Upload
erek
View
207
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Polümeermaterjalid ja polümeerkomposiitmaterjalid valmistustehnoloogia ja omadused. Renno Veinthal, Jaan Kers e-post: [email protected] ; [email protected]. Mis materjalid on kättesaadavad? Millised töötlemismeetodid sobivad nende materjalide vormimiseks - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Polümeermaterjalid ja polümeerkomposiitmaterjalidvalmistustehnoloogia ja omadused
Renno Veinthal, Jaan Kerse-post: [email protected]; [email protected]
Plastide valiku põhimõtted
Mis materjalid on kättesaadavad?
Millised töötlemismeetodid sobivad nende materjalide vormimiseks
Kas need töötlemistehnoloogiad on kättesaadavad?
Kuidas tehnoloogia mõjutab omadusi
Milline on toote suhteline maksumus
UUS TOODE
OLEMASOLEVA TOOTE ARENDUS
Nõuded tootele
Vastab tarbija nõuetele Olema
konkurentsivõimeline Pakkuma kõrgemat
töökindlust või suuremat mugavust
Vastama rahalises väljenduses parimale hinna-kvaliteedi suhtele
Komposiitmaterjalide tehnoloogiate valik
Lamineerimis-meetodid
Pressimismeetodid
Käsi-lamineerimine
Pihustus-lamineerimine
Märg-lamineerimine
Kuiv lamineerimine e. prepreg-
lamineerimine
Mähkimine Survevormimine materjali etteandega
Survevormimine
külm-pressimine
kuum-pressimine
SMC-pressimineBMC- pressimine
GMT-pressimineprepregi pressimine
leht-vormimine
Injektsiooni-meetodid Ekstrusioon Pultrusioon
surve-injektsioon (RTM)
surve-valuvaakum-injektsioon
RIMleht-injektsioon
tsentri-fugaalvalu
Valtsimine
Vaikude omadused
Vinüülestrid Polüestrid Epoksiid
Adhesiivomadused Mehaanilised omadused Vastupanu pragude
tekkele (sitkus) Väsimustugevus Vastupanu vee (H2O)
kahjustusele
Kiud ja nede omadused
Armeerivad kiud: pidevkiud diskreetsete kiudud
Lühikesed kiud
Lühikesed või diskreetsed kiud (discontinuous fibers, short fibers) moodustavad u. 60% kõikidest kasutatavatest kiududest.
Lühikesi kiude kasutatakse eriti BMC- (SMC ja TMC massides ning RRIM (reaktsioonvalu- Reinforced Reaction Injection Moulding) protsessis, surve- ja kuumpressimise ning lamineeritavates pooltoodetes.
Puudused: ühtlane segamine
polümeermassiga ilma neid kahjustamata on raske
Kui kiudude pikkus on väiksem nn. kriitilisest pikkusest, ei anna nende kasutamine maksimaalset võimalikku efekti
selliste KM tugevus jääb u. 50% ja elastusmoodul u. 10% väiksemaks võrreldes pidevakiududega armeeritud KM-ga
Pidevad kiud
Pidevkiudusid kasutatakse peamiselt armatuurina keerutatud lõnga või nööri kujul. Kiud ise on valmistatud paljudest peentest pikkadest kiududest ehk filamentidest.
Kius kasutatavate filamentide hulk võib olla mõnekümnest kuni mitmete tuhandeteni.
Kiukimbud ja lõngad on tavaliselt keerutamata või vähesel määral keerutatud.
Erandi moodustavad pidevast klaaskiust või staapelkiust keerutatud või kedratud lõngad, mida kasutatakse klaaskiudkangaste valmistamiseks.
Kiutoodete tähistamine
Pidevkiu läbimõõt e. paksus antakse tavaliselt mikromeetrites.
USA-s kasutatakse kiu läbimõõdu tähistamiseks alfabeetilist süsteemi.
Tähis Läbimõõt 10-4 in
Läbimõõt m
Tähis Läbimõõt 10-4 in
Läbimõõt m
A B C D E F G H J K
0,75±0,25 1,25±0,25 1,25±0,25 2,25±0,25 2,75±0,25 3,25±0,25 3,75±0,25 4,25±0,25 4,75±0,25 5,25±0,25
1,91±0,64 3,18±0,64 4,45±0,64 5,72±0,64 6,99±0,64 8,26±0,64 9,53±0,64 10,80±0,64 12,07±0,64 13,34±0,64
L M N O P Q R S T U
5,75±0,25 6,25±0,25 6,75±0,25 7,25±0,25 7,75±0,25 8,25±0,25 8,75±0,25 9,25±0,25 9,75±0,25 10,25±0,25
14,61±0,64 15,88±0,64 17,15±0,64 18,42±0,64 19,69±0,64 20,96±0,64 22,23±0,64 23,50±0,64 24,77±0,64 26,04±0,64
Kiutoodete tähistamine Vastavalt ISO standardile antakse
Euroopas kiu, kiukimbu või lõnga kohta nn. tex- väärtus. Tex-väärtus näitab, kui mitu grammi kaalub 1 km pikkune kiud või lõng (tex=g/km).
