LUJITEMUOVITEKNIIKKA ERI TOIMIALOILLA 21.09.2009
SISÄLLYSLUETTELO 1. Johdanto...1 2. MUOVIEN YLEISESITTELY...2 2.1. Muovimateriaalit...2 2.1.1. Kertamuovit...2 2.1.2. Kestomuovit...6 2.2. Vaahdot...7 2.3. Liimat...7 3. LUJITTEET...8 3.1. Lujitemateriaalit...8 3.1.1. Lasikuidut...8 3.1.2. Hiilikuidut...9 3.1.3. Aramidikuidut...10 3.1.4. Boorikuidut...11 3.1.5. Piikarbidikuidut...11 3.2. Lujitemuovien mekaaniset ominaisuudet...11 3.3. Laskennan perusteet...12 3.3.1. Mikromekaaniset laskentamallit...12 3.3.2. Makromekaaniset laskentamallit...14 3.3.3. Laskentatyökalut...17 4. KERROSLEVYRAKENTEET...19 4.1. Yleistä kerrosrakenteista...19 4.2. Kennot...20 4.3. Vaahdot...21 5. LUJITEMUOVITUOTTEIDEN SUUNNITTELU...23 5.1. Materiaalivalinta...23 5.1.1. Materiaalin valintaprosessi yleisesti...23 5.1.2. Materiaalien vertailuluvut...25 5.1.3. Lujitteiden valinta...26 5.1.4. Muovimatriisin valinta...29 5.1.5. Täyteaineiden käyttö...30 5.1.6. Ydinaineiden valinta...30 5.2. Rakennesuunnittelu...31 5.2.1. Suunnitteluprosessi...31 5.2.2. Rakenteellisten vaatimusten määrittely...32 5.2.3. Rakenneosien suunnittelu...34 5.2.4. Liitosten suunnittelu...44 6. LUJITEMUOVITUOTTEIDEN VALMISTUS...62 6.1. Valmistusmenetelmät...62 6.2. Laminointimenetelmät...64
6.2.1. Käsinlaminointi...64 6.2.2. Laminoidun tuotteen kovettaminen...67 6.2.3. Ruiskulaminointi...69 6.2.4. Kuitukelaus, punonta, käärintä...71 6.3. Painevalumenetelmät...74 6.3.1. Hartsi-injektio (RTM)...74 6.3.2. Alipaine- RTM...76 6.3.3. Suurnopeus- RTM...78 6.3.4. Reaktiovalu (RIM)...78 6.3.5. SRIM- menetelmä...80 6.3.6. Ruiskuvalu...80 6.3.7. Keskipakovalu...81 6.4. Puristusmenetelmät...82 6.4.1. Siirtopuristus...82 6.4.2. Ahtopuristus...83 6.5. Suulakemenetelmät...87 6.5.1. Pultruusio...87 6.5.2. Pultruusion muunnoksia...91 6.5.3. Ekstruusio (suulakepursotus)...92 6.5.4. Valssaus...92 6.5.5. Kerroslevyjen valmistus...93 7. LUJITEMUOVITUOTTEIDEN TESTAUS...95 7.1. Aineenkoetusmenetelmien standardisointi...95 7.2. Lyhytaikaiskokeet...96 7.2.1. Vetokoe...96 7.2.2. Puristuskoe...97 7.2.3. Taivutuskoe...97 7.2.4. Leikkauskokeet...99 7.2.5. Iskukokeet...105 7.3. Staattiset pitkäaikaiskokeet...107 7.3.1. Virumiskokeet...107 7.3.2. Liimasaumojen pitkäaikaiskokeet...108 7.4. Väsytyskokeet...109 8. LUJITEMUOVIEN KÄYTTÖ...110 8.1. Tuulivoimateollisuus...110 8.2. Veneenrakennusteollisuus...111 8.3. Rakennusteollisuus...112 8.3.1. Kantavat rakenteet...113 8.3.2. Rakenteiden vahvistaminen...113 8.3.3. Elementtirakenteet...116 8.3.4. Sekundääriset osat...117 8.4. Kuljetusvälineteollisuus...118
8.4.1. Raideliikenne...118 8.4.2. Tavarankuljetus...123 8.5. Urheilu- ja vapaa-ajan välineteollisuus...123 8.6. Erikoisalat...125 8.6.1. Ilmailuteollisuus...125 8.6.2. Puolustusvälineteollisuus...128 8.6.3. Terveydenhoitoala ja lääketiede...130 9. KIRJALLISUUTTA...133 Lähteet...134
1 1. JOHDANTO Kahden tai useamman materiaalin yhdistelmää, jossa eri aineet ovat liuenneet tai sulautuneet toisiinsa, kutsutaan komposiitiksi. Kullakin materiaalilla on oma tehtävänsä komposiitissa. Lujien kuitujen ja muovin yhdistelmää, komposiittia, kutsutaan kuitulujitteiseksi muoviksi tai lujitemuoviksi. Lujitemuoveilla on useita etuja muihin materiaaleihin verrattuna: suuri lujuus ja jäykkyys suhteessa ominaispainoon mahdollisuus mekaanisten ominaisuuksien suuntaamiseen helppo muotoiltavuus mahdollisuus valmistaa suuriakin rakenteita yhtenä kappaleena kemiallinen kestävyys Nämä edut ovat vieneet lujitemuovien kehittämistä eteenpäin, ja lujitemuovien käyttö onkin yleistynyt perinteisempien materiaalien kustannuksella nykypäivän tuotteiden tuotekehityksessä. Lujitemuovien käyttöä saattaa rajoittaa: korkeahko hinta joidenkin valmistusmenetelmien huono soveltuvuus sarjatuotantoon matriisimuovien rajoitettu lämmönkestävyys lujitemuovien vaikea kierrätettävyys ja kierrätysteknologioiden kehittymättömyys. Suurimpia lujitemuovien käyttäjiä maassamme ovat: veneenrakennusteollisuus kemianteollisuus kuljetusvälineteollisuus Muita tärkeitä käyttäjäryhmiä ovat: puolustus- ja turvallisuusvälineteollisuus urheilu- ja vapaa-ajan välineteollisuus terveydenhuolto, lääketiede ja apuvälinevalmistajat tuulivoimateollisuus Lujitemuovien käyttö on lisääntymässä voimakkaasti mm. rakennusteollisuudessa.
