2-2 Materialmöjligheter och begränsningar Tanken med dessa material är att försöka kombinera det bästa från prepreg och vakuuminjicering. RFI har kombinationen mellan prepreg och torra fibrer eftersom materialet är förimpregnerad men har draperbarhet mer som en torrfiber då matrisen inte är helt impregnerad i fiberväven [37]. Detta gör att materialet kan hanteras mer som torrväv vid uppläggning av materialet i formen, detta ger kortare upplägningstider.

45

Även att lagrerna av materialet är tjockare gör att färre lager behövs jämfört med prepreg förkortar också uppläggningstiderna. Lagrerna är tjockare eftersom varje lager innehåller två fibermattor. Dessa material kan även tillverkas med vävar med högre ytvikt än prepreg då dessa inte ska impregneras helt. De flesta fibertyper och vävar kan användas vid tillverkning, den enda begränsningen är att UD-mattor till RFI bör undvikas då det är svårare att få ut luften ur laminatet vid härdning. Matriser och kärnmaterial som kan användas är samma som för LTM prepreg. Samma gäller för användning av limfilmer som används för att ge god vidhäftning mot kärnmaterialet.

8.2-3 Kvalitet Matrisen innehåller mindre porer från början jämfört med matriser som injiceras. Komplicerade injiceringsprocesser med problem såsom torrfläckar och ofullständig formfyllning elimineras med RFI. God fiberparallellitet och jämnare avstånd mellan lagrerna eftersom de hålls raka av matrisfilmen och mattorna på jämna avstånd. Låg porhalt kan uppnås med metoden ofta mindre än 1-2 % [31, 37]. Fiberhalten är förutbestämd genom tillsatt mängd matris i materialet och varierar något mellan olika fibertyper och vävar men vanlig fibervolym är 45-60 volymprocent.

8.2-4 Avsnitt som är som för LTM prepreg Följande avsnitt är samma som för LTM prepreg, se kapitel 7.

• Materialets hållbarhet • Sandwichkonstruktioner med materialet • Matrisformtet • Dimmensionsbegränsningar • Delvis tillverkat material • Arbetsmiljö

Andra egenskaper som är lika är jämt fördelad fiberhalt, bra kontrollerad vikt på komponenten, dimensionsstabil med lägre inre spänningar pga de låga temperaturerna, god kontroll på härdningsprocessen och bra ytfinish.

8.2-5 Debulking Eftersom luften mellan varje lager kan transporteras ut genom de torra fibrerna behövs ingen debulking vid uppläggning av materialet vilket ger kortare tillverkningtider. Ibland kan debulking användas då under kortare tid för att få materialet att helt ska följa formen.

46

8.2-6 Kombinering av material Tillverkarna av RFI tillverkar ofta också prepreg, där båda materialen kan använda samma typ av matris. Det gör att prepreg och RFI kan kombineras i samma laminat, eftersom detta i vissa fall kan vara fördelaktigt.

8.2-7 Problem som kan uppstå vid tillverkning

• Härdningsrelaterade problem • Problem vid upptining • Bryggor vid hörn i materialet

För de två förstnämnda problemen se avsnitt om LTM prepreg Vid tillverkning av komponenter med komplicerade geometrier måste noggrann uppläggning av materialet göras. Vid uppläggning av vävar med hög ytvikt bör kontrolleras i hörn av formen så att inte materialet bildar bryggor över hörnen istället för att följa formen [31].

8.3 Sprint

Materialsystemet Sprint består av två lager med torra fibrer med ett lager i mitten av matrisfilm av epoxi, se figur 15. Detta gör att materialet har torra fibrer på ytan av båda sidor av materialet. Tillverkaren av Sprint är SP systems som har patent på produkten. Vanlig vikt på fibervävarna som användas är mellan 300-1200 g [37]. De vanligaste vävarna är 2x2 twill och sydda multiaxiella vävar. Lågtemperaturhärdande epoxi används som matris till dessa produkter.

Figur 15. Skiss över ett lager med Sprint.

Lägsta härdningstemperatur för Sprint är 70ºC. Vid tillverkning i 70ºC ska temperaturen hållas i 16 timmar för fullständig härdning ska ske. Olika härdningscykler kan användas där cyklerna blir kortare vid högre temperaturer. Rekommenderade härdningstemperaturer är mellan 70-120ºC, materialet kan även härdas med temperaturer upp till 180ºC [37]. Vid högre temperaturer blir matrisens geltid mycket kortare.

8.4 Zpreg

Zpreg är en semi-prepreg där väven förimpregnerats med matris i rader med avstånd emellan, se figur 16. Detta gör att den får lite andra egenskaper mot andra RFI material. Zpregen kan bestå av ett lager fiberväv men består oftast av två lager med väv som bildar ett lager Zpreg [38]. Där matrisen är impregnerad från ena sidan och går genom det första fiberlagret och en

47

bit in i det andra fiberlagret. På ena sidan ligger matrisen på ytan för att ge en viss klibbighet som gör att Zpreg fäster till formar eller tidigare lager medan andra sidans yta består av torra fibrer.

Figur 16. Ett lager med ZPREG med skyddsfilm. Figur till höger är från referens 38. Det finns två typer av Zpreglager. En som ska användas som ytlager och den andra som bulklager för att snabbt kunna bygga tjocklek vid uppläggning av laminaten [31]. I ytlagrerna används väv med låg ytvikt och ibland väv med finare struktur. I bulklagrerna används vävar med högre ytvik där vävtypen väljs map draperbarhet och komponenttjocklek. Även här används lågtemperaturhärdande epoxi som matris till materialsystemet. Viktsprocent matris bestäms så att bästa möjliga kvalité uppnås och högsta möjliga fiberhalt. Vanlig matrishalt är 32 vikt% för glasfiber och 40 vikt% för kolfiber.

8.4-1 Bredd på matrisränder För lätta material tex 2x200 g/m2 kolfiberväv används 10 mm matrisränder med avstånd på 10 mm mellan sig. För tyngre vävar används 50 mm breda matrisränder med 10 mm avstånd från varandra. Eftersom matrisen är impregnerad i ränder ger det bättre draperbarhet än övriga RFI material och fibrerna går att drapera mer som torra fibrer än ett prepregmaterial [33]. Uppläggningstiden kan reduceras med upp till 70 % jämfört med uppläggning av prepreglaminat med samma tjocklek [31].

8.4-2 Impregnering av fibrer Vid härdning impregnerar matrisen i tjockleksriktningen genom laminatet men även tvärs för att impregnera de torra fibrerna mellan matrisremsorna. Luftkanaler bildas mellan matrisränderna genom de torra fibrerna. Luft transporteras bort allt eftersom matrisen impregnerar fibrerna.

8.4-3 Härdningstemperaturer och tider Matrisen till Zpregen härdar vid mycket låga temperaturer. Vid lägsta härdningstemperaturen som är 65ºC är härdningstiden 16 timmar. Materialet rekommenderas att härda i temperaturer mellan 65ºC och 80ºC, men kan härdas med gott resultat i temperaturer upp till 120ºC.

48

8.4-4 Tillvägagångsätt vid tillverkning Tillverkning görs på liknande sätt som för övriga RFI med vissa undantag:

• Vid tillverkning ska perforerad plastfilm användas runt kanten för att tillgodose en god passage för luften ut ur laminatet.

• Över huvuddelen av laminatet ska en operforerad plastfolie användas för att förhindra

att för mycket matris blöder ut ur laminatet.

• Även bör det understa lagret vara 20 mm bredare och längre och därmed sticka ut från laminatet för att öka möjligheterna för luftpassage [31].

• Den sidan som förimpregnerats med matrisränder ska placeras ner mot formen.

Zpregen ska placeras så att matrisremsorna ligger parallellt med den längsta riktningen i materialet.

• Vid uppläggning av laminatet rekommenderas att det debulkas efter första lagret och

sedan efter var femte lager i 3-5 minuter under vakuumbag med perforerade plastfolie mot laminatet och breather ovanpå. Detta för att tillgodose att materialet tätt följer formen utan att bryggor bildas.

8.4-5 Materialhantering Materialet är lätt att skjuva då det är impregnerat i ränder och matrisen inte ger någon bärande helhet för fibrerna [31].

8.4-6 Porhalter Porhalten påverkas inte av hur matrisremsorna i de olika lagrerna är placerade i förhållande till varandra vid upplägning av laminat [32]. Om de ligger ovanpå varandra, sidoförskjutna eller vinkelrätt mot varandra. Däremot har vid tillverkning av bara ett lager lägre porhalt jämfört med tjockare laminat. För att uppnå laminat med låg porhalt behövs högt vakuumtryck, lägre än 50 mbar, helst så nära fullt vakuumtryck som möjligt. Detta beror på den höga viskositeten hos materialet vid låga temperaturer för att laminatet ska bli fullt impregnerat.

8.4-7 Användning av bulklager Bulklager ska inte användas till komplicerade former med skarpa hörn [31]. Vid härdning klarar materialet inte att följa formen ut i hörn bra. Vid konvexa hörn blir laminatet för stort och sk öron bildas (veck) och vid konkava hörn krymper laminatet och ”bryggor” bildas . Då kan de tunnare ytlagrerna användas istället.

49

8.5 Delvis impregnerade prepregmaterial Det finns en typ av prepregmaterial där matrisen är impregnerad från ena sidan av väven [31]. Ofta är materialet tillverkat så att 20 % av matrisen är jämnt impregnerat bland fibrerna och resterande matris ligger som en ytfilm på ena sidan av väven. Här kan UD-band användas jämfört med RFI. Detta för att kunna kompaktera fibrerna mera och pressa ut mer luft ur laminatet jämfört med valiga prepreg.

9. Quickstep Quickstep är en formgjutningsmetod. Patent finns på tillverkningsmetoden. Metoden inte är så användbar generellt för marinakomponenter, då den största nackdelen är att bara komponenter på maximalt 20 m2 kan tillverkas [39]. Metoden redovisas kort här mest för informerande syfte på alternativa tillverkningsmetoder.

9.1 Beskrivning av metoden Formen som används är tvådelad med gångjärn mellan sig så att formen lätt går att öppna och stänga. Formen består av en tryckkammare (yttre form) som innehåller värmeledande vätska och inuti denna flyter den riktiga inre formen.

• I den inre formen placeras fibrerna. Metoden kan användas för injicering och RFI men oftast används högtemperaturhärdande prepreg som material.

• Formen trycks ihop med ett relativt lågt tryck på mellan 1 till 4 psi [39]. Laminatet

hålls under konstant tryck och temperatur. Ett flexibelt membran är sammanbundet på var sin sida om yttre formen. Membranet utgör även ovansidan av den inre formen. Detta gör att vätskan delas i övre och undre halva. Som leder till att laminatet trycks ihop utan att formen utsätts för någon spänning då den flyter balanserat i vätskan.

• Vakuumtryck används i den inre formen.

• Värme används för att aktivera och kontrollera den kemiska reaktionen hos

polymererna i matrisen. Den värmeledande vätskan är förvarad i tre separata tankar. De tre tankarna innehåller varm, kall respektive medeltempererad vätska. Beroende på vilken värme som önskas i formen pumpas vätska från behållarna in och efter användandet återvinns vätskan genom att pumpas tillbaka till sin behållare. Detta för att snabbt kunna ändra temperaturen i laminatet.

• På den övre yttre formhalvan finns en kolv placerad som sätter vätskan i vibration.

Vibrationer av vätskan förbättrar prestanda hos laminatet på flera sätt. Den förbättrar kompakteringen av fibrerna och ökar mekaniska egenskaperna genom att fibrerna arrangeras i raka linjer och fibrerna bäddas in bättre i matrisen. Vibrationerna hjälper även till att evakuera porer ur laminatet. Ytterligare en effekt är att vibrationerna verkar ha en mjukglödgande effekt på laminatet som minskar inre spänningar i laminatet.

50

Olika formar kan placeras i den yttre formen för tillverkning av olika komponenter. Processen är helt automatiserad och styrs från en dator som är kopplad till formen.