USA-s on kasutusel vastupidine süsteem, mis võib põhjustada segadust. USA-s antakse lõnga number yardage-arvuga, mis ütleb, kui pikk on ühes naelas olev kiud või lõng jardides (yardage=yd/100lb)
Euroopas tähistatakse lõngad EVS-EN ISO 2078:2000 kohaselt. Tähis koosneb numbrite ja tähtede kombinatsioonist, mis määravad lõnga tüübi, numbri ja ehituse.
Näidis
Lõnga keerud päri- ja vastupäeva
Näiteks tähis EC 9 34 Z 40 x2 S 150 tähendab keerutatud lõnga, kus:
E = klaaskiu tüüp, E-klaas C = pidevkiud (D- diskreetne kiud) 9 = kiu diameeter, μm 34 = lähtekiu tex- väärtus Z = lähtekiu keerdude suund; Z = päripäeva keerutatud 40 = lähtekiu keerdude arv meetri kohta X2 = keerutatud lähtekiudude arv; x2 = 2 kiudu kokkukeerutatud S = keritud lõnga kerimise suund; S = päripäeva 150 = lõnga keerde meetri kohta kokku
Süsinikkiud ja nendest valmistatud lõngad
Üksikut süsinikkiust koostatud kimpu (tow) ei saaks õigupoolest lõngaks nimetada, sest reeglina ei ole kiud keerdunud üksteise ümber või on vähekeerdunud (5-20 p/m). Tavaliselt koosnevad sellised kimbud 100, 3000, 6000, 12000, 24000 või 48000 filamendist.
Kimpude tähistamisel märgitakse filamentide arv tuhandetes sümboli ka ette (näit. 6K, 12K, 24K, 48K, 160K). Reeglina sisaldub tähises ka teave süsinikkiu tüübi, kiu pinnatöötlusviisi, pindamisel kasutatud aine ja pakkeviisi kohta. Sageli antakse lisaks kiu tihedus (g/cm3), üksikute filamentide diameeter (μm) ja lõnga kaal (mg/m).
Aramiid- ja polüetüleenkiust lõngad
Lõngade number antakse tex-väärtusena, kasutatakse ka varem laialdaselt kasutatud denier-väärtust. Denier-väärtus näitab grammides, milline on 9000 m pikkuse lõnga mass (denier=g/9000m).
Plastide armeerimiseks ettenähtud aramiidkiududest lõngasid toodetakse vahemikus 20-805 tex ja polüeteenlõngasid vahemikus 44-176 tex.
Matid ja kangad Levinuimaks klaaskiudarmatuuri
kasutusvormiks on matt. Armatuurina kasutatavad klaaskiudmatid on enamasti lõigatud kiududest pulber- või emulsioonseotud (Chopped strand mat, CSM).
Selliste mattide erikaal on 300-750 g/m2, kuid saadaval on ka kergemaid ja raskemaid matte.
Tüüpiliselt on kiudude pikkus on u. 50 mm kuid seegi pole absoluutne reegel; saadaval on ka matte, kus on kasutatud 3,2 mm (1/8“) pikkusi kiude.
Pidevkiudmatte ja ruumilisi kangaid on saadaval ka pulberpinnatud preformidena.
Tavaliselt on plastide armeerimiseks kasutatavad kangad kahemõõtmelised, ning nad moodustuvad kahest, teineteise suhtes risti asetsevast kiudude tasandist, kusjuures kiud on omavahel põimitud vastavalt kasutatud kudumisviisile.
Kanga raskus ja laius sõltuvad kasutusotstarbest. Klaaskiudkangad on tavaliselt erikaaluga 25-6000 g/m2, klaaskiudrovingust kangad 400-900 g/m2, aramiidkiududest kangad 60-320 g/m2. Lintkangad on laiusega 10-210 mm ja muud kangad vahemikus 800-1500 mm.