2 2. MUOVIEN YLEISESITTELY 2.1. Muovimateriaalit Muovit ovat suurimolekyylisiä aineita, polymeerejä. Muovit valmistetaan pääosin synteettisesti. Muovit jaetaan kahteen pääryhmään: kestomuoveihin ja kertamuoveihin. Kestomuovit koostuvat pitkistä polymeerimolekyyleistä, joiden välillä ei ole kemiallisia sidoksia. Molekyylejä yhdessä pitävät voimat heikkenevät kestomuovia lämmitettäessä ja vahvistuvat taas, kun muovia jäähdytetään. Näin kestomuovi on muovattavissa lämmön ja paineen avulla. Lujitemuoveissa kestomuoveja käytetään erittäin vähän. Kysymykseen tulevat lähinnä vähän kuormitetut pienehköt osat. Kestomuovien käyttö lujitemuovin raaka-aineena on kuitenkin lisääntymässä muovien kehittyessä. Esim. lujitettua polypropeenimuovia käytetään mm. kuljetusvälineissä. Kertamuovi taas saa muotonsa sen sisältämän hartsin kovettuessa. Kovettuessaan hartsin molekyylit ristisilloittuvat ja muodostavat kemiallisin sisoksin verkottuneen rakenteen. Tällaista verkottunutta rakennetta ei voi enää muovata uudelleen. Kertamuoveja ovat mm. polyesterit, epoksit ja fenolit. Lujitemuoveissa muovimatriisit ovat pääasiassa kertamuoveja: polyestereitä, vinyyliestereitä sekä epokseja. 2.1.1. Kertamuovit Kertamuovien lujuus ja jäykkyys sellaisenaan ei ole riittävä useimpiin teknisiin sovelluksiin. Siksi kertamuoveja lujitetaan kuitumaisilla lujitteilla sekä täyteaineilla. Kuitumaiset lujitteet lisäävät lujuutta ja jäykkyyttä. Täyteaineilla, joita ovat mm. kalsiumkarbonaatti, lasihiutaleet ja puujauho, parannetaan jäykkyyttä sekä alennetaan muovin valmistuskustannuksia. Lujitemuoveissa eniten käytettyjä kertamuoveja ovat tyydyttämättömät polyesterihartsit (UP). Seuraavaksi eniten käytetään epoksihartseja (EP), melamiiniformaldehydihartseja (MF) ja fenolihartseja (PF).