9.2 Värmeöverförande vätska Användandet av vätskan ger 25 ggr snabbare värmeöverföring jämfört med värmeöverföring i luft [39]. Snabbare värmeöverföring ger mindre värmeskillnader i form och laminat, risk för varma och kalla fläckar i laminatet under tillverkning minskas. Om prepreg används ges en snabb förändring i viskositet hos matrisen vilket förbättrar impregneringen av fibrerna utan användandet av höga tryck. Möjligheten att snabbare ändra laminatets temperatur ger mer exakta härdningscykler. Temperaturen kan även kontrolleras bättre när den exoterma processen börjar genom att vätskan snabbt kan transportera bort överskottsvärme. Den snabba temperaturregleringen ger snabbare härdningscykler. Den snabba värmeöverföringen gör att hela laminatet smälter mer eller mindre samtidigt. Aktiveringen och reaktiviteten hos den exoterma processen kan exakt kontrolleras då värmen i laminatet snabbt kan ändras. Möjligheten till snabb värmeändring gör att komponenter med varierande tjocklek jämnt kan värmas och kan tillverkas utan resultera i inrespänningar i det färdiga laminatet som ger en återfjädrande effekt eller warping.

9.3 Materialmöjligheter och begränsningar De flesta fibertyper och matriser kan användas. Mycket svårare är det med kärnmaterial gjorda i olika typer av plast som inte klarar temperaturerna i processen, som kan vara upp till ca 200 grader.

9.4 Kvalitet Mekanisk provning har visat att metoden kan producera material med lika goda egenskaper eller bättre än laminat som tillverkats i autoklav [39]. Vid tillverkning med metoden fås låga porhalter, mindre än 2%. Materialet får hög tg efter tillverkning eftersom höga temperaturer lätt kan användas vid härdning. Ger hög kvalitet på mekaniska egenskaper, ytfinish samt precision på dimensioner [39].

9.5 Begräsning av användbarheten av metoden Nackdelar med metoden är att den kräver dyr form och utrustning, vilket leder till höga investeringskostnader. Formen begränsar storleken på komponenten. Flexibilitet är begränsad hos metoden då den är bunden till en bestämd form som är svår att modifiera.

51

10. Jämförelse av tillverkningsmetoderna Jämförelsen är gjord med följande punkter i åtanke:

• Allmän jämförelse • Vad metoden klarar av (rationell produktionsteknik) • Om tillverkningsmetoden är lämpligt/möjligt för produktion av fartyg

För att göra jämförelsen mer överskådlig har vakuuminjiceringsmetoderna sammanfattats till bara vakuuminjicering, de olika vakuuminjiceringsmetoderna jämförs i kapitel 3. Fiberhalter angivna i tabell 7 är vanligt använda till högsta möjliga då det ofta är önskvärt att uppnå höga fiberhalter vid tillverkning. Angivna porhalter är hämtade från produktdatablad hos leverantörerna av materialet, dessa kan variera vid tillverkning beroende på komponent som ska tillverkas. Vid Härdningstemperaturerna är från lägsta möjliga temperatur och uppåt, ofta går materialen att härda vid mycket högre temperaturer. Värmetåligheten (tg) är mycket beroende av härdningstemperaturen, härdningstid och matris. Högre temperatur och längre tid ger högre värmetålighet (tg) hos materialet. För RFI och LTM prepreg är värdena med epoxi som matris. Metod Fiberhalt

[vol%] Porhalt [%]

Vanliga Tg [ºC]

Härdnings temperatur [ºC]

Härdnings tid [h]

Vakuuminjicering 50-65 <0,5/<1 materialberoende rumstemperatur 1-20 LTM prepreg 45-65 <1 / <2 70-103 60-85 16(60ºC)/5(80ºC) SPRINT 45-65 <1 100-110 80-85 12 Zpreg 45-65 <2 85-105 65-80 16(60ºC)/5(80ºC) UV härdande 50-60 <1 115(Vinylester)

92 (Polyester) UVA-ljus 5-30 minuter

RTM ligth 30-50 <1 materialberoende rumstemperatur 1-10 Quickstep <65 <2 120-210 100-200 0,5-2 Tabell 7. Möjliga material som kan användas av metoden I tabell 8 redovisas tillverkningsmetodernas möjliga materialval för visa vilka begränsningar tillverkningsmetoderna har. Metod Matriser Fibrer Kärnmaterial Vakuuminjicering Alla (låg viskositet) Alla Ej honeycomb LTM prepreg Främst epoxi Alla Alla som klarar 65-85ºC SPRINT Främst epoxi Ej UD Alla som klarar 65-85ºC Zpreg Främst epoxi Ej UD Alla som klarar 65-85ºC UV härdande Vinylester, polyester

(låg viskositet) Glasfiber Ej honeycomb

RTM ligth Alla (låg viskositet) Alla Ej honeycomb, måste klara processens värme Quickstep Alla Alla Måste klara processens värme (upp till 180ºC) Tabell 8. Möjliga material som kan användas av metoden. Speciella krav på lagring och hållbarhet hos material som används till respektive metod bestäms av matrisens egenskaper.

52

Metod Hållbarhet [år], matris

Lagring, matris Antal materialåterförsäljare

Antal utrustningsförsäljare

Vakuuminjicering 1-2 Svalt Många Många LTM prepreg 1-2 Frys (-18ºC) Fåtal Många SPRINT 2 Frys (-18ºC) En Många Zpreg 1 Frys (-18ºC) En Många UV härdande 6 månader Skyddat från UVA ljus Fåtal Många RTM ligth 1-2 Svalt Många Fåtal Quickstep Materialberoende Materialberoende Många En

Tabell 9. Materialens hållbarhet och lagring mm. I tabell 10 redovisas hur viskositeten och geltiden påverkar tillverkningsmetoden.

Metod möjlig viskositet för injicering [mPas]

Beroende av matrisens geltid

Vakuuminjicering <500 Ja LTM prepreg - Till viss del SPRINT - Till viss del Zpreg - Till viss del UV härdande <500 Nej RTM light <500 Ja Quickstep - Till viss del

Tabell 10. Möjlig viskositet som kan användas av metoden samt metodens geltid. Som tidigare används färgfält, här för att illustrera processbarheten: god (grön) - dålig (röd), se tabell 11. Metod Repeterbarhet hos

tillverkninngsmetoden Ytfinish hos komponent

Draperbarhet hos materialet

Komplicerade geometrier

Vakuuminjicering LTM prepreg SPRINT Zpreg UV härdande RTM ligth Quickstep Tabell 11. Översikt av repeterbarhet, ytfinish, draperbarhet och geometrier för metoderna. I LÄSS-projektet är sandwichkonstruktioner till fartygsbyggnad av stort intresse därför är det viktigt att utreda om tillverkningsmetoden klarar dubbelsidig härdning av laminaten i sandwichkonstruktionen, se tabell 12.

53

Metod Största storlek på komponent

Dubbelsidig härdning

Mest lönsamma längd på tillverkningsserier

Vakuuminjicering Ca 200 m2 Ja Kort- Mellan LTM prepreg Ca 200 m2 Ja Kort- Mellan SPRINT Ca 200 m2 Ja Kort- Mellan Zpreg Ca 200 m2 Ja Kort- Mellan UV härdande Ca 200 m2 Nej Kort RTM ligth Storlek på form (ca 60 m2) Ja Långa Quickstep Storlek på form (20 m2) Ja Långa Tabell 12. Lista över komponentstorlek dubbelsidig härdning och serielängd.

10.1 Tillverkningsmetodernas lämplighet för olika fartygskomponenter I tabell 13 har valts att dela in olika fartygskomponenter fyra olika typer av komponenter för att översiktligt kunna jämföra olika tillverkningsmetoder. Dessa fyra grupper är valda för att täcka de vanligaste komponenterna som behövs vid fartygstillverkning. Med bordläggning menas själva skalet av skrovet. Många komponenter tillverkas från stora plana paneler, de sågas ut efter tillverkning och används till däck, överbyggnader, skott mm. Med bärande struktur avses spant, kölstock och andra bärande balkar i fartygskonstruktionen. Komplicerade delar kan vara jetaggregat, mindre interiör detaljer eller en radomer. Färg sätts efter hur komplicerat det är att tillverka med följande metoder. Grönt fält innebär att det är lätt att tillverka och röd svårt eller ej genomförbart. Detta för att åskådliggöra metodernas användbarhet inom marina applikationer.

Metod Bordläggning Stora paneler Bärandestruktur Komplicerade delar

Vakuuminjicering LTM prepreg SPRINT Zpreg UV härdande RTM light Quickstep Tabell 13. Metodernas lämplighet för olika fartygskomponenter.

10.2 Sammanfattning av jämförelser av tillverkningsmetoderna

• Vakuuminjicering har många fördelar processmässigt och kostnadsrelaterat. Tillverkningsmetoder som ger bättre mekaniska egenskaper är LTM prepreg och RFI där största nackdalen är materialkostnaderna.

54

• För olika typer av RFI och prepreg material är hållbarheten hos materialet begränsad

vilket kräver mer och noggrannare planering av tillverkaren.

• Samma matris används till RFI och lågtemperatur prepreg. Allt handlar om att på bästa möjliga sätt kombinera matris och fiber så att de får så bra fysikaliska och mekaniska egenskaper samt producerbarhet som möjligt. En begränsning är att det är svårt att tillverka RFI med UD-band. Däremot går det bra med muliaxiella mattor. Vissa båttillverkare kombinerar prepreg och RFI för att få till fiberriktningarna och egenskaperna hos laminatet.

• RTM ligth och Quickstep har formkostnaden och begränsade flexibiliteten som en

bestämd form ger som största nackdel. Tillverkningsstorleken är också begränsad.

• Quick Step är inte lämpad för tillverkning av marina komponenter i större utsträckning. Metoden kan vara användbar för mindre detaljer med hög prestanda som delar i maskinrummet eller andra delar med höga krav på storlek, ytfinish, värmetålighet och mekaniska egenskaper. Går inte att använda till större delar såsom skrov, däck och överbyggnader mm.

• UV-härdande har nackdelen att bara enkelsidig härdning kan göras men har däremot

en stor fördel med härdningstid och temperatur vilket kan göra den användbar för vissa applikationer.

Metodernas användbarhet kan viktas olika vid tillverkning av olika typer av fartyg och komponenter beroende på kravspecifikation och utformning. Vissa specifika egenskaper kan göra att metoderna ändå är intressanta att utreda vidare och tillverka en provpanel av.

11. Materialkostnader I detta avsnitt har kostnader för material till tillverkningsmetoderna sammanställts. Priserna är ungefärliga och gäller vid beställning av större mängd material. Priserna är exklusive moms och utan fraktkostnad. I tabellerna nedan redovisas kostnader för material som behövs till de olika tillverkningsmetoderna som beskrivits i tidigare kapitel. Vid jämförelse av kostnad för fiber och matris med tillverkningsmetoderna vakuuminjicering och LRTM mot prepreg och RFI i tabell 14,15 och 16 skiljer det mycket i kostnad. Material Kostnad [kr/kg] Torra fibrer, Glasfiber 30 Torra fibrer, Kolfiber 300-400 Polyester 20 Vinylester 40 Epoxy 50 UV härdande vinylester 45 Fibermattor med inbyggda flödesskikt, glasfiber

40-100

Tabell 14. Material till vakuuminjicering och LRTM

55

För Zpregen och SPRINT skiljer priset relativt mycket beroende på vilken typ av väv som används. För dessa båda material gäller att priser per kg är beroende av antalet m2/kg material. Där ytan av materialet som måste tillverkas är en del av kostnaderna för materialet. Priset är beräknat för ett kilo fiber, där kostnad för tillhörande matris till ett kilo fiber är inkluderat. Material Kostnad [kr/m2] Kostnad per kg fiber

[kr/kg] Zpreg kolfiber +/-45 2x300 g/m2 711 1185 Zpreg kolfiber 2x2 twill 2x600 g/m2 806 610 Sprint kolfiber +45 200 & -45 200 g/m2 337 562 Sprint kolfiber +45 300 & -45 300 g/m2 400 667 Sprint kolfiber twill 2x303 g/m2 560 925 Prepreg kolfiber VTM264 UD 300 g/m2 188 626 Tabell 15. Kolfibermaterial till RFI och prepreg Material Kostnad [kr/m2] Kostnad per kg fiber