Armeeriva kanga niidistus
Lihtsaimaks niidistuseks on labane niidistus (plain wave). Nn. panamaniidistuse (basket wave) korral kasutatakse kahte või enamat kiudu kõrvuti
Lihtne niidistus on stabiilseim kuid vormitavuselt ja märgumisvõime osas tagasihoidlike omadustega. Satiinniidistusega kangad painduvad paremini ning sobivad paremini keeruliste kumerpindade valmistamisel.
Stabiilsus Vormitavus Pinna tasasus Märgumine Lihtne niidistus Hea Vilets Ebaühtlane Aeglane Panamaniidistus Toimne niidistus
Satiinniidistus Vilets Hea Tasane Kiire
Märglamineerimine
Vaigu tehnoloogilistest omadustest on olulisemateks:
viskoossus, töötlemisaeg lenduvate ühendite kogus.
Neid kõiki mõjutavad välised tegurid, peamiselt töökeskkonna ja vaigu temperatuur ning õhuniiskus.
Vaakumkoti/surve kasutamine käsilamineerimisel
1. vorm 2. tugevdus- ja jäikusribid
3. laminaat 4. elastne membraan 5. vormi kaas
6. Kruvid 7. survetorustik
Märg-lamineerimisel esinevad defektid ja nende tavalisem põhjus
Defekt, puudus Võimalik põhjus Pinnaparagu Liiga kõrge temperatuur või mehaaniline pinge „Täht“ tüüpi defekt pinnal Löök Sisemine viga, kihtide eraldumine, delaminatsioon
Lamineerimist on jätkatud karestamata pinnal Liiga teravad nurgad, väikesed raadiused või liiga paks kiht lamineeritud ühekorraga Kihtide vahel mõjuvad nihkepinged ületatud ülekoormuse tulemusena Armatuur halvasti immutatud vaiguga
Põlemisjälg Liiga paks kiht lamineeritud korraga Liigne heledus Armatuuri niiskusesisaldus lubamatult suur
Armatuuri pinnatöötlusaine ja vaik ei sobi omavahel Laminaati on sattunud tööriistade puhastamiseks kasutatav atsetoon
Punane toon Liiga palju kõvendit Õhumullid Vähene rullimine Pehme ja mittekõvenenud laminaat
Ilma kiirendita vaik, vale doseerimine Liiga madal temperatuur Armatuuris liigne niiskus Õhuniiskus liiga suur Liiga õhuke laminaat (polüester) Kasutatud vaik nõuab järelkuumutamist
Valgumisnähud Liiga palju vaiku Liiga vähe tiksotroopseid manuseid
Laminaadi kõverdumine, kõmmeldumine
Ebasümmeetriline laminaat, lamineerimisjärjekord ebaõige Liiga vara vormist eemaldatud
Prepreg- lamineerimine
Prepreg tarnitakse kilesse või kahe kile vahele pakituna.
Kile eemaldatakse vahetult enne või peale prepregi mõõtulõikamist.
Prepregi kihid asetatakse vormi soovitud järjekorras ja suunas.
Kihid rullitakse üksteise külge kinni võimalikult tihedalt vältides õhumullide jäämist kihtide vahele.
Prepreg-lamineerimise ja autoklaavkõvendamise eelised-puudused
Prepreg-lamineerimine koos kõvendamisega autoklaavis on eeskätt kasutusel vastutusrikkamate konstruktsioonielementide valmistamiseks, näiteks lennukitööstuse vajadusi silmas pidades.
Eesmärgiks on suuregabariidiliste toodete valmistamine suure tugevusega materjalist, tagades toodete ühtlane kvaliteet
Eelis Puudus Laminaatide eriti kõrged füüsikalis-mehaanilised omadused
Kallid vormid
Poorsuse puudumine Aeglane lamineerimine, seda eriti keeruliste vormide korral
Kärgstruktuuride valmistamine võimalik Pikk kõvenemisaeg Kerge ja puhas lamineerimine Tooraine kõrge maksumus
Pihustuslamineerimine
Pihustuslamineerimise korral pihustatakse üheaegselt sarrus ja vaik spetsiaalse püstoli abil vormi pinnale.
Roving hakitakse püstolile kinnitatud lõikeseadmes soovitud pikkusega kiududeks.
Püstolis vaik ja kiud segunevad ja paisatakse püstoli suisest koos vormi pinnale
Mähkimine
Kiudude mähkimiseks immutatakse need eelnevalt vaiguga ja juhitakse pöörlevale vormile
Kui toote seinapaksus on piisva lastakse laminaadil kõveneda kärnil või toimetatakse koos kärniga kõvendusahju.