3 Tyydyttämättömät polyesterihartsit Polyesterihartseja valmistetaan kondensoimalla kaksiarvoista happoa tai anhydridiä sekä glykolia. Valmistusprosessi on panosprosessi, jossa tapahtuu sulakondensaatio. Polymeroitavat raaka-aineet sulatetaan reaktorissa, jonka lämpötila nostetaan lämpötilaalueelle 170 230 o C. Reaktorissa tapahtuu kemiallinen reaktio, jossa vapautuu vettä, jota on poistettava jatkuvasti. Reaktoriin puhalletaan inerttiä suojakaasua, typpeä tai hiilidioksidia, sulapanoksen läpi. Suojakaasupuhallus edistää myös veden poistumista. Reaktion päätyttyä polyesteri jäähdytetään ja siihen lisätään styreeniä liuottimeksi sekä lisäaineita. Polyesterihartseissa käytettäviä lisäaineita ovat: Kiihdytteet: Co- yhdisteet ja amiinit o Peroksidikovete vaatii kiihdytteen Inhibiittorit o Estetään harsin liian nopea kovettuminen ja lisätään työskentelyaikaa o Pidennetään hartsin varastointiaikaa Haihtumisen estoaineet: vahat o Vähennetään styreenin haihtumista laminoinnissa o Estetään kappaleen pinnassa kovettumista hidastava vaikutus o Ilman haihtumisen estoaineita pinta ei kovetu, vaan jää tahmeaksi Tiksotrooppiset aineet: piidioksidi o Vähennetään hartsin valumista pystysuorilta pinnoilta o Käyttö samentaa hartseja UV- stabilisaattorit Yleislaminoinneissa ja mm. veneiden valmistuksessa käytettävät yleishartsit perustuvat ortoftaalihappoon. Jos halutaan ortohartseja parempi lämmönkestävyys sekä paremmat kemialliset ja mekaaniset ominaisuudet, voidaan käyttää Isoftaalihartseja. Vielä parempiin ominaisuuksiin päästään käyttämällä Bisfenoli- A:aan perustuvia hartseja. Oman kaupallisten hartsien ryhmän muodostavat pintahartsit, joita käytetään etupäässä veneteollisuuden tuotteissa. Muotin pinnalle asetetaan gelcoat- hartsi ja viimeisenä valmiiksi laminoidulle pinnalle topcoat- hartsi. Gelcoat sisältää pigmenttejä ja muodostaa kiiltävän pinnan. Sen tarkoitus on antaa tuotteelle ulkonäköä sekä suojata pintaa. Gelcoat- kerroksen paksuus on noin 0,4 0,8 mm. Valmiin lujitemuovituotteen toiselle pinnalle levitetään topcoat. Se sisältää hartsia, pigmenttiä ja parafiinia. Topcoatkäsitellystä pinnasta tulee siistin näköinen ja vettä hylkivä. Koska topcoat sisältää parafiinia, ei sen päälle voi suoraan laminoida, vaan tarttuvuuden varmistamiseksi pintakerros on aina hiottava pois ennen laminointia.
4 Vinyyliesterihartsit Vinyyliesterihartsit ovat epoksien tyydyttämättömiä estereitä. Yleisimmin ne ovat metakryylihapon ja bisfenoli- A:n reaktiotuotteita styreeniin liuotettuna. Vinyyliestereihin kuuluvat myös epoksien novolakat (EPN). Novolakkoihin pohjautuvat vinyyliesterihartsit ovat kemiallisesti kestävämpiä ja lämmönkestävämpiä kuin bisfenoli-a:n vinyyliesterit. Vinyylihartsit kovetetaan samaan tapaan kuin polyesterihartsit. Kovetus voi tapahtua huoneen lämpötilassa tai korotetussa lämpötilassa. Molempiin kovetustapoihin on kehitetty omat kovetteensa ja kiihdytteensä. Vinyyliesterit: Sitkeitä Lämmönkestäviä Hyvät tartunta- ja kostutusominaisuudet kaikkiin lujitteisiin Kestävät voimakkaita happoja ja emäksiä. Hyvän syöpymiskestävyytensä vuoksi vinyyliestereitä käytetään prosessiteollisuuden laitteissa, esim. sellu- ja paperiteollisuudessa ja jätevesien käsittelylaitteistoissa. Tyypillisiä tuotteita ovat putket, savupiiput, säiliöt, pumput, sähkölaitteet jne. Epoksihartsit Epoksihartsimolekyylit sisältävät epoksiryhmiä. Epoksiryhmät reagoivat kovetteen kanssa. Epoksihartseja on monia tyyppejä. Useimmat bisfenolit, fenolit, glykolit ja poliolit voidaan epoksoida epoksihartsiksi. Huoneenlämpötilassa epoksihartsit ovat nestemäisiä. Epoksihartsit kovettuvat kemiallisen reaktion kautta. Kovetteita on useaa tyyppiä. Kovettumisreaktion stökiömetria edellyttää, että kovetetta ja hartsia on oikeassa suhteessa. Ylimäärä hartsia tai kovetetta jää kovettumattomana kovettuneeseen epoksiin ja huonontaa epoksin ominaisuuksia. Epoksien kemiallisen koostumuksen mukaan niiden ominaisuudet vaihtelevat hyvin suuresti. Epokseja käytetään: Yleiskäytössä o Urheiluvälineet, vapaa-ajan tuotteet, auton osat o Lujitus lasikuidulla Sähköteollisuudessa o Piirilevyt, kotelot Avaruusteknologiassa ja lentokoneteollisuudessa