[kr/kg] Zpreg glasfiber +/-45 2x318 g/m2 242 380 Zpreg glasfiber 2x2 twill 2x600 g/m2 322 268 Sprint glasfiber +45 300 & -45 300 g/m2 160 267 Sprint glasfiber twill 2x580 g/m2 309 266 Prepreg glasfiber VTM264 UD 300 g/m2 134 446 Limfilm VTA260 250 g/m2 161 644 Limfilm SA70 250 g/m2 167 668 Limfilm SA70 400 g/m2 200 501 Tabell 16. Glasfibermaterial till RFI och prepreg Vakuuminjicering med spårad kärna jämfört med olika flödes skikt är kostnaden ungefär samma beroende på vilken spårning som väljs. Där spårning kostar 12,5 eller 20 kr/m2 och olika flödesskikt kostar mellan 3-21 kr/m2, se tabell 5 och 6. Där de dyrare flödesskikten ger snabbare injiceringshastigheter. Ibland används flera lager med flödesskikt. Spårad kärna ger snabbare injiceringshastighet än injicering med flödesskikt. Injicering med inbyggda flödesskikt kostar per m2 40-100 beroende på vilken typ av fiberväv som används i kombination med flödesskiktet. Detta ger en ökad kostnad mot vanliga glasfibermattor på 10-70 kr/kg som kan jämföras med kostnader för injicering med spårad kärna och flödesskikt. Material, Processmaterial Kostnad [kr/m2] Vakuumbag 8 Hundkött 2-2,5 [kr/m] Avrivningsväv 20 Operforerad plastfolie, släppfilm 6 Breather 10 Sommarväv, 0,5 mm tjock 3-4 Sommarväv som är gjord för injicering 25 Flödesskikt, Aerovac v2 11 Flödesskikt, Aerovac vi1 21 Nylonslangar, 12 mm ytterdiameter 6-8 Spiralslangar 6-8 Tabell 17. Processmaterial för tillverkning

56

Material, Kärnmaterial, Divinycell Kostnad [kr/m²] Kryss spårad en sida c/c 20 mm samt 3 mm hål med anslutning till spåren

25

Kryss spårad båda sidor c/c 20 mm 40 H60, tjocklek 25/50 mm 258/550 H80, tjocklek 25/50 mm 361/745 H100, tjocklek 25/50 mm 564/1088 H130, tjocklek 25/50 mm 748/1498 H200, tjocklek 25/50 mm 1300/2037 HP kvalité +25 % på H60-200´s priser Tabell 18. Kärnmaterial för tillverkning av sandwichkonstruktioner Vid tillverkning av sandwichkonstruktioner med prepreg och RFI bör ett dyrare kärnmaterial användas jämfört med vakuuminjicering tex divinycell’s HP kvalitet istället för divinycell’s H kvalitet för att kärnmaterialet ska klara den högre temperaturen under längre tid, se tabell 18.

12. Tillverkning av provpanelerna

12.1 Val av tillverkningsmetoder Valet av metoder för att användas vid tillverkning av de fem provpanelerna var de som verkade mest lovande för flest olika typer av marina komponenter. Vakuuminjicering används mycket inom marinindustrin idag. Metoden har flera fördelar som gör den mycket användbar. Detta gör det som en självklarhet att denna metod bör finnas med bland de metoder som väljs ut för tillverkning. Helt vanlig standard vakuuminjicering är en mycket beprövad metod. Vilket gjorde det mer intressant att välja vissa varianter av metoden som kan vara av intresse att utreda och analysera närmare. Därför valdes co-injicering för att studera hur olika matriser kan kombineras i samma laminat. Den andra vakuuminjiceringsmetoden som valdes att är vakuuminjicering med en matris som härdas med UVA-strålning. För att prepreg ska vara användbart inom marinindustrin kräver det materialsystem som kan härdas vid lägre temperaturer. Därför valdes lågtemperatur prepreg som används mest idag för högprestanda båtar. Den största nackdelen är det höga materialpriset. I övrigt har metoden många fördelar och borde ge goda mekaniska egenskaper på färdig komponent. Nyare metoder som olika typer av RFI kan vara lämpade för tillverkning av marina komponenter. Där också det höga priset för materialet är en stor nackdel. Fördelar med dessa metoder är snabb och enkel tillverkning. Även där valdes material med lågtemperaturhärdande matrissystem.

12.2 Jämförbarhet av metoder map materialval För att metoderna ska bli mest jämförbara med varandra bör så lika material som möjligt användas till panelerna. Det är främst vid mekanisk provning och mätning av fysikaliska

57

egenskaper som materialvalen har störst betydelse då resultaten måste vara jämförbara för att rättvisande slutsatser ska kunna göras. Vid val av matris valdes epoxi som användes till alla paneler utom den UV härdande där den möjligheten inte fanns. Vid tillverkning av denna panel används vinylester. Till samtliga paneler används E-glas som armering. Armeringen var multiaxiella mattor där fibrerna är raka förutom till panelen som tillverkades med SPRINT där 2x2 twill väv användes istället. Eftersom fibrerna i twill väven är något böjda resulterar detta i sämre tryckhållfasthet, övrig provning bör inte påverkas nämnvärt. Anledningen till att glasfiber valdes som armeringsmaterial är att porer och defekter lättare syns visuellt vilket annars inte skulle kunna urskiljas om kolfiber användes istället. Det är även lättare att få tag i samma kvalité av glasfiber då inte lika många olika typer av glasfiber finns att tillgå som kolfiber. Tanken är att laminaten i panelerna ska vara kvasiisotropiskt upplagda. Det som kommer att skilja är fibermattornas ytvikter vilket kommer leda till att det blir olika många lager i laminaten. Även fast upplägget kommer att vara kvasiisotropiskt kommer fiberuppläggningsvinklarna inte bli i samma ordning i alla laminaten. Det som kommer att hållas lika är ytvikten fiber i laminaten samt laminattjockleken, där ca 4 mm tjocka laminat eftersträvas. Kärnmaterial till panelerna är divinycell från DIAB. Till panelerna som vakuuminjiceras används divinycell´s H serie av typen H100. För panelen som tillverkas med metoden co-injection används DIAB´s standardspårning GPC1, vilket innebär att kärnan är spårad på ena sidan med cc 20 mm i rutmönster. Där spåren korsar varandra är hål borrade till andra sidan som är slät. Till den andra vakuuminjicerade panelen som tillverkas med UV-härdande matris används kärna som är spårad med cc 20 mm på båda sidorna utan hål. Anledningen till att inte samma ytstruktur på divinycell H100 användes till dessa paneler är att metodernas tillvägagångssätt krävde olika spårning och hålning. För panelerna som tillverkas med RFI och prepreg används divinycell´s HP serie, HP80. Dessa kärnmaterial är helt plana på båda sidor. Övrigt kan nämnas att HP80 är stabiliserad under kortare tid, ca 15 dagar istället för 25, detta ger sämre vidhäftning till laminatet. HP kvalitén användes eftersom detta rekommenderas vid tillverkning med prepreg och RFI då högre temperaturer används under längre tid jämfört med vakuuminjicering, där H kvalitén är lämpad för härdning i rumstemperatur. HP kvalitén är dyrare än H kvalitén. Pga lång leveranstid kunde inte samma densitet av divinycell i H och HP kvalité fås till denna undersökning. Kärnmaterial till samtliga paneler sågas till dimensionerna 1200x400x25 mm och med en vikt på ca 1 kg vardera.

12.3 Val av tillverkningssätt Panelerna har tillverkats och härdats enligt produktdatablad från tillverkaren.

12.4 Processbarhet Panelerna tillverkade för att i största möjliga mån efterlikna produktion av stora komponenter så att hänsyn till möjliga temperaturer, tillvägagångssätt och hantering mm tagits. Panelerna är plana utan komplicerade geometrier och har liten storlek. Detta gör att tillverkning med mer komplicerade geometrier och större ytor inte kan provas hos metoderna. Fördelar och

58

nackdelar hos producerbarheten med de olika metoderna noteras vid tillverkning för att sedan sammanställas och jämföras.

12.5 Tillverkning av provpanel med Sprint

12.5-1 Materialhanteringen Materialet är av typen SP95 och heter SL11-2560:

• Matris: epoxi • Väv: 2x2 twill 0/90 • Två lager 2x580 g/m2 • Rullbredd: 1250 mm • Kärnmaterial: Divinycell HP80 • Limfilm: SP´s epoxi med en ytvikt på 250 g/m2 med tunn armering av glasfiber

Rullen med Sprint har på ena sidan en vit styv skyddspapp som materialet fäster väl mot och på andra sidan en blå lite styvare plast som materialet inte fäster mot. Denna skrynklar lätt ihop sig och släpper från materialet. Skyddspappen gör att materialet inte klibbar och fastnar vid skärning samt att materialet hålls mycket stabilt så att fibrerna hålls raka. En annan fördel är att matrisen är inkapslad mellan två fibermattor, vilket underlättar hanteringen av materialet. Materialet på rullen blir lätt vågig när den rullas ut. Detta går att rätta till utan att skjuva fibrerna. Sprint-materialet är mindre draperbart än Zpregen. Materialet är svårt att skära med den tjocka pappen. En irriterande effekt är att en av mattorna kan vecka sig men inte den andra, detta gör att vecket är omöjligt att räta ut utan att den andra sidan veckar sig. Detta gör att materialet får en defekt, därför måste hanteringen av materialet göras med omsorg. Rullen bör förvaras stående så att inte veck kan uppstå Det blir även mycket skräp, där den vita pappen innehåller epoxi efter avrivning och måste härdas ut. En stor fördel är att uppläggningen är snabb och enkel.

12.5-2 Tillvägagångssätt Upplägg: [0/90/0/90/+45/-45/+45/-45/0/90]2s Antal lager i varje laminat: 5 st Vikt per lager: 940 g Vikt på kärna: 920 g

• Först läggs Sprint-lagrena upp på formen för första laminatet och högst upp läggs limfilmen, se figur 17a.

• Debulking av undre laminatet sker i 20 minuter.

• Sedan läggs kärnan på och limfilm.

• På limfilmen läggs det övre laminatet med Sprint upp. Vid uppläggning av båda

laminaten sticks glasfibertrådar in ca en centimeter med ett avstånd på ca 20 cm från varandra, se figur 17b och 17c.

59

• Ovanpå placeras en operforerad plastfolie, se figur 17d. Glasfibertrådarna klipps för att inte sticka ut ur formen.

• Ovanpå placeras en vit polyestermatta sk breather, se figur 17e.

• Formen stängs och vakuumpumpen kopplas in i en färdig koppling i formen, på den

andra kopplingen sätts en mätare som mäter vakuumtrycket i formen.

• När så lågt vakuumtryck som möjligt uppnåtts, här 71 mbar får komponenten stå ytterligare ca 60 minuter innan formen rullas in i ugnen och härdningscykeln påbörjas.

• Temperaturen ökas från rumstemperatur (23°C) med 2°C/minut upp till 85°C och

bibehålls därefter i 12 timmar.

• Panelen får sedan svalna långsamt innan den tas ut ur ugnen och avformas.

a b

c

d

e

Figur 17. Förberedelser före härdning i ugn.

60

12.5-3 Resultat efter tillverkning Panelen har inga synliga defekter eller laminatveck. Det enda som kan urskiljas är några små porer jämnt fördelat över laminatet som syns som små ljusare fläckar. Dessa porer har antagligen uppstått när flödesfronterna från matrisarken möts och porer inneslutits då matrisens viskositet är sådan att den har svårt att helt smälta samman med den mötande flödesfronten. Ytan är aningen skrovlig men jämn i sin helhet. Panelen verkar genomhärdad. Laminaten blev olika tjocka där en övre laminatet blev ca 0,5 mm tjockare. Detta berodde på den en återanvändningsbara bagen inte hade hundöron utan trycket på kanterna blev högt där en avrundning av kanterna runt panelen upptill är synlig, se figur 17a. Detta gjorde att övre panelens matris stängdes inne eftersom en operforerad plastfolie användes medan det undre laminatet blödde ut något. Även den synliga porhalten blev högre i detta laminat jämfört med det undre då lufttransport i övre laminatet försvårades. Att laminaten hade olika tjocklek upptäcktes inte förrän samtliga paneler var färdigtillverkade och skulle kantsågas. Därför återfinns samma fenomen i Zpreg och prepreg panelen.