Kärn eemaldatakse peale laminaadi kõvenemist.
Reaktsioonvalu ehk RIM-protsess
Reaktsioonvalu, ehk RIM-protsess (Reaction Injection Moulding) on välja töötatud polüuretaanist vahtmaterjalide tootmiseks.
Kaks põhilist komponenti segatakse ja pressitakse (pihustatakse) suletud vormi.
Diskreetsete armatuurikiudude kasutamisel on meetodi tähisena levinud RRIM, milles esimene täht viitab armatuurile (Reinforced Reaction Injection Moulding).
Reaktsioonvalu ehk RIM-protsess
RIM meetodi korral kasutatakse lähtetoorainena polüooli ja isotsüanaati. Komponendid segatakse ja tsirkuleeritakse torustikus pidevalt tardumise
vältimiseks. Injektsioon viiakse läbi spetsiaalse segamispea abil, millesse komponendid antakse
kõrgsurvetorustiku kaudu. Materjal pihustatakse vormi mõne sekundi jooksul sõltuvalt kasutatavatest
materjalidest ja toote suurusest. Tooraine tardumisaeg on väikeste detailide puhul 2-6 sekundit. Vormimisaeg on 20-200 s. Suurimad selle tehnoloogia abil valmistatavad tooted on kaaluga kuni 50 kg, millele
vastab 1000 t. koormus vormi kokkusurumiseks.
Eelised Puudused Lühike tsükliaeg Madal vormirõhk Kujutäpsed ja siledapinnalised detailid Suur elastsus
Madal elastsusmoodul, väike tugevus Kallid seadmed Nõudlikumates rakendustes on vaja toote pind värvida
Tsentrifugaalvalu
Tsentrifugaalvalu korral asetatakse armatuur pöördsümmeetrilise vormi sisse ja vorm pannakse pöörlema.
Seejärel valatakse või pihustatakse vaik ühtlase kihina vormi.
Tsentrifugaaljõu toimel imbub vaik armatuuri sisse ja õhumullid surutakse välja.
BMC ja SMC vormimine Kuumpressimise on mitmeid teisendeid,
mida võidakse käsitleda omaette valmistus meetoditena.
Erinevus seisneb lähtematerjalides või pooltoodetes, mida pressitakse.
BMC (Bulk Moulding Compound) kujutab endast taignasarnast massi, mis sisaldab armatuuri ja täiteaineid ning mille kõvenemine toimub vormimisoperatsiooni käigus.
SMC (Sheet Moulding Compound) kujutab endast mõne millimeetri paksust termoreaktiivvaigul põhinevat painduvat leht-toorikut, mis sisaldab armatuuri ja täiteaineid.
BMC hulka kuulub ka TMC (Thick Moulding Compound), mis sobib mõlema: nii SMC- kui ka BMC protsessis kasutamiseks.
Komponent Low-profile SMC Standardne BMC Vaik 20-27% 20% Klaaskiud 25-30% 15% Kaltsiumkarbonaat 40-50% 54% Kahanemist vähendav manus 9% Muud 3-5% 2%
Eri valmistusmeetodite piirangud mõõtmetele ja kujule
Märg-lamineeri-mine
Külmpressimine
Kuumpressimine
RTM SMC RRIM Pultrusioon Mähkimine
Vähim kumerusraadius (mm)
6 6 3 6 1,5 Pool paksusest
1,5 3
Avad tootes valmistamis-operatsiooni käigus
Ainult suured
Ei Jah Ei Jah Jah Ei Jah
Sisemised välised liugjuhikud
Keeruline Ei Ei Keeruline Jah Jah Jah Ei
Min. vajalik vormikalle
0 2-3 1-4 2-3 1-3 1-3 0-2 3
Min. paksus (mm) 1 2 0,8 2 1,3 2 1 0,25 Max. Paksus (mm) Piiranguteta 12 12 12 25 12,5 12,5 50+ Metalsed kinnituselemendid
Jah Ei Ei ole soovitav
Jah Jah Jah Ei Ei
Väljaulutavad astmed ja osad
Jah Ei ole soovitav
Keeruline Keeruline Jah Jah Ei Ei