5 o Hiilikuitulujitteet Liimoina Fenolihartsit Fenolihartseja syntyy kondensoimalla fenolia formaldehydin kanssa. Fenolihartsien ominaisuuksia on mahdollista muunnella käyttämällä erilaisia lähtöaineita formaldehydin sijaan. Formaldehydien keitossa käytetään joko emäs- tai alkalipohjaista katalyyttiä. Käytettävällä katalyytillä on merkitystä fenolihartsin kovettumismekanismeihin. Emäspohjaisella katalyytillä saadaan ns. alhaisen moolimassan hartseja, jotka eivät kovetu loppuun asti ristisilloittumalla. Niiden lopullinen ristisilloittuminen tapahtuu kuumentamalla. Happokatalyytilla kovetettaessa reaktio on nopea ja kaikki formaldehydi reagoi. Fenolia sen sijaan jää ylimäärin. Syntyy kovaa novolakkahartsia, joka on haurasta.. Novolakkojen kovetus tapahtuu kovetteen avulla. Kovetteena voi olla formaldehydi (kylmäkovetus) tai heksametyleenitetramiini (kuumakovetus) Fenolihartseja käytetään etupäässä vedenkestävinä puuliimoina vanerin liimauksessa ja pinnoituksessa. Fenolihartsipuuliima kovettuu kovetteen lisäyksen jälkeen. Lisäksi mm. valimoteollisuus käyttää fenolihartseja kaavaushiekan orgaanisena sidosaineena sekä keernojen valmistuksen sidosaineena. Fenolihartseja voidaan lujittaa ja täyttää täyteaineilla. Mineraalit, selluloosa ja puujauho ovat tyypillisiä fenolihartsien täyteaineita. Fenolimuoveja on käytetty sähköteollisuuden sähkörasioissa, pistorasioissa ja pistotulpissa. Fenolimuovit ovat väriltään tummia, mikä on osaltaan rajoittanut niiden käyttöä muiden muovien kustannuksella. Auto- ja lentokoneteollisuuteen on kehitetty fenolihartseista laminoitavia erikoislaatuja. Näiden etuna polyesterihartseihin verrattuna on pienempi savunmuodostus palotilanteessa. Aminohartsit Aminohartseja valmistetaan prosessissa, jossa formaldehydi reagoi aminoryhmän kanssa. Prosessi on panosprosessi, jossa kondensoidaan raaka-aineita happokatalyytin avulla. Aminohartsja ovat urea- formaldehydi- (UF) ja melamiiniformaldehydihartsit (MF). Aminoharsien suurimpia käyttäjiä on lastulevyteollisuus. Aminohartseja voidaan käyttää myös muovikomposiitteina. UF- hartseihin lisätään selluloosaa ja MF- hartsein selluloosaa, mineraaleja tai lasikuitua. Komposiiteissa käytettävät hartsit toimitetaan granulaattina tai jauheena. Valmistusmenetelminä ovat kuumapuristus, ahtopuristus ja ruiskuvalu.
6 UF- hartsien puristemassaoja käyttökohteita ovat sähkötekniset kytkimet ja katkaisijat. MF- hartseja käytetään taas astioissa, koteloissa ja sähköeristeinä. Polyuretaanihartsit Polyuretaanihartsit ovat hartseja, jotka sisältävät kovettumisen jälkeen uretaaniryhmän. Polyuretaaaneja voidaan valmistaa useamman kemiallisen reaktion kautta, esim. isonaattien reaktioilla alkoholien, amiinien ja veden kanssa. Polyuretaanit jaetaan valmistusmenetelmänsä perusteella: integraalimuoveihin puolikiinteisiin puriste- ja valumuoveihin kiinteisiin integraalimuoveihin kiinteisiin solumuoveihin. Integraalimuovituotteilla on kova pintakerros ja pehmeä solupolyuretaaninen ydin. Niitä valmistetaan reaktiivisella ruiskuvalulla (RIM- menetelmä). Integraalimuoveja käytetään autoteollisuudessa. Ne voivat olla lujittamattomia tai lujitettuja. Tällaisia tuotteita ovat autojen ohjauspyörät, vaihdetangon nupit, kädensijat jne. Puolikiinteät puristemuovit ovat avosoluisia. Elastisen hystereesinsä ansiosta niillä on hyvät vaimennus ja energian absoptio- ominaisuudet. niitä käytetään usein muiden muovien ydinaineena. Puolikiinteät solumuovit ovat kiinteitä tai mikrosoluisia. Ne ovat hyvin jäykkiä muoveja. Niitä käytetään autojen ulkopuolisissa osissa ja prosessiteollisuuden laitteissa. Kiinteät integraalimuovit ovat hyvin jäykkiä, mutta kevyitä. Niitä käytetään esim. ikkunaprofiileissa, huonekaluissa jne. Kiinteitä solupolyuretaaneja käytetään lämmöneristeinä sekä ydinaineina parantamaan ontelorakenteiden jäykkyyksiä. 2.1.2. Kestomuovit Kestomuovit ovat muoveja, joita voidaan lämmön avulla muovata uudelleen niiden rakenteen muuttumatta. Kestomuoveja voidaan myös liittää toisiinsa lämmön avulla hitsaamalla tai kuumasaumaamalla. Muovipolymeerit jaetaan kiteytymistapansa mukaisesti amorfisiin ja kiteisiin polymeereihin. Amorfisilla polymeereillä on satunnaisesti järjestäytynyt kiderakenne. Amorfisen rakenteen johdosta näille polymeereille on ominaista läpinäkyvyys, pieni