12.6 Tillverkning av provpanel med Zpreg

12.6-1 Materialhanteringen

• Matris: epoxi • Väv: två lager med +45/-45 i varje • Vikt: 2x318 g/m2 • Rullbredd: 1250 mm • Kärnmaterial: Divinycell HP80 • Limfilm: ACG´s epoxi med en ytvikt på 250 g/m2 med tunn armering av polyester

De två lagrerna av den multiaxiella väven sitter tätt ihop och matrisen är impregnerad från ena hållet där matrisremsorna syns tydligt medan ovansidan ser ut som torr armering, se figur 18a. Där flera tunnare lager och riktningar ger god draperbarhet hos materialet. Matrisremsorna är 5 cm breda och mellanrummen 1 cm med oimpregnerade fibrer. Zpregrullen har en blå plastfilm på samma sida som matrisremsorna är på. Filmen sitter bra på men är även lätt att ta loss. Eftersom det bara är skyddsfilm på ena sidan klibbar rullen ihop sig, då Zpregen lätt fäster på den blåa plastfilmen. Den blåa skyddsfilmen håller formstabiliteten bra hos materialet, det är först när den tas bort som materialet bör hanteras försiktigare då det kan skjuvas. Detta kan tex ske om epoxin fastnar i underlaget och då trycks lätt det lilla mellanrummet med torra fibrer ihop och materialet är sen svårt att räta ut till sin ursprungsform. Materialet har en lagom klibbighet som gör att det är lätt att fästa i vid uppläggning. Zpregen är lätt att skära och draperbarheten god. Den sida av materialet som är matrisimpregnerad placeras neråt i formen vilket gör att lagerna kan fastna i varandra. Limfilmen var lätthanterbar med blå skyddsfilm på ena sidan och papp på andra sidan.

61

a

b

c

d Figur 18. Uppläggning av Zpregen.

12.6-2 Tillvägagångssätt vid tillverkning Upplägg: [0/90/0/90/0/90/0/90/+45/-45/+45/-45/+45/-45/+45/-45]2S Antal lager i varje laminat: 8 st Vikt per lager: 509 g Vikt på kärna: 920 g Något som inte följdes enligt användningsanvisningarna vid tillverkning var att matrisremsorna skulle placeras i samma riktning i hela laminatet, se figur 18. Om detta ska vara möjligt måste två olika rullar användas för att få ihop ett kvasiisotropiskt laminat. Förberedelserna var som för panelen tillverkad med Sprint. Uppläggningen av fibrerna för hela panelen tog ca två timmar.

• Sandwichkonstruktionen efter uppläggning stoppades i en återanvändningsbar siliconbagsform in i ugn, se figur 18b.

• Vakuumtryck vid härdning var 56 mbar.

• Härdningsprogram för Zpregen är att från 22°C i rumstemperatur stegas värmen upp

med 2°C/min till 65°C och temperaturen på 65°C bibehålls i 16 timmar.

62

• Efter härdning får laminatet svalna långsamt innan avformning.

12.6-3 Resultat efter tillverkning Det färdiga laminatet uppvisade synliga porer tätt ihop i små områden. Dessa områden var placerade där innan härdning oimpregnerade ränder i materialet korsade varandra mellan de vinkelräta och de diagonala linjerna, se figur 19b. En lösning på detta kan vara att använda en perforerad plastfolie istället för en helt tät. Alternativt använda en operforerad plastfolie ovanpå, och på sidorna använda en perforerad plastfolie för lufttransport då luften lättare kan gå ut i breathern och ur laminatet. Enda utvägen för luften i laminatet under härdning är genom glasfiber buntarna runtom laminatet, vilket inte ger speciellt stora möjligheter till lufttransport. De borde dessutom relativt snabbt bli tilltäppta när matrisens viskositet sjunker och matrisen impregnerar dessa under härdning. Det enda problemet med materialet vid härdning är att laminatet får en viss ytvågighet när laminatet sätts under vakuumtryck eftersom det finns impregnerade och torra områden som kompakteras olika. Dessa olika tjocklekar jämnas inte helt ut vid härdning. Fibrerna behåller något av en sk hängmatteeffekt i de från början torra områdena vilket borde försämra tryckhållfastheten, se figur 19a. Ytkvalitén ovanpå är något bättre än det vakuuminjicerade laminatet och jämförbar med Sprint-panelen. Dock kan här noteras att bara bulklager användes och inga ytlager eller ytfilmer, som ska ge bättre ytfinish. Laminatet var helt genomhärdat efter tillverkning. Inga synliga defekter eller laminatveck kunde upptäckas.

Figur 19. På bild till vänster (19a) kan ytvågighet från ränderna i härdat skick urskiljas på panelen. På bilden till höger (19b) kan de innan härdning torra ränderna fortfarande anas.

För att få ett kvasiisotropt upplägg av en och samma rulle blir matrisremsorna tvärs och diagonalt mot längdriktningen. Egentligen ska matrisremsorna vara längs längdriktningen. För att kontrollera om detta påverkade resultatet tillverkades ett mindre laminat med alla matrisremsorna i längdriktningen. Vid visuell inspektion innehöll detta laminat inga synliga porer men ytvågigheten var den samma, se figur 19a.

63

12.7 Tillverkning av provpanel med VTM Prepreg

12.7-1 Materialhanteringen

• Matris: epoxi • Väv: UD-tape • Vikt: 300 g/m2 • Rullbredd: 300 mm • Kärnmaterial: Divinycell HP80 • Limfilm: ACG´s epoxi med en ytvikt på 250 g/m2 med tunn armering av polyester

Rullen var försedd med papp på ena sidan prepregen och plastfilm på andra sidan. Prepregens låga ytvikt gör att den är väldigt formbar och lätt draperbar. Eftersom prepregen bara innehåller ett lager från början samt har en relativt låg ytvikt behövs det många lager för att bygga laminatet. Rullens smala bred gjorde att den behöver skäras många gånger, se figur 20. Materialet var lätt att skära och bygga upp. Materialet fick skarvas ihop på flertalet ställen. Detta beror förstås på vilket format och typ av armering som väljs.

a b

c d Figur 20. Uppläggning av prepreg lagrerna.

64

12.7-2 Tillvägagångssätt vid tillverkning Upplägg övre laminatet: [0/90/0/90/+45/-45/+45/-45/]2s Upplägg undre laminatet: [0/90/0/90/0/90/0/90/+45/-45/+45/-45/-45/+45/+45/-45/+45/-45/-45/+45] där de första lagrerna är läggs närmast formen. Antal lager i varje laminat: 16 st Vikt på kärna: 930 g Tillverkningen sker på liknande sätt som för RFI materialen där varje laminat debulkas innan härdning. Limfilm placeras närmast kärnan på båda laminaten. Samma form används.

• Vakuumtrycket var här 55 mbar.

• Härdningscykel är samma som för Zpregen (16 timmar i 65C).

12.7-3 Resultat efter tillverkning Resultatet för den färdiga panelen blev mindre bra. Det undre laminatet närmast runt kanten på blev porfri, se figur 21a. I mitten förblev luften innestängd med synliga porrika områden. Antagligen skulle fler debulkingar och noggrannare uppläggning av laminaten gett ett betydligt bättre resultat. Detta beror på ovana med materialet. Ovansidan har också en stor mängd synliga porer. Ytkvalitén blev som för RFI panelerna, se figur 21b.

a b Figur 21. Den färdiga VTM prepreg panelen.

12.8 Tillverkning av provpanel med Co-injicering

12.8-1 Materialhanteringen

• Matris: rumstemperaturhärdande epoxi, Huntsman LY5052 • Väv: Devold DBLT multiaxiell väv [0/45/90/-45] • Vikt: 1150 g/m2 • Rullbredd: 1250 mm

65

• Kärnmaterial: Divinycell H100 Armeringen är relativt styv och enkel att hantera. Draperbarheten är dålig hos mattan. Mattan är svår att skära igenom eftersom den är tjock och fibrerna ligger i flera riktningar. Uppläggning av fibrerna är snabb och enkel för de plana panelerna. Det tar tid att blanda harts och härdare som också måste avgasas i flera omgångar, en för harts och härdare var för sig och sedan tillsammans.

12.8-2 Tillvägagångssätt vid tillverkning Upplägg: [0/-45/90/+45/0/-45/90/+45/-45/90/+45/0/-45/90/+45/0] Antal lager i varje laminat: 4 st Vikt per lager: 523 g Vikt på kärna: 990 g

• Bordet vaxas först i tre omgångar. • Närmast bordet placeras ett lager med sommarväv och avrivningväv ovanpå.

• Sedan placeras två lager med fibermattor.

• Längs ena långsidan placeras en spiralplastslang som kopplas till ingötet.

• Längs andra långsidan placeras en långsmal injiceringsfläta (orange plast) som

kopplas till utgötet.

• På läggs mylar som tätas runtom med hundkött och förses med in- och utgöt, se figur 22. Särskiktet är av mylar och fungerar även som vakuumbag för den undre delen av undre laminatet. Det undre laminatet ska injiceras med två matriser, en rödpigmenterad epoxi och en icke pigmenterad för att testa själva principen. För att mekanisk provning ska kunna genomföras används samma matris i hela laminatet.

• Sedan placeras de två resterande fibermattorna ovanpå.

• Första laminatet är upplagt och kärnan placeras på detta laminat. På kärnan läggs

fibrerna till övre laminatet upp med fyra lager med mattor.

• Längs ena långsidan av panelen läggs en spiralslang som kopplas till nästa ingöt. Ovanpå panelen längs andra långsidan placeras ett långsmalt distributionsskikt sk injiceringsfläta (röd) där utgötet kopplas in på mitten av denna, se figur 22c.

• Ovanpå allt placeras den yttre vakuumbagen som försluts med hundkött och förses

med hundöron. Vakuumbagen förses även med in- och utgöt, se figur 22.

66

a

b

c d

Figur 22. Uppläggning och injicering. Undre delen av undre laminatet använder sig av ett flödesskikt av sommarväv för distribuering av matris. Den övre delen använder sig av den spårade sidan av kärnan. På ovansidan används samma matris som det övre av de undre lagren. Matrisen distribueras via hålning i kärnan till det övre laminatet. Det övre laminatet co-injiceras inte för att ha detta laminat att jämföra med det co-injicerade laminatet vid mekanisk provning.

• Injiceringstid, yttre vakuumbagen: 8 min • Injiceringstid, inre vakuumbagen: 21 min • Injiceringstryck: 31 mbar för båda bagarna

När matrisen nått utgötet ändras trycket till 300 mbar och laminaten får härda.

12.8-3 Resultat En anledning till att det gick långsammare i co-injiceringen kan vara att spårad kärna transporterar matris effektivare än sommarväven. Någon annan förklarig till varför denna gick långsammare att injicera är svår att finna. Under injiceringen läcker det någonstans i den yttre vakuumförseglingen, luftbubblorna följs till kortsidan av kärnan men läckan kan inte tätas. Luftbubblorna från läckan verkar ha gått på sidan av laminatet vid kärnan och sedan till utgötet. Vid visuell inspektion av den färdiga panelen syns inga defekter eller synliga porer. Den övre delen av undre laminatet innanför det

67

röda hartset går inte att inspekteras utan får undersökas senare vid provningen. Mylarfilmen verkar ha fäst mot laminatet på båda sidor. Tillverkningen var lyckad och fullständig härdning av laminaten har skett. Vid bearbetning av panelen syns att den övre delen av det undre laminatet innehåller synliga porer, även hålningen i kärnan innehåller luftbubblor. Även kan noteras att matriserna inte har blandats i det undre laminatet.

12.9 Tillverkning av provpanel med UV-härdande vinylester

12.9-1 Materialhanteringen

• Matris: rumstemperaturhärdande vinylester Atlac 430UV från DSM • Väv: Devold DBLT multiaxiell väv [0/45/90/-45] • Upplägg för ett laminat: [0/-45/90/+45/0/-45/90/+45/-45/90/+45/0/-45/90/+45/0] • Vikt: 1150 g/m2 • Rullbredd: 1250 mm • Kärnmaterial: Divinycell H100

Vinylestern är färdigblandad i förpackningen, inga tillsatser behöver vägas och tillsättas. Matrisen behöver inte heller avgasas, det är bara att öppna behållaren och stoppa ner injiceringsslangen. Det är inget problem med matrisens viskositet i rumstemperatur vid injicering utan den går bra att injicera utan att behöva värmas. När det är färdigt är det bara att ta ur slangen och sätta på locket igen. Nackdelen är rengöringen av ohärdad matris som blir kvar i slangar mm som inte går att härda ut efteråt. Lampan som används är en osram 300 W med UVA-spektrum. Innan injiceringen frästes spår på båda sidorna av kärnan. Spåren var 2x2 mm och med cc 20 mm i rutmönster.

12.9-2 Tillverkning av testlaminat För att prova härdningsmekanismen hos matrisen gjordes först två test enkel laminat på 30x30 cm, se figur 23a. Testlaminatens tjocklek motsvarar ett laminat på den stora panelen då samma antal lager med samma typ av fibermatta används. Lampans avstånd från laminatet justeras efter hur stort område som belyses. Tanken är att på den stora panelen härda över hela dess bredd (40 cm) och sedan flytta lampan över panelen i längdled fyra gånger för att härda hela panelen. Avståndet som verkar ge lagom spridning av ljuset och tillräcklig belysning för att effektivt härda laminatet är 40 cm ovanför laminatet.