Jäikusribid Ei Keeruline Keeruline Keeruline Jah Jah Pikkus-suunas
Keeruline
Õõnsad jäikusribid Jah Keeruline Keeruline Jah Ei Ei Pikkus-suunas
Ei
Vormitavaid pindasid 1 2 2 2 2 2 2 1
Erinevate meetodite võrdlus tootmistehnilisest seisukohast
Märglamineerimine
Külm- ja kuumpressi-
mine
RTM SMC RRIM Pultrusioon Mähkimine
Tootlikuim seeria suurus
Väike- keskmise suurusega
Väike- keskmise suurusega
Väike- keskmise suurusega
Suur Keskmine- suur Keskmine Väike-keskmine
Tk/ aastas 1-1000 1000-10 000 1000-2000 1000-100 000 15 000-100 000 1000m- 10 000m
1-1000
Vormis olemise aeg 5 min- 24 h 20-30 min 10-20 min 1-2 min Pidev 5 min-tunde Max suurus 300 m2 4,5 m2 Tugevusklass Keskmine Madal Madal-
keskmine Madal-
keskmine Madal Suur Suur
Tüüpiline armatuurisisaldus
20-40 20-40 15-30 15-35 5-25 30-75 60-90
Suunatud tugevusomadused
Võimalik, ühtlane
Ühtlane Ühtlane Ühtlane Ühtlane, osalt voolamise
suunas
Suunatud Suunatud
Pinnaviimistlus Pinnakvaliteet väga hea Hea Väga hea Hea Väga hea Keskmine-hea keskmine Gelcoat pind Jah Ei Jah Ei Ei Ei Ei Pinnakangad Jah Ei Jah Ei Ei Jah Jah Pinnakiled Jah Ei Jah Ei Ei Ei Jah Vormi, tööriistadega seotud kulud
Madalad Keskmised Keskmised Kõrged Madalad-keskmised
Madalad Madalad
Investeeringud sisseseadesse
Madalad Kõrged Keskmised Kõrged Keskmised Keskmised Keskmised
Maatriksimaterjalide hinnad
Materjal Hind, €/kg
Materjal Hind, €/kg
Polüester, tavakvaliteet 2-2,5 Epoksü 8-50 Polüester, keemiliselt inertne 2,5-4 Polüeteen 1-2 Vinüülester 3-5 Polüpropüleen 1,5-3 Uretaan 2-4
Armatuuri ja pooltoodete hinnad
Armatuur Hind, €/kg Armatuur/ e-klaaskiud
Roving 1,5-2 Lõng 3-5 Kiudmatt 3-4 Pidevkiudmatt 4-5 Kangas rovingist 3-4 Kangas lõngast 15-30
Pooltooted/E-klaaskiud BMC 3-4 SMC 3-4 GMT 4-5 Prepreg/epoksü, kangas lõngast 25-40 Lint, ühesuunaline 10-20
Survevalugranulaat PA 66, 30% klaaskiudu 2-4
Aramiid Lõng 30 Kangas lõngast 40-60 Prepereg/ epoksü, kangas lõngast 60-100 Lint, ühesuunaline 40-60
Süsinikkiud Süsinikkiu kimp (HS kvaliteet) 17-25 Lõng 20-30 Prepereg/ epoksü, ühesuunaline kangas 30-60 Prepereg/ epoksü, kangas lõngast 40-100
Eri meetodite tootlikkust iseloomustavad näitajad ja käsitöö osa selles
Meetod Tootlikkus kg/h Keskmise suurusega toode, kg
Töö osa kogukuludes, %
Käsilamineerimine Väikesed tooted 1-5 2-10 60-70 Suured tooted 5-15 20-200 40-60
Pihustuslamineerimine 10-30 10-30 30-50 Vaakumkotis vormimine
3-6 10-30 40-60
Külmpressimine 10-30 5-15 25-40 Kuumpressimine 20-50 5-15 25-40 RTM 20-40 5-30 15-30 RRIM 10-40 2-8 20-40 SMC 20-100 2-10 10-30 GMT 10-40 2-10 15-35 Pultrusioon 10-30 - 20-30 Mähkimine 5-50 5-50 15-30
Eri meetodite tüüpilised seadme- ja vormiinvesteeringu vajadus
Meetod Kulud vormile, keskmine
võrdlustoode x 1000 €
Investeeringud seadmetesse x 1000€
Käsilamineerimine 1-2 3-15 Pihustuslamineerimine 1-2 10-30 Vaakumkotis vormimine
1-2 10-30
Külmpressimine 2-3 30-50 Kuumpressimine 5-8 50-150 RTM 2-3 15-30 RRIM 5-10 50-100 SMC 10-30 100-300 GMT 10-30 100-300 Pultrusioon 3-5 100-250 Mähkimine 3-20 50-200