7 lämpölaajeneminen ja hauras murtumismekanismi. Kiteiset polymeerit ovat polymeerejä, joiden kiteytymisaste on yli 5 10 %. Niiden rakenne koostuu järjestäytyneistä kiteisistä alueista, joiden välissä on amorfista aluetta. Kiteisille polymeereille on ominaista molekyylien kiteisten alueiden suuntautuminen, joka vaikuttaa mm. lujuusominaisuuksien suuntautumiseen. Eniten käytettyjä kestomuoveja ovat polyeteenit sekä polypropeenit. Voimakkaimmin kasvussa kestomuovipolyesterien kulutus, jota käytetään mm. muovisissa virvoitusjuomapulloissa. Lujitemuoveissa kestomuovien käyttö ei ole kuitenkaan merkittävää. 2.2. Vaahdot Kerroslevyjen rakenneaineina käytettävät vaahtomateriaalit on esitelty kohdassa 4.3. 2.3. Liimat Lujitemuovirakenteiden, joita ei ole tarkoitus purkaa, luonnollinen liitosmenetelmä on liimaus. Liimalta vaadittavia ominaisuuksia ovat mm. riittävä tartuntalujuus eli adheesio, riittävä sisäinen lujuus eli koheesio, lämmönkestävyys ja kemiallinen kestävyys. Lisäksi liimojen käytön kannalta ovat viskositeetti, käyttöaika sekä liiman kovettamiseen vaadittava aika ja lämpötila tärkeitä liiman valinta kriteereitä. Liimat jaotellaan peruskomponenttiensa mukaan kestomuovi-, kertamuovi- ja elastomeeriliimoihin. Kestomuovipohjaiset liimat ovat yleensä akryyli-, vinyyli- ja polyamidiliimoja. Kertamuoviliimat tehdään epoksi-, fenoli-, polyesterimuovi- tai polyimidipohjalle. Elastomeeriliimoihin kuuluvat mm. polyuretaanit. Liimojen kovettuminen voi tapahtua: kemiallisen reaktion vaikutuksesta sulassa tilassa olevan liiman jähmettyessä jäähtyessään liiman sisältämän liuotteen haihtuessa. Kemiallisesti kovettuvia liimoja ovat mm. kertamuovipohjaiset liimat, jotka kovettuvat kertamuovien tapaan molekyylien ristisilloittumisen johdosta. Jotkut kestomuoviliimat kovettuvat kemiallisesti polymeroitumisreaktion kautta. Polymeroituminen voi lähteä liikkeelle lämmön, UV- valon tai kosteuden vaikutuksesta. Toisaalta jotkut liimat polymeroituvat, kun suljettuun liimasaumaan ei enää pääse ilman happea. Kestomuovit voivat toimia myös sulateliimoina. Liima sulatetaan, ja sen jälkeen jäähtyessään se muodostaa liimasauman. Sulateliimat ovat nopeasti kovettuvia liimoja.
8 3. LUJITTEET Lujitteilla voidaan parantaa muovin mekaanisia ominaisuuksia, esim. lujuutta tai iskusitkeyttä. Lujitemuovissa muovi toimii matriisina, joka sitoo lujitteet yhteen yhtenäiseksi kappaleeksi ja samalla suojaa lujitteita. Muovin kautta kappaleeseen kohdistuvat kuormitukset siirretään lujitteiden kannettaviksi. 3.1. Lujitemateriaalit Lujitteina käytetään kuitumaisia aineita, jotka on tähän käyttötarkoitukseen valmistettu. Valtaosa käytettävistä lujitteista on lasikuitulujitteita. Muita merkittäviä ovat hiilikuituja aramidikuitulujitteet, joita käytetään kohteissa, joissa lujuuden ja jäykkyyden lisäksi edellytetään erityisen kevyitä konstruktioita. Lisäksi on kehitetty joitakin erikoiskuituja kuten esimerkiksi boori- ja piikarbidikuidut. Näiden kuitujen käyttö on rajoittunut vain muutamiin erikoistapauksiin. 3.1.1. Lasikuidut Lasikuitu on vanhin lujitemuoveissa käytetty lujite materiaali. Sen valmistus alkoi jo 1930- luvulla. Lasikuitua valmistetaan pääasiassa kolmesta eri lasityypistä: A- lasi, E- lasi ja C- lasi. Vanhin lasikuitu tyyppi on A- lasi (Alkali Glass). Se valmistetaan natrium-kalsiumsilikaattilasina eli ns. soodalasina, joka on myös ikkunoiden ja pakkausten lasimateriaali. Aikaisemmin yleisesti käytettyä A- lasia ei enää käytetä lujitekuituna sen huonon vedenkestävyyden takia. Nykyisin lasikuidut valmistetaan lähes yksinomaan E- lasista (Electrical Glass). Koska se sisältää alle 1 % alkaleja, on sillä hyvät sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet. Lisäksi sen kemiallinen kestävyys on hyvä. Hapettavissa olosuhteissa, joissa lujitemuovituotteilta vaaditaan korroosionkestävyyttä, voidaan niiden lujitteina käyttää C- lasia. Kun laminaatin pintaan laitetaan silloin C- lasista valmistettua pintahuopaa, saadaan laminaattiin korkeahartsipitoinen sisäpinta.