68

Testlaminat 1:

• Injiceringstid: 7 min • Injiceringstryck: 30 mbar • Tryck efter injicering: 300 mbar i 10 min för att trycket ska fördelas jämnt över

laminatet • Därefter belysning i 10 min • Högsta temperatur på laminatets yta under härdning: 28°C. • Direkt efter härdning avformas laminatet som var helt genomhärdat.

Testlaminat 2:

• Injiceringstid: 9 min • Injiceringstryck: 33 mbar • Tryck efter injicering: 300 mbar i 10 min för att trycket ska fördelas jämnt över

laminatet • Därefter belysning i 5 min för att testa den nödvändiga belysningstidens längd för att

genomhärda laminatet. • Ytan på laminatet härdar efter bara en minut. När laminatet avformas är den kladdig

på undersidan. När laminatet inte belyses avstannar härdningen direkt. Härdningsprocessen fortgår bara vid direkt belysning. Det går inte att sätta igång processen med UV-ljus och sedan sluta belysningen och låta härdningsprocessen fortlöpa tills den är helt härdad. Problem med härdningen vid in- och utgöts kanaler uppstod då dessa material inte är genomsläppliga för UV ljus. Det härdade inte i spiralslangar och injiceringsflätor mm. Andra material måste väljas vid injiceringen av den stora panelen för att den delen av laminatet som är under dessa ska kunna härda.

a

b

69

c d Figur 23. Förberedelser för injicering.

12.9-3 Tillvägagångssätt vid tillverkning

• För injiceringen frästes ett spår i kärnan längs kanten av ena långsidan med mått 5x6 mm, se figur 23b. Detta spår ska fungera som distributionskanal från ingötet för matrisen vid injiceringen istället för spiralslang.

• Fibermattorna för ett laminat placerades ovanpå kärnan.

• Längs andra långsidan av panelen placeras ovanpå fibrerna först en remsa med

avrivningsväv och sedan två lager av en 5 cm bred huggen matta, se figur 23d. Till detta kopplas utgötet.

• Plastslang till ingötet ansluts till injiceringsspåret i kärnan, se figur 23c.

• Allt försluts sedan med en vakuumbag med hundöron som tätas runtom med hundkött,

se figur 23a.

• Ett laminat injiceras i taget för att det ska vara möjligt att härda med UVA-ljus. Lampan placeras 40 cm ovanför laminatet. När injiceringen är klar och trycket sänkts till 300 mbar sätts lampan på och laminatet får härda.

Det tog lång tid att härda genom hela laminatet säskilt matrisen i spåren i kärnan. Det behövdes ca 35 minuter på varje ställe över laminatet för att härda hela laminatet. Kan bero på lampans effekt eller valet av UV-härdande matris då det säkert finns effektivare matrissystem att tillgå. Härdning sker på en yta av ca 400x400 mm i taget på panelen. Högsta värme som uppmätes på ytan av laminaten var 53°C. Ytan på laminatet härdar på bara ca 1 minut, att härda på djupet tar väsentligt mycket längre tid. Det är svårt att veta när det är genomhärdat eftersom ytan blir hård på en gång. När det första laminatet var färdighärdat vändes panelen och samma procedur gjordes för det andra laminatet. Intressant att notera är matrisimpregneringen av armeringen. Spåren i kärnan fylls först med matris, sedan impregneras fibrerna i laminatets tjockleksriktning och sist impregneras mitten av ”rutorna” när flödesfronten rör sig tvärs över laminatet, se figur 24c. Flödesfronten är sned då matrisen närmast ingötet rör sig fortast, se figur 24b.

70

a b

c

d Figur 24. Injicering av panelen.

12.9-4 Resultat efter tillverkning Laminaten behövde relativt lång tid att genomhärda. Det var svårt att härda matrisen i spåren i kärnan då spårens väggar gav skuggor vid belysning ovanifrån. Detta gjorde att matrisen i spåren aldrig blev helt genomhärd. Matrisen i det frästa injiceringsspåret i kärnan härdade inte heller helt. Inga synliga porer eller defekter fanns i laminatet. Härdningen verkar bara pågå när laminatet belyses, då fotoinitiatorerna aktiveras som bryter upp bindningarna och bildar fria radikaler. Dessa gör polymerena kan tvärbinda sig. De vanliga härdarna säkerhetsställer att fullständig härdning sker genom hela laminatet vilket är mer osäkert vid UVA-härdning. Ytfinishen på panelen var som för den co-injicerade panelen eftersom samma typ av fibermatta använts. Hur mattan är sydd påverkar att ytfinishen mest och gör att den blir vågig.

12.10 Slutsatser från tillverkningen Resultatet vid visuell inspektion efter tillverkning av de olika panelerna varierade. Det som skilde mellan de olika panelerna var porhalt, ytkvalité samt härdningsgrad.

71

• Tillverkning med prepreg var tidskrävande, då tillkapning och uppläggning av materialet tog lång tid. Uppläggning av fibrerna och debulking gjordes inte tillräckligt noga utan luft stängdes inne i laminatet.

• Vid vakuuminjicering var det problem med läckage i vakuumbagen. Injiceringen av

matris kräver mycket tid i förberedelser.

• Den UV-härdande panelen var svår att genomhärda.

• Vid härdning av Sprintmaterialet möts flödesfronter och då har matrisen svårt att helt smälta samman och bilda en homogen massa, utan porer blir innestängda i matrisen vid härdning. Zpreg har luftkanaler i materialets plan så att efter impregnering i tjockleksriktningen kan matrisen lättare smälta samman och sist impregnera de torra fibrerna i luftkanalerna. Alternativt kan ett tjockare matrisfilmslager användas under fiberlagrerna och impregnera fibrerna nerifrån och upp utan att flödesfronter möts.

Metod Härdningstid [h] Härdningstemperatur [°C] SPRINT 12 85 Zpreg 16 65 VTM prepreg 16 65

Tabell 19. Härdningstid och temperatur för de ugnshärdade panelerna. Vid tillverkning jämfördes hela tillverkningsprocesserna mellan de olika metoderna för att avgöra metodernas processbarhet. Sammantaget var Sprint och Zpreg panelerna de som hade bäst processbarhet. De var enklast att använda och gick snabbast att lägga upp. Härdningen var väl kontrollerad, se tabell 19.

13. Provning Provningen av mekaniska och fysikaliska egenskaper hos panelerna syftar till att jämföra kvalitén och hållfastheten hos panelerna. Följande prover har utförts:

• Paneltryckprov: Tryckprov har valts att användas för att tryckhållfastheten försämras mer om defekter, porer, dålig vidhäftning mellan matris och fiber eller dålig härdning av matrisen i laminaten finns jämfört med dragprov.

• Vibrationstest används för att bestämma E-modul • Trepunktsböjning (ILSS): För att jämföra kvalitén map på vidhäftning mellan matris

och fiber. Delamineringshållfastheten försämras också med ökande porhalt i laminatet. • Mätning av fiberhalt: Högre fiberhalt ger lägre vikt, då mindre andel matris behöver

användas. • Mikroskopering: För att närmare analysera defekter, mängd porer och impregnering i

materialet.

72

13.1 Paneltryckprov

För att jämföra hållfastheten hos panelerna utförs tryckprov. Tryckhållfastheten påverkas av kvalitén hos panelerna såsom fiberparallellitet, hur raka fibrerna är, impregneringsgrad, porhalt samt defekter i laminaten.

13.1-1 Testuppställning Tryckprov görs med provstavar med midja. Dimensionerna är 100 mm hög, 60 mm bred med en midja på 30 mm och panelens fulla tjocklek. Provstaven har 15 mm på vardera sida med full bredd upptill och nertill innan midjan påbörjas för att säkerställa att brott sker i midjan, se figur 25. Provstavarna kantfräses för att ändytorna ska bli parallella och lasten jämnt fördelas över båda laminaten. Provstavar togs tvärs över panelen för att ge ett genomsnittligt värde för kvalitén på panelen. Ur varje panel tas fem provstavar fram. Provstavarna trycks till brott i en 100 kN Instron provmaskin mellan fasta parallella metallplattor. Töjning mäts på ena sidan av provstaven med en extensometer. För att extensometern inte ska glida på provstaven används tipex, se figur 25a. Provet lastas till en töjning om 0,8 % då programmet stoppas och extensometern kan flyttas från provstaven. Sedan belastas provet till brott, och brottlast mäts. Från uppmätt spänning tillsammans med töjningen beräknas E-modul fram.

a b

73

c d

Figur 25. Provstavar som belastats till brott. 25a och d är provstavar från Sprint panelen och b från Zpreg samt c UV-härdade panelen.

13.1-2 Metod För att kunna jämföra de olika panelernas tryckhållfasthet tas ett jämförelsetal fram. Detta jämförelsebegrepp kan ses som ett prestandavärde där brottlast över provstavens bredd tas i förhållande till ytvikt laminat i belastningsriktningen, se formel 1.

taljämförelseY

b

Pcr

=2

(1)

Ytvikten som bidrar till tryckhållfastheten för laminatet beräknas enligt följande:

f

m

W

WYY

YYY ⋅

+++= °±

°°±

°101045

045

0 (2)

Där °0Y är ytvikten fiber i belastningsriktningen och °±45Y är ytvikten fiber i 45± -riktningen.

Fibrer vinkelrätt mot belastningsriktningen anses inte bidra nämnvärt till tryckhållfastheten [1]. fW och mW är viktsprocent fiber respektive matris som mäts upp för respektive panel

genom avbrännings prover, se avsnitt 13.4. Tillhörande matris till fibrer som bär last används i prestandavärdet eftersom även så låg vikt som möjligt på panelerna är eftersträvas.

74

13.1-3 Resultat

Jämförelsetal Tryckhållfasthet

0,15

0,25

0,35

0,45

0,55Co-injicering

UV-Härdande

Zpreg

VTM Prepreg

SPRINT

Diagram 1. Medelvärde för de framräknade prestandavärdena för provstavarna.

Med detta prestandavärde har Zpreg och VTM prepregen de högsta värdena trots låg fiberhalt och hög densitet hos matrisen. För UV-panelen kan noteras att matrisen som används är vinylester medan övriga paneler är tillverkade med epoxi som matris. De låga värdena för panelen tillverkad med Sprint kan förklaras med att fibrerna i laminatet är en 2 x 2 twill-väv. Där fibrerna redan från början är något böjda vilket försämrar tryckhållfastheten. Oväntat med provresultaten var att Zpreg panelen fick högst prestandavärde trots att det visuellt går att utskilja en ytvågighet hos fibrerna som borde försämra tryckhållfastheten. Övriga resultat av den relativa jämförelsen mellan laminaten var som förväntat. Några oväntade händelser vid provning var inträffade. På de vakuuminjicerade provstavarna delaminerade det co-injicerade laminatet i särskiktet vid brott. I panelen tillverkad med VTM prepreg bucklade undre laminatet pga osymmetrisk fiberuppläggning där ovankant och underkant av laminatet släppte från kärnan. Möjligt kunde denna panel ha uppnått högre brottlast om det undre laminatet varit symetriskt upplagt.

Co-injicering E-modul

15

20

25

30

1 2 3 4

[GP

a]

UV-Härdande E-modul

15

20

25

30

[GP

a]

Zpreg E-modul

15

20

25

30

[GP

a]

VTM Prepreg E-modul

15

20

25

30

[GP

a]

75

Sprint E-modul

15

20

25

30

[GP

a]

Medelvärden E-modul

18

23

28

[GP

a]

Co-injicering

UV-Härdande

Zpreg

VTM Prepreg

Sprint

Diagram 2. E-modul för provstavarna och provstavarnas sammanställda medelvärden.

Avvikelser på enskilda provstavar kan tänkas bero på att ytorna på provstaven eller plattorna inte är helt parallella med varandra. Detta får till konsekvens att lasten inte ligger på båda ytskikten. Variationer vid mätning av laminatens tjocklek och osäkerhet pga variationer i materialet över tvärsnittet påverkar resultaten. Laminatet tjocklek mäts även högst upp på provstaven och inte vid midjan där brottet sker. En annan förklaring kan vara varierade kvalité i laminatet som ger provstavarna olika testresultat.

13.2 Vibrationstest

Den icke förstörande mekaniska provet syftar till att bestämma egenskaperna hos en sandwichbalk. Värden som tas fram är E-modulen för ytskikten, fE och kärnans skjuvmodul,

cG hos provpanelerna. Vid beräkning av de mekaniska egenskaperna antas approximationer

om vek kärna och tunna ytskikt enligt 3 och 4:

1003

2

≥

⋅

ft

d (3)

1006

3

2

≥cc

ff

tE

dtE (4)

Approximationen ger mindre än 1 % fel jämfört med exakta beräkningar [2].

13.2-1 Testuppställning Från de fem tillverkade panelerna sågas en balk från varje ut. Balkarna är ca 1,2 meter långa med en kärna 25 mm och täckskikt på ca 4 mm. Bredden på balkarna är 50 mm. Vibrationstestet utförs genom att balken hängs upp i två lätta trådar för att inte påverka resultatet av testet, se figur 26.

76

Figur 26. Laborationsuppställningen

Balken är fritt upphängd i två meter långa trådar som är elastiska, trådarna är upphängda parallellt och lodrätt. Trådarna hänger ¼ in av balkens längd, dvs avståndet är 30 cm in från kanten på vardera ände. Balken sätts sedan i svängning mha ett hammarslag i änden av balken. På hammaren finns en lastcell som mäter slagets kraft. I andra änden finns en accelrometer som mäter balkens svängning. Dessa signaler skickas sedan till en dator som räknar ut och ritar upp ett responsspektrum för egenfrekvenserna i en graf, se figur 27. För att en kontrollerad svängningsmod ska uppkomma sätts balken isvängning genom slag i ena änden. Detta för att de två första egenfrekvenserna ska framträda tydligt för att sedan användas för att ta fram balkens mekaniska egenskaper. Upprepade försök med varje balk gjordes för att kontrollera att samma egenfrekvenser framträdde.

Figur 27. Responspektrumet

För att beräkna balkens mekaniska egenskaper användes följande information om balken. Balkens dimensioner mättes med linjal och skjutmått, balken vägdes och densiteten beräknades. Följande mått och värden för balk mättes: L Balkens längd

B Balkens bredd

77

ft Täckskiktens tjocklek

ct Kärnmaterialets tjocklek

cf tt +2 Totala tjockleken

m Balkens totala massa

*ρ =m/L/b Densitet / ytvikt

Eventuella felkällor kan vara noggrannheten vid mätning av förhållandet mellan balkens ytskikt och kärnas tjocklek. Ytterligare mätfel kan bero på att balken var ojämn och olika bredd och höjd uppmättes längs balken, där ett medelvärde av bredden och av höjden valdes för att användas vid beräkningarna. Vid slag med hammaren mot balken sker det ofta att slaget blir dubbelt. Eftersom slagen är väldigt nära i tiden efter varandra borde det inte påverka resultatet nämnvärt eftersom båda slagen exciterar samma egenfrekvenser hos balken.

13.2-2 Metod Utifrån balken egenfrekvenser beräknas värden för E-modul och skjuvmodulen fram i Matlab. För utförligare beskrivning se bilaga 3.

13.2-3 Resultat

Vibrationstest E-modul

18

20

22

24

[GP

a]

Co-injicering

UV-Härdande

Zpreg

VTM Prepreg

Sprint

Skjuvmodul i kärnmaterialet

32

34

36

38

[MP

a] H100 Co-injicering

H100 UV Härdande

HP80 Zpreg

HP80 VTM-Prepreg

HP80 Sprint

Diagram 3. Framtagna testvärden på E-modul och skjuvmodul. Framtagen E-modul jämförs med E-modul från tryckprovet. Skjuvmodulen jämförs med produktdatabladen för Divinycell H100 och HP80. Där H100 har en skjuvmodul på 35 GPa och HP80 på 28 GPa. De injicerade provstavarna har ingen hänsyn till extra vikt av matris i den spårade kärnan. Även har den nominella kärndensiteten använts.

Tabell 20. Jämförande tabell över E-moduler

Värdena på E-modul stämmer relativt bra överens vilket gör att dessa kan antas som rimliga.

Panel E-modul vibrationstest, Ef [GPa] E-modul tryckprov, Ef [GPa]

Co 21,9 21,5 UV 22,2 22,1 Zpreg 20,1 21,1 VTM 19,1 22,9 SPRINT 20,4 23,2

78

13.3 Trepunktsböjning med kort balk

För att jämföra vidhäftningen mellan matris och fiber för de olika tillverkningsmetoderna provas ytskikten på panelerna i trepunktsböjning. Vidhäftningshållfastheten hos de olika laminaten kan ses som ett mått på kvalité hos de olika tillverkningsmetoderna. Då högre porhalt försämrar vidhäftningen och även impregneringsgraden av fibrerna i laminatet avgör detta huvudsakligen vidhäftningsstyrkan.

13.3-1 Testuppställning För att mäta vidhäftningstyrkan hos laminaten måste skjuvbrott ske i materialet. Vid mekanisk provning i trepunktsböjning ställs provriggen in för att brottet i laminatet ska ske genom skjuvning mellan stöden, se figur 28. Skjuvningen sker mellan matris och fiber. Maximal skjuvspänning är den högsta delamineringshållfasthet materialet klarar av vid skjuvbrott.

Figur 28. Testuppställning för tre punkts böjning.

Tio provbitar från varje panel sågas ut, fem stycken från varje laminat. Samtliga provbitars längd och bredd är 35x25 mm. Vid testning placeras provbiten i testriggen så övre lastpunkten placeras i mitten av provbitens längd. De två undre stöden har ett avstånd på 25 mm, se figur 28. Testmaskinen är en Instron 5 kN. Provbitarna belastas till delamineringsbrott.

13.3-2 Metod För varje provbit mäts brottlasten samt dess dimensioner. Med dessa värden beräknas sedan skjuvspänning enligt formel 5.

hw

Pcrcr ⋅⋅

⋅=4

3τ (5)

Pcr Lasten vid brott

w Provets bredd

h Provets tjocklek

τcr Relativa skjuvspänningen

79

Skjuvspänningen som beräknas enligt formel 5 är relativ och ska inte användas vid dimensionering utan bara i jämförande syfte i den här rapporten [1].

13.3-3 Resultat

För varje panel gjordes fem prov på övre laminatet respektive undre laminatet. Proven är i par. Resultatet redovisas i diagram 4.

ILSS medelvärde

0

20

40

60

[MPa]

Vakuuminjicering

Co-injicering

UV-Härdande

UV-Härdande

Zpreg övre

Zpreg undre

VTM övre

Sprint övre

Sprint undre Diagram 4. Medelvärde för skjuvspänningen hos respektive laminat.

De två panelerna som fick bäst resultat var de som var tillverkade med RFI, där undre laminatet fick bättre värden än övre laminatet hos båda panelerna. Detta beror antagligen på att matrisen i det undre laminatet tilläts flyta ut och därmed blev de laminaten tunnare, vilket ledde till vid beräkning med formel 9 att dessa provbitar klarade högre skjuvspänning. Prepreglaminatens lägre värde beror antagligen på hög andel porer i laminatet. Det vakuuminjicerade laminatets skjuvspänning är rättvisande medan skjuvspänningen för det co-injicerade är vidhäftningsstyrkan mellan matrisen och mylaren då det co-injicerade laminatet delaminerar vid särskiktet. UV-härdade laminaten har lägst värden. Detta kan dels bero på att matrisen är vinylester, och dels på dålig impregnering eller ofullständig härdning. Uppmätta brottlaster och tjocklekar för provbitarna finns redovisade i bilaga 3. Provbitarna gick sönder i två typer av skjuvbrott, ”plastisk deformation” med mikrosprickor och enkel skjuvning då en del i ett lager delaminerade.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

500

1000

1500

2000

2500

Utböjing [mm]

Last [N]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

Utböjing [mm]

Last [N]

Graf 1. Grafer från testningen. Till vänster en typisk kurva för enkelt skjuvbrott och till höger en

kurva för ”plastisk deformation” med mikrosprickor.

80

13.4 Fiberhaltsmätning

Fiberhalt kan ses som ett mått på kvalité då högre fiberhalt ger lägre vikt på den färdiga komponenten. Samtidigt kan höga fiberhalter ge dålig impregnering och vidhäftning av matrisen på fibrerna vilket kan leda till sämre hållfasthet. Beroende på vilken metod som används är olika fiberhalter att föredra.

13.4-1 Testuppställning Fiberhalt hos laminaten mäts genom avbränning. För varje panel tas 6 st provbitar på 20x25 mm, tre för övre respektive undre laminatet. Proverna sågas ut och slipas. Proverna vägs och mäts. Därefter bränns proverna i ugn i 565 °C i ca tre timmar tills all matris bränts bort. Fibrerna vägs och fiberhalt beräknas.

13.4-2 Metod Vid vägning före och efter avbränning i ugn fås fiberhalten i viktsprocent. För att ta fram andelen volymprocent fiber används formel 6.

fmmf

mf

fWW

WV

ρρ

ρ

⋅+⋅

⋅= (6)

Där ρf och ρm är densitet för fiber respektive matris. Wf och Wm är viktsfraktion fiber respektive matris.

13.4-3 Resultat I stort ser värdena ut som förväntat, se tabell 21 och diagram 5. Den enda avvikelsen är prepreg laminatet som har stor variation i fiberhalt. Orsaken till denna variation är antagligen luftinneslutningar. Laminat Medel fiberhalt Förväntat

[viktsprocent] [volymprocent] [viktsprocent] [volymprocent]

Vakuuminjicerade 74 56,7 - - UV laminat 74,4 56,2 - - Zpreg 64,6 46,1 65 47,4 VTM prepreg 62,5 44 63 44,4 SPRINT 62,13 43,5 59 40,3

Tabell 21. Medelvärden för fiberhalter och förväntade värden hämtade från produktdatablad.

81

Fiberhalt

40

45

50

55

60

[vol%

]

Co-injicerade

UV-Härdande

Zpreg

VTM Prepreg

Sprint

Diagram 5. Medelvärden för fiberhalter hos laminaten

13.5 Mikroskopering av provpanelernas laminat

Vid mikroskopering har endast två stickprov för varje panel analyserats. Eftersom så få prover från varje laminat valts att analyseras mäts inte en exakt porhalt då detta kan ge värden som inte helt överrensstämmer med den faktiska genomsnittliga porhalten i panelernas laminat. Istället studeras fenomen i materialet, storlek på porer, uppskattad mängd, typ av porer samt fördelning av porer. Detta säger mer om laminaten och tillverkningsmetodernas kvalité än en siffra i procent. Metoderna jämför också map följande:

• Fiberfördelningen och lagrenas jämnhet/vågighet och avstånd inbördes studeras. • Precision i tillverkningen map fiberriktning, hur raka fibrerna blir och hur parallella de

är i förhållande till varandra. Även hur jämt avståndet är mellan fibrerna. • Matrisfördelningen i laminatets genomskärning analyseras. • Matrisens förmåga att impregnera fibrerna och flyta ut över önskad yta.

13.5-1 Metod Två provbitar från laminaten i varje panel sågas ut, en från respektive undre och övre laminat. Storlek på proverna är ca 15x23 mm. Provbitarna placeras i koppar för att gjutas in i epoxi. Efter ingjutning tas kopparna bort. Proverna bearbetas genom slipning och polering för att få en slät yta som går att mikroskopera. (Vissa sträck från sliprepor syns i bilderna nedan).

13.5-2 Vakuuminjicerade laminaten I figur 29 finns representativa mikroskopbilder på de vakuuminjicerade laminaten. Översiktligt kan dessa bilder beskrivas med att fibrerna ligger ojämnt och ibland buntvis. Stora områden med bara matris återfinns. Lagrerna i mattan ligger något vågigt, se figur 29c. I vissa områden har matrisen inte helt impregnerat armeringen. Dessa områden som inte blivit impregnerade tätt intill fibrerna återges som mörkare områden i fugur 29c. Detta kan bero på att det mikroskopiska flödet varit mycket långsammare än det makroskopiska vilket har gjort att flödesfronten har passerat innan dessa områden blivit fullt impregnerade. Avstånden mellan lagrena är olika, se figur 29a. Laminatet är huvudsakligen bra impregnerat med fåtalet stora porer. Däremot innehöll matrisen i hålningen i kärnan en mycket luftbubblor.

82

b a

c

Figur 29. 29a är en förstoring av det enbart vakuuminjicerade laminatet. 29b och c är en förstorning av det coinjicerade laminatet.

De två laminaten ser relativt lika ut där det som skiljer dem åt är särskiktet av mylar i det co-injicerade laminatet. Där mylaren verkar ha fäst på ena sidan bitvis och på andra sidan syns en tunn luftficka längs särskiktet, se figur 29b.

13.5-3 UV-härdande laminaten I laminaten upptäcks inga stora synliga porer. Även i de här laminaten syns områden innehållande bara matris och fibrerna ligger osymmetriskt buntvis. De olika lagrena har en vågighet men ligger på relativt lika avstånd ifrån varandra, se figur 30a. Flera områden med fibrer har inte blivit helt impregnerade närmast fibern, se figur 30b. Den dåliga impregneringen ger troligen dålig vidhäftning i laminatet vilket kan förklara de låga värdena på interlaminära skjuvningen. Även kan krympsprickor vid härdning misstänkas uppstått i materialet eller så kan denna svarta rand bero på underhärdning av matrisen, se figur 30a nertill.

83

a

b Figur 30. UV-härdade laminatet

13.5-4 VTM prepreg Översiktligt kan ses att laminaten innehåller en mångfald porer. Luft har inneslutits vid uppläggning. Den luft som inneslutits vid uppläggning av lagrerna kommer inte ut under uppvärmnings och härdningscykeln eftersom materialet är helt tätt. Antagligen kan det här problemet avhjälpas genom att debulka oftare vid uppläggning av prepregen. Runt kanterna har luft transporterats ut och bättre kvalité har kunnat uppnås, se tillverkning avsnitt 12.7-3. Att luft innesluts syns tydligt på de långsmala luftbubblor mellan lagrena som syns vid mikroskopering av laminatet, se figur 31a. Även andra små luftbubblor syns som inneslutits med små möjligheter att komma ut, då luft inte transporteras längre än ett par centimeter i matrisen.

a b

c

Figur 31. Prepreg laminatet

84

Impregneringen mellan fiber och matris är mycket god. Fördelningen av fibrerna i laminatet är mycket jämn. Lagerna i laminaten ligger rakt och på samma avstånd i förhållande till varandra. På fibernivå kan ses att 6-7 stycken fibrer på vissa ställen lägger sig i ringar, se figur 31c.

13.5-5 Zpreg Lagrena i laminaten ligger jämnt och relativt rakt. Fibrerna ligger jämnt men buntvis. I laminaten finns några större klotformade porer, se figur 32. Inga torrare områden där impregneringen mellan fiber och matris verkar dålig. Impregneringen i laminatet är jämn och fibrerna är väl impregnerade.

Figur 32. Zpreg laminatet

13.5-6 Sprint Observera att lagrena är vågiga eftersom det är en 2x2 twill. Lagrena verkar ligga på jämnt avstånd från varandra. Impregneringen mellan matris och fiber ser ut att vara god.

a b

Figur 33. Sprint laminatet Flera mindre porer syns som antagligen stängts in när flödesfronterna mötts mellan de olika matrislagrena, troligen mer eller mindre vakuumtryck i porerna eftersom luften bör ha evakuerats pga vakuumtrycket. Det är troligen svårt för den högviskösa matrisen att helt smälta ihop helt när flödesfronterna möts från de olika matrisarken.

85

13.5-7 Resultat Resultaten av den mekaniska provningen verkar rimliga när olika fenomen i materialet och typ av porer samt mängd och fördelning av porer kan studeras. Fiberfördelningen och lagrenas vågighet, avstånd inbördes, matrisfördelningen och impregneringsgrad påverkar också utfallet av den mekaniska provningen. Detta kan också återkopplas till resultaten av provningen. Tillverkningsmetodens kvalité kan jämföras genom mikroskopering. De parametrar som nämns ovan avgör hur bra metoden är. Det UV-injicerade laminatet har sämst kvalité, därefter det vakuuminjicerade laminatet och bäst var prepreg och RFI panelerna. Detta kan återkopplas till resultatet från tryck- och delamineringsprovningen där rangordningen blev densamma som vid mikroskopering.

14. Slutsatser The metoder uppfyller kraven: vakuuminjicering, RFI och LTM prepreg enligt denna studie. Kvalitet på laminat kan kopplas till materialkostnad för dessa metoder detta samband är dock icke-linjär. Vakuuminjicering med spårad kärna och olika flödesskikt är användbart för fartygsindustrin. Lågtemperaturprepreg och RFI där högre kvalité uppnås mot ett högre materialpris är också mycket användbara. Valet mellan dessa tre tillverkningsmetoder avgörs av vilket resultat som är önskvärt att uppnå i förhållande till materialkostnaden, detta beroende är inte linjärt. En sandwichpanel per tillverkningsmetod är tillräcklig för att dra vissa slutsatser efter tillverkning och provning i denna studie, men är inte tillräckligt för att utesluta en metod som oanvändbar för marinindustrin. Omfattande provning av varje panel utfördes för att ge representativa provresultat för respektive panel. Men faktum kvarstår att det endast är en panel med en liten storlek som utvärderas för varje och slutsatserna är baserade på detta. För säkrare slutsatser bör ytterligare tillverkning med varje metod och provning utföras för att bestämma metodens användbarhet. Olika materialsystem kan även användas vid varje metod för att se hur dessa påverkar resultatet. Principen med UV-härdande matriser är till exempel en bra idé då ett laminat kan härdas snabbt och vid önskat tillfälle. Vid tillverkning denna panel fanns dock flera problem kring härdningen. Därför bör även andra matrissystem provas, då den provade matrisen inte verkar optimal. Men också tillverkningen av Prepregpanelen och RFI panelerna kunde ha gjorts med bättre tekniker. Val av metod borde inte ses så kortsiktigt som bara under tillverkningen. Om materialen i komponenten håller bättre blir det mindre kostnader i reparationer och underhåll. Kostnader för hela produktens livscykel bör tas hänsyn till vilket inte tas upp i denna rapport. Tabell 22 ger en översikt av vilken producerbarhet och användning marinindustrin kan ha av de valda metoderna vid tillverkning relaterat till materialkostnaden och resultaten vid den mekaniska provningen.

86

Metod Användbarhet Materialkostnad Resultat vid provning Vakuuminjicering UV-härdande VTM prepreg Sprint Zpreg

Tabell 22. Översikt av testade metoder, grönt fält (god) – rött fält (dålig). De billiga materialen till vakuuminjicering gör att metoden är och förblir en mycket gångbar metod. Många av de befintliga varianterna av vakuuminjicering fungerar redan mycket bra. Det finns också många förslag och försök till att förbättra vakuuminjiceringen som metod, men dess prestanda kan bara höjas till en viss nivå. Det som skiljer mellan vakuuminjicering och RFI är matrisens form före härdning. Matrisen i RFI har en bättre kvalité och mer kompatibel fibern som skulle kunna förklara skillnaden i provningsresultat mellan metoderna, men priset för RFI är högre. Ett vanligt problem med dyrare material är att detta gör att efterfrågan på materialen blir liten vilket leder till att materialen fortsätter att vara dyra eftersom efterfrågan på dessa material är så liten osv. Fler matrisalternativ till mer avancerade metoder som RFI torde kunna utvecklas och till ett lägre pris. Nu finns främst olika typer av epoxi som matrisalternativ, men med tex vinylester i lågtemperaturhärdande matrisfilm skulle priset vara lägre och RFI vara mer intressant för fler tillverkare. En RFI variant, som inte provats i denna studie, där en tjockare matrisfilm läggs underst och fibervävarna läggs ovanpå, kan också vara användbar inom marinindustrin. Vid härdning impregnerar matrisen fibrerna i tjockleksled nerifrån och upp genom hela laminatet utan att flödesfronter möts vilket gör att porhalten i laminatet minimeras. En annan metod som kan vara intressant vid tillverkning i längre serier är RTM light. Det är en metod med korta cykeltider där material med låg kostnad används i processen. Fördelen är bättre dimensionskontroller och mindre viktavvikelse. Den stora nackdelen med denna metod är formen som krävs vid framställningen och som är dyr att tillverka. En form behövs för framställning av varje typ av komponent, vilket också begränsar i flexibiliteten hos metoden. I den praktiska delen av examensarbetet var vissa av provpanelernas tillverkningsmetoder mer lämpade än andra för marinindustrin.

• Lågtemperatur RFI ger nya möjligheter för tillverkning. Där är uppläggningen av materialet snabb och enkel. Tillverkning med dessa metoder ger god kvalité hos det färdiga laminatet. Huvudanledningen till att inte dessa metoder används brett är den högre materialkostnaden.

• Lågtemperaturprepreg var tidskrävande eftersom uppläggningen måste ske noggrant

och flera debulkingar måste göras. Varje lager är tunt och bygger ytterst lite vilket gör

87

att många lager behövs för att bygga upp laminatet. Ett färdigt laminat får dock en mycket jämn fördelning av fibrerna som också är raka och lagrena ligger på jämna avstånd och matrisimpregneringen är mycket god. Denna metod fick även bra resultat vid den mekaniska provningen. Även här är materialpriset högt.

• Den co-injicerade panelen tillverkades för att prova principen med injicering av flera

matriser med olika egenskaper i samma laminat. Tillverkning och processbarheten hos denna metod var inget problem. Den svaga punkten hos metoden är vidhäftningen mellan laminat och särskikt. I sådana fall kan inte komponenten användas vid krav på hög interlaminär hållfasthet.

• Den UV-härdande matrisen som vakuuminjicerades hade få fördelar vid praktisk

tillverkning och värdena från den mekaniska provningen var även de mindre bra.

15. Flödesschema över tillverkningsmetoderna För att återkoppla till arbetet i sin helhet har flödesschemat från sammanfattningen lagts in i slutsatserna, detta för att ge en överskådlig bild. Flödesschemat är över tillverkningsstegen men innefattar också parametrar som kvalitet, kostnader och arbetsmiljö. Färgfält sätts efter hur komplicerat varje steg är med respektive metod. Grönt fält innebär att det är lätt, gult medel och röd svårt. Vitt fält används då detta steg ej behöver utföras vid tillverkning med metoden.

89

Flödesschema över tillverkning och processrelaterade parametrar

Metoder Investering Serieeffekt Material Lager Förberedelser Sandwich

Form, personalutbildningsgrad, ugn, vakuumutrustning

Processmaterial, komponentmaterial RT / frys

upptining av material Tillkapning

Applicering av material Bagning

Tillverkning av konstruktion

Vakuuminjicering

LTM prepreg

Handlaminering

RFI

Light RTM

UV-härdande

Metoder Impregnering Härdning Efterhärdning Avformning Spillmaterial Arbetsmiljö Kvalitet Montering

Ingöt, utgöt, läckage

Temperatur / UV-ljus

Tidigare gjord investering i ugn Rengöring Hållfasthet

V I

LTM pp

Handlamin.

RFI

Light RTM

UV

90

Referenser [1] Zenkert D och Battley M, Foundations of Fibre Composites, Stockholm, 1996 [2] Zenkert D, An introduction to Sandwich Structures, Stockholm, 1995 [3] Xiudong Sun, Shoujie LI och James Lee L, Mold Filling Analysis in Vacuum-Assisted Resin

Transfer Molding, Department of chemical Enginering The State University Columbus, Ohio, 1998 [4] Dai J, Pellaton D och Hahn H T, A Comparative Study of Vakuum-Assisted Resin Transfer Moliding

(VARTM) for Sandwich Panels, Mechanical & Aerospace Engineering Department, Los Angeles, 2003

[5] Shojaei A och Ghaffarian S R, Modeling and Simulation Approaches in the Resin Transfer Molding

Process: A Review, Polymer Engineering Department Amirkabir University of Technology, Tehran, 2003

[6] Moon-Kwang UM och Joon-Hyung Byun, Prediction of Flow-Induced Process Variables Based on

Similarity Analysis in the Liquid Molding Process, Composites Materials Laboratory Korea Institute of Machinery and Materials, Chanwon, South Korea, 2003

[7] Melquiades Allende, Ram V. Mohan och Shawn M. Walsh, Experimental and Numerical Analysis of

Flow Behavior in the FASTRAC Liqid Composite Manufacturing Process, US Army Research Laboratory Weapons & Materials Research Diretorate Aberdeen Proving Ground, Aberdeen, 2004

[8] Lopatnikov S, Simacek P, Gillespie Jr J och Advani S G, A closed form solution to describe infusion

of resin under vacuum in deformable fibrous porous media, IOP Publishing Ltd, Delaware, USA, 2004

[9] Sirinivasagupta D, Joseph B, Majumdar P och Mahfuz H, Effekt of processing conditions and

material properties on the debond fracture toughness of foam-core sandwich composites: process model development, Elsevier Ltd, Saint Louis, 2003

[10] Namara N M, Ulven C och Vaidya U K, Thermal Response Characteristics of Marine Grade

Radome Composites Designed for use on Spruance Class Naval Destroyers, InfraMation, Alabama, 2005

[11] Fink B K, Gillio E F, McKnight G P, Gillespie Jr J W, Advani S G, Eduljee R F, Bernetich K R, Co-

injection Resin Transfer Molding of Vinyl-Ester and Phenolic Composites, Delaware, 2000 [12] Fink B K, McKnight S H, Gillespie Jr J W, Co-Injection Resin Transfer Molding for Optimization of

Integral Armor, Norfolk, Delaware, 1998 [13] Hou T H och Jensen B J, Evaluation of Double-Vacuum-Bag Process For Composite Fabrication,

NAS Langley Research Center, Hampton, Virginia, 2001 [14] Knowledge & Process Tool for Manufacturing of Affordable Composites- Ground Vehicles

Systems and Common Technologies, informationsdatablad [15] http://www.filmtechnology.net [16] Putting SCRIMP in context, Artikel I Reinforced Plastics, Elsevier Ltd, 1997 [17] Körwien T, Principles ot the Vacuum Assisted Process and its application for Aerospace

components, EADS, Tyskland, 2006 [18] Li W, J W Gillespie Jr, Heider D, Endrulat M, Hochrein K, Dunhamn M G och Dubois C J, Process

and performance evaluation of the VAP process, University of Delaware, 2003

91

[19] Produktdatablad från www.saertex.com, VAP Technology: Membrane supported low-pressure infiltration technology

[20] www.fibreglast.com/documents, Vacuum Infusion – The Equipment and Process of Resin Infusion [21] Mastbergen D B, Simulation and testing of resin infusion manufacturing processes for large

composite structures, Montana state university, 2004 [22] http://www.sunrez.com [23] Lackey E, Vaughan J G och Patki R, Utilization of Photocure Techniques in Conjunction with

Thermal Cure, Radtech report, 2003

[24] Nwabuzor A O, Development of the RIDFT process incorporation of ultraviolet curing technique, The Florida State University, 2004 (mek eg, bapo, styrene utsläpp mm sid 22-läs UV) ok

[25] Rix B A, Bulluck J W, Ultraviolet Radiation Cured Acrylate for Aircraft Composite Field Repairs,

Radtech report, Austin, Texas, 2004 [26] Light RTM moulds – Locking in repeatable accuracy, RTM today, Plastech TT Ltd, issue 15 2004 [27] Who says split LRTM tooling is challenging!, RTM today, Plastech TT Ltd, issue 16 2004 [28] http://www.compositesone.com/process.php#closedmold [29] Reinforced Plastics, Januari 2006 [30] Production boat building – the way ahead?, Reinforced Plastics, Februari 2006 [31] www.acg.com.uk [32] Clifford M och Long A, Flow Characterisation for Partially Impregnated Prepregs, School of Mechanical Material, Manufacturing Engineering and Management, University of Nottingham, Nottingham, UK, 2005 (Zpreg ränder) [33] Frost M, Solanki D och Mills A, Resin film infusion processing of carbon fibre composite automotive body panels, Centre For Lightweight Composites, Cranfield University, UK, 2003 [34] Thompson J E, Compaction and Cure of Resin Film Infusion Prepregs, Virginia Polytechnic Institute and State University Master of Science, Blacksburg, Virginia, 2004 [35] Lindgren A, UV Härdande Hartssystem - Teknisk rapport, Linköping, 2002 (UV härdning mm) [36] Builders Wanted (Low-Temp prepregs), Professional Boatbuilder nr 64, 2000 (låg temp prepreg) [37] www.gurit.se [38] www.tanso.se [39] www.quickstep.com.au [40] http://www.dodtechmatch.com/DOD/Patent/PatentDetail.aspx [41] http://www.saertex.com [42] http://www.ecn.purdue.edu/CMTI/CARL/ [43] http://www.p2pays.org/ref/32/31017.htm

92

Bilaga 1: Ordlista Prepreg: Material där fibrerna förimpregnerats med matris. LTM prepreg: Prepreg som härdas vid lägre (65-80 °C) temperaturer. Vakuumbag: diffusionstät plastfilm som används för att sluta en form. Används vid slutna processer som vakuuminjicering, vakuumhärdning och härdning i autoklav mm. Hundkött: Är en butylgummitape som används för att täta en vakuumbagen mot formen. På engelsk selant tape eller tacky-tape. Hundöra: Veck i vakuumbagen för att den ska kunna följa komponenten som ska härdas. Debulking: Procedur för att ta bort luftinneslutningar mellan lagren när man lägger upp ett laminat med prepreg. RFI står för resin film infusion en form för prepreg där matrisen ligger mellan två lager fiber. Z-preg typ av RFI där matrisen impregnerats i ränder delvis genom vävarna Sprint typ av RFI med lager med B-staged matrisfilm (tunna ark) mellan två fibervävar Breather: är ofta en fluffig vit polyestermatta används för att säkerställa ett jämnt utbrett tryck under vakuumbagen. Den kallas även ibland bleeder då den används för att ta upp överskottsmatris som blöder ut ur laminatet. Perforerad plastfolie kallas även bleeder eller release film: plastfilm med små hål. Används för att förhindra att för mycket matris sugs ur laminatet vid härdning under vakuum eller i autoklav. Avrivningsväv även kallad peelply, avrivningsduk, släppfilm eller släppduk. Läggs direkt på ovanpå laminatet för att det ska vara möjligt att ta bort andra material som ligger mellan laminatet och vakuumbagen i en sluten process. Avrivningsväven är vanligen en väv med låg ytvikt av nylon. B-staged kallas den matris som är delvis härdad (tvärbunden). Denna form av matris används i prepreg och RFI för att matrisen ska hållas på plats utan att rinna iväg från fibrerna. Autoklav är en kombinerad värmeugn och trycktank. Används för härdning av kompositer, vanligen prepreg, under högt tryck och hög temperatur. Sandwichkonstruktion: konstruktionsmetod där man använder två tunna styva skikt på var sida om ett tjockt relativt mjukt skikt. De tunna skikten tar upp krafterna i planet och böjmoment, det tjocka skiktet tar upp tvärkrafter. I denna rapport bestående av tunna komposit laminat och mitten skikt av kärnmaterial. Multiaxiellväv även kallad non-crimp. Matta där fiber i de olika riktningarna ligger i olika lager. Lagren hålls ihop av sytråd eller av strängar av smält termoplast.

93

Bilaga 2: Detaljerade testresultat

Tryckprov Panel Provstav 1 Provstav 2 Provstav 3 Provstav 4 Provstav 5 Medel Coinjicerade 0.4013 0.4684 0.4196 0.3320 0.4267 0,4096 UV 0.3505 0.3607 0.3482 0.3796 0.3953 0.3669 Zpreg 0.4707 0.4922 0.4363 0.4634 0.4730 0.4671 VTMprepreg 0.4364 0.4731 0.4770 0.4249 0.4570 0.4537 SPRINT 0.1853 0.2254 0.2377 0.1875 0.2249 0.2122

Tabell 7. De framräknade prestandavärdena för provstavarna. Panel Provstav 1 Provstav 2 Provstav 3 Provstav 4 Provstav 5 Medel Co 20,63 20,9 - 22,4 22,2 21,5 UV 20,0 22,3 22,06 25,9 20,3 22,1 Zpreg 21,3 23,9 19,6 20,9 19,7 21,1 VTM 21,03 27,2 22,5 19,4 24,2 22,9 SPRINT - 26,4 19,14 25,6 21,8 23,2

Tabell 8. Värden för E-modul anges i GPa.

Vibrationstest Panel E-modul, fE [GPa] Skjuvmodul, Gc [Mpa]

Co-injicerade 21,9 36,3 UV 22,2 36,4 Zpreg 20,1 33,6 VTM prepreg 19,1 34,4 SPRINT 20,4 33,5

Tabell 9. Framtagna testvärden på E-modul och skjuvmodul.

Trepunktsböjning

Laminat Provstav 1 Provstav 2 Provstav 3 Provstav 4 Provstav 5 Vakuum 31.9566 34.9185 25.0633 29.6794 32.6346 Co 17.7343 20.5450 16.6643 18.1917 18.7450 UV A 17.3824 13.8505 16.6325 18.9656 16.3946 UV B 18.1176 18.2750 17.3528 18.7544 18.0848 Zpreg övre 43.7198 46.5470 45.6951 52.9678 50.8615 Zpreg undre 50.9467 51.7375 50.3557 52.2357 51.0220 VTM övre 43.0191 39.3588 41.2417 32.5922 42.8041 SPRINT övre 52.6418 52.4407 51.5231 48.4769 53.3746 SPRINT und 55.2631 55.5507 55.6008 56.5604 51.5966

94

Tabell 11. Delamineringsstyrkan anges i MPa. Där övre står för det övre laminatet på panelen respektive det undre för det undre laminatet.

Laminat Medelvärde skjuvspänning [MPa] Vakuum 30.8505 Co 18.3761 UV A 16.6451 UV B 18.1169 Zpreg övre laminatet 47.9582 Zpreg undre laminatet 51.2595 VTM övre laminatet 39.8032 SPRINT övre laminatet 51.6914 SPRINT undre laminatet 54.9143

Tabell 12. Medelvärde för skjuvspänningen hos respektive laminat.

Fiberhalt Laminat Fiberhalt [viktsprocent] Fiberhalt [volymprocent]

Avbränningsprov nummer Prov 1 Prov 2 Prov 3 Prov 1 Prov 2 Prov 3 Zpreg övre laminat 64,7 63,2 63,8 46,2 44,6 45,2 Zpreg undre laminat 66,9 64,4 64,6 48,7 45,9 46,1 VTM prepreg övre laminat 67,6 57,2 61,2 49,5 38,5 42,5 VTM prepreg undre laminat 66,5 61,2 61,2 48,2 42,5 42,5 SPRINT övre laminat 60,6 59,9 59,3 41,9 41,2 40,6 SPRINT undre laminat 66,4 62,5 64,1 48,1 43,9 45,6 UV laminat A 75,2 74,6 74 57,2 56,4 55,7 UV laminat B 73,5 74,5 74,5 55 56,3 56,3 Vakuuminjicerade laminatet 75,4 75,5 76 58,6 58,7 59,3 Co-injicerade laminatet 73,2 74,3 69,8 55,7 57,1 51,6

Tabell 13. Uppmätta fiberhalter genom avbränningsprov.

95

Bilaga 3: Metod, vibrationstest

Metod Systemmatrisen för utböjningen (A(ω)) tas fram mha appendix A [2]. Där determinanten av systemmatrisen för utböjningen är noll för alla värden på ω som är egenfrekvenser hos balken. För att beräkna nollställena hos det(A(ω)) och pss hitta egenfrekvenserna används matlabfunktionen fzero. Funktionen fzero försöker göra en funktion lika med noll kring ett angivet startvärde. Detta innebär att en ganska bra startgissning måsta väljas annars hittar funktionen kanske fel egenfrekvens. Startvärdet för beräkning av första egenfrekvensen gjordes genom att man försummade skjuvdeformationen hos balken, dvs balken approximeras till en vanlig eulerbalk där endast böjningen beräknas, se ekvation (1). Detta kan ses som ett högsta värde för minimeringen av första egenfrekvensen. När första egenfrekvensen hittats kan denna multipliceras med två för att användas som startgissning för andra egenfrekvensen. För bästa resultat används bara de två första egenfrekvenserna.

4*

01 4.22

L

D

⋅=

ρω (1)

D och S beräknas utifrån de uppmätta egenfrekvenserna genom att minimera funktionen, se ekvation (12). Funktionen minimeras med fminsearch. För att utföra minimeringen behövs startvärden på D och S. Dessa beräknades mha av värden på fE och cG från kapitel 2 i

Sandwich structures [2]. Värden för fE och cG tas för sandwichkonstruktion med kolfiber-

epoxy laminat och divinycellkärna. Startgissningen för D och S är inte lika viktig att det är nära det exakta värdet eftersom valfritt värde kan väljas och resultatet ska ändå bli detsamma.

222

211 )()( eef ωωωω −+−= (2)

Efter minimering av funktionen erhölls värden på D och S. De framtagna värdena på D och S användes för att beräkna E-modulen, fE för ytskikten, enligt följande samband:

2

2dtED

ff= (3)

Och för skjuvmodulen, cG för kärnan. Som beräknas enligt följande:

c

c

t

dGS

2

= (4)

Approximation som gjorts för formlerna ovan är att ytskikten kan anses tunna och kärnmaterialet vekt.