9 Kun halutaan yhdistää E- lasin hyvät mekaaniset ominaisuudet ja C- lasin kemiallinen kestävyys, voidaan käyttää ECR- lasia (E- Glass, Chemically Resistant.) Lentokoneteollisuudessa käytetään jonkin verran S- lasia (High Strength Glass) ja R- lasia. Näiden lasien vetolujuus ja kimmokerroin ovat suuremmat kuin E- lasilla. Lisäksi niillä on erittäin hyvä lämmönkestävyys. 3.1.2. Hiilikuidut Hiilikuidut valmistetaan hiillyttämällä lähtömateriaalikuitua sopivissa olosuhteissa. Menetelmä on tunnettu jo kauan, mutta vasta lentokoneteollisuuden tarve kehittää lujempia ja kevyempiä rakenteita on vauhdittanut hiilikuitujen kehittämistä ja kaupallisten sovellusten yleistymistä muihinkin lujitemuovituotteisin. Hiilikuitujen valmistus voitaisiin periaatteessa toteuttaa useammalla erilaisella prosessilla ja käyttäen erilaisia lähtöaineita. Hiilikuitujen kehittämisen alkumetreillä lupaavimpia tuloksia osoittivat viskoosikuidut ja polyakrylaattinitriilikuidut (PAN). Kehitys on kulkenut niin, että nykyään lähes kaikki hiilikuitu valmistetaan PANkuidusta. Sen etuina ovat tasaisempi laatu ja parempi saanto sekä yksinkertaisempi valmistusprosessi kuin viskoosikuiduilla. Hiilikuituja voidaan valmistaa myös asfaltista ja kivihiilitervasta. Näillä menetelmillä hiilikuitusaanto on korkeampi kuin esim. PAN- menetelmällä. Samoin koska lähtöaineet ovat edullisempia, ovat nämä pikipohjaiset kuidutkin edullisia. Hiilikuidut valmistetaan jatkuvana kuitukimppuna (touvina). Kimpun filamenttiluku voi vaihdella käyttökohteesta riippuen muutamasta tuhannesta satoihin tuhansiin. Yleisimmät filamenttiluvut ovat 3000, 6000 ja 12000. Tällaiset touvit valmistetaan tavallisesti kierteettömiksi. PAN- hiilikuidut jaotellaan lujuus- ja jäykkyysominaisuuksien perusteella kolmeen pääryhmään: SM- kuidut, IM- kuidut ja HM- kuidut. SM- kuituja (Standard Modulus) käytetään eniten. Niillä on korkea vetomurtolujuus ja murtovenymä. SM- kuista käytetään myös nimityksiä High Strength tai High Strainkuidut tai HT- kuitu (High Tenacity). SM- kuidut ovat hinnaltaan edullisimpia hiilikuituja. Nyrkkisääntönä voi pitää: mitä korkeampi kimmomoduli hiilikuidulla on, sitä korkeampi on sen hinta. IM- kuidut (Intermediate Modulus) ovat keskijäykkiä hiilikuituja ja ovat hinnaltaan siten SM- kuitujen ja HM- kuitujen välissä.
10 HM- kuidut (High Modulus) ovat jäykkiä kuituja (korkea kimmomoduli). Vetolujuudet ja murtovenymät asettuvat SM- kuitujen ja IM- kuitujen vastaavia alemmalle tasolle. Kaikkein jäykimmät kuidut luokitellaan UHM- kuiduiksi (Ultra High Modulus). Hmkuitujen käyttökohteita esiintyy lähinnä lentokone- ja avaruusteollisuudessa. Hiilikuitujen käyttäjän tulee muistaa, että hiilikuidut ovat sähköä johtavia. Katkenneet kuidut voivat kulkea ilman mukana ja aiheuttaa sähkölaitteisiin oikosulkuja. Hiilikuidusta valmistettuja lujitemuoveja ei saa polttaa avotulessa, koska poltossa vapautuu suuria määriä hiilikuituja, joista aiheutuu oikosulkuriskejä. 3.1.3. Aramidikuidut Aramidikuidut ovat aromaattisia polyamidikuituja. Kuidun valmistaja valmistaa myös tarvittavan polymeerin. Aramidikuiduilla on korkea vetomurtolujuus ja kimmomoduli sekä pieni murtovenymä. Kuitujen puristuslujuus on alhainen. Niiden tarttuvuus matriisiin on huono. Aramidikuidut ovat palamattomia ja kestävät hyvin korkeita lämpötiloja, liuottomia sekä poltto- ja voiteluaineita. Aramidikuitu laatuja ovat mm. Du Pontin kehittämät Kevlar- laadut, Akzon Twaron sekä Nomex Conex- kuidut. Kevlar 49- kuidulla on erinomainen ominaislujuus (vetomurtolujuus/tiheys). Kevlar 149 kuidun (Kevlar HM- kuitu) kimmomoduuli on korkeampi kuin Kevlar 49- kuidulla. Samoin vedenimeytyminen tähän kuituun on pienempää. Kevlar HE (Kevlar 119) omaa erittäin korkean murtovenymän. Tätä kuitua ei yleensä käytetä muovien lujittamiseen. Poikkeuksena ovat räjähteiltä ja sirpaleilta suojaavat laminaatit. Nomex- kuitupaperista valmistettuja kennoja käytetään kerroslevyjen rakenneaineena. Aramidikuitujen käyttö muovin lujitteena tulee kyseeseen silloin, kun vaaditaan keveyttä ja suurta vetolujuutta, jäykkyyttä sekä iskusitkeyttä ja iskulujuutta. Suuri osa aramidikuiduista käytetään lentokone ja avaruusteollisuudessa. Lujitemuoveja voidaan käyttää myös muiden lujitteiden kanssa yhdessä. Niiden avulla voidaan keventää lasikuitulujitusta sekä estää halkeamien leviämistä ja katastrofaalisen murtuman syntyä. lasikuidulla taas voidaan lisätä aramidilujitteen taivutus- ja puristuslujuutta sekä alentaa kustannuksia. Aramidikuidulla ja hiilikuidulla on hyvin samankaltaiset lämpölaajenemisominaisuudet, mikä helpottaa niiden yhteensovittamista. Yhdistettäessä aramidikuituja ja hiilikuituja aramidikuidut alentavat painoa sekä lisäävät iskulujuutta, iskusitkeyttä ja parantavat värähtelynvaimennusominaisuuksia. Hiilikuitu taas parantaa puristus- ja taivutuslujuutta ja rakenteen jäykkyyttä.
11 3.1.4. Boorikuidut Boorikuidut valmistetaan pinnoittamalla kemiallisessa höyrystyksessä 12,5 μm wolframikuitua. Boorikuitujen käyttöä rajoittaa niiden korkea hinta, joka johtuu kalliista valmistusmenetelmästä. Lisäksi hiilikuidut kilpailevat niiden kanssa markkinoilla. Vastaaviin ominaisuuksiin päästään yleensä halvemmilla hiilikuiduilla. Boorikuiduilla on erinomaiset lujuusominaisuudet sekä erinomainen kimmomuduli. Boorikuituja käytetään lentokone- ja avaruusteollisuudessa sekä urheiluvälineissä. 3.1.5. Piikarbidikuidut Piikarbidikuidut valmistetaan höyrystämällä kivihiilitervapohjaista hiilikuitua piikarbidilla. Piikarbidikuidut ovat boorikuituja edullisempia. Lisäksi niiden lämmönkesto on parempi kuin boorikuiduilla. Mikäli piikarbidikuidut halutaan valmistaa ohuemmiksi, käytetään lähtöaineena silikonipolymeeriä. Piikarbidikuitujen pääkäyttöalue on metallien lujittaminen. Muovien lujittamiseen voidaan käyttää 12 15 μm: n piikarbidikuituja. Piikarbidikuiduilla on suuri lujuus ja erinomainen lämmön- ja korroosionkestävyys. 3.2. Lujitemuovien mekaaniset ominaisuudet Seuraavassa tarkastelussa lujitemuovien mekaaniset tarkastelut perustuvat samoihin oletuksiin kuin perinteisissä rakennemalleissa, eli komposiitin osakomponenttien materiaalit ovat homogeenisia ja niiden käyttäytyminen on lineaarista. Kun näistä aineosista koostetaan lujitemuovikomposiitti, niin muodostuva rakenne ei ole enää homogeeninen, mutta sitä voidaan pitää makroskaalassa homogeenisena eli sen ominaisuudet ovat makroskooppisesti eri pisteissä samanlaiset. Materiaalin lineaarisuus taas tarkoittaa, että kuormitusten aikaansaamat muodonmuutokset kasvavat lineaarisesti kuormituksen kasvaessa ja nollaantuvat kun kuormitus lakkaa vaikuttamasta. Tämä olettamus pätee melko hyvin pienillä jännitystasoilla ja kuormituksen ollessa lyhytaikaista, koska kuitulujitteen kuidut käyttäytyvät lineaariselastisesti lähes murtumaan saakka. Tavanomaisien materiaalien mekaanisissa tarkasteluissa materiaali oletetaan yleensä isotrooppiseksi, ts. materiaalin mekaaniset ominaisuudet ovat samanlaiset eri suunnissa tarkasteltuna. Tämä oletus pätee usein myös kuitulujitteiselle materiaalille. Esimerkiksi täyteaineiset tai lyhyillä katkokuiduilla lujitetut lujitemuovit ovat makroskooppisesti tarkasteltuna eri suuntiin samanlaisia. Sen sijaan, jos lujittamiseen käytetään suunnattuja
12 kuituja, muodostuvat mekaaniset ominaisuudet kappaleen eri suuntiin erilaisiksi ja materiaali on anisotrooppista. Matriisimuovit voidaan yleensä olettaa isotrooppisiksi. Lujitekuiduilla taas kuidun pituus- ja poikittaissuuntaiset ominaisuudet voivat poiketa toisistaan. ominaisuudet poikittaistasossa ovat periaatteessa kuitenkin samanlaiset eri tarkastelusuuntiin. Kuitulujite on tasoisotrooppinen. Kuitulujitteisten kerrosten ominaisuudet ovat myös suuntautuneet. Yhdensuuntaiskerroksen ominaisuudet kuituja vastaan kohtisuorassa suunnassa ovat kuitenkin lähes samanlaiset. Tällainen kerros voidaan makroskooppisesti tarkasteltuna olettaa tasoisotrooppiseksi. Myös kuitulujitettu matto voidaan olettaa tasoisotrooppiseksi, koska maton kuidun ovat sijoittuneet matossa satunnaisesti. Mattokerroksen isotropiataso on kerrostaso. Kudoksella lujitetulla ei ole isotropiatasoa. Rakenteessa on kuitenkin kolme tasosuuntaa, joissa ominaisuudet ovat symmetriset. 3.3. Laskennan perusteet Kuitulujitteisten materiaalien mekaanisen käyttäytymisen kuvaamiseen on johdettu laskentamalleja. Mikromekaaniset mallit pyrkivät kuvaamaan materiaalin käyttäytymistä mikroskooppisesti mallintaen kuitujen käyttäytymistä matriisissa. Makroskooppisissa malleissa kappale nähdään kokonaisuutena. 3.3.1. Mikromekaaniset laskentamallit Lineaarisesti kimmoisen materiaalin käyttäytymistä yksiaksiaalisessa jännitystilassa kuvaa Hooken laki: σ = E ε missä σ = on jännitys E = kimmomoduli ε = voiman aiheuttama suhteellinen venymä. Jos materiaali oletetaan homogeeniseksi ja isotrooppiseksi, niin lauseke kuvaa materiaalin käyttäytymistä kimmoisella alueella jännityksen alaisena. Kuitulujitteisen ortotrooppisen kerroksen kimmoarvoille voidaan johtaa lauseke sen komponenttien kimmoarvoista sekä matriisiaineen ja kuitujen seossuhteesta. Kun yhdensuuntaiskerrosta kuormitetaan kuitujen suunnassa lausekkeeksi saadaan:
13 E 1 = E f V f + E m V m = E f V f + E m (1- V f ) missä E 1 = yhdistelmän jäykkyys = lujitteen jäykkyys Em = matriisimuovin jäykkyys V m ja V f = tilavuusosien suhteet Poikittaissuunnassa kuormitettaessa kuitujen ja matriisin voidaan kuvata ikään kuin sarjaan kytkettyjen komponenttien kaavalla: E 2 = 1 = E f E m V f / E f + V m / E m V m E f + V f E m Muodonmuutoksista suunnissa 1 ja 2 saadaan Poisonin vakiolle lauseke: ν 12 = V f ν f +V m ν m = V f ν f +(1- V f ) ν m missä ν f ja ν m ovat kuitujen ja matriisin Poisson- vakiot. Kerroksen liukumoduli G12 saadaan olettamalla leikkausjännitys samaksi kuiduissa ja matriisissa: G 12 = 1 = G f G m V f / G f + V m / G m V m G f + V f G m missä G f ja G m ovat kuitujen ja matriisin liukumodulit. Edellä esitetty yhdensuuntaiskerrosten sekoituskaava E 1 = E f V f + E m V m = E f V f + E m (1- V f ) soveltuu usein myös muiden kuin yhdensuuntaiskerrosten laskentaan. Esimerkiksi kudoslujitteiselle rakenteelle saadaan hyvä likiarvo sisällyttämällä sekoituskaavaan vain matriisi ja tarkastelusuuntaan sijaitsevat kuidut: E 1 = α E f V f + E m V m = α E f V f + E m (1- V f ) missä tehokkuuskerroin α on tarkastelusuuntaan sijaitsevien kuitujen osuus koko kuitumäärästä. Tasavaltaisille kudoksille α = ½. Mattolujitteille hyvä likiarvo on α = 3/8 Hakelujitteelle α = 5/8
14 Edellä esitetyt sekoituskaavat perustuvat yksinkertaistettuihin malleihin. Niistä puuttuu mm. huokoisuuden, fysikaalisten tekijöiden ja kuitujen epäsäännöllisen sijoittumisen huomiointi, joilla on vaikutusta komposiitin kimmoarvoihin. Sekoituskaavat antavat lähtökohdan alustavalle mitoitukselle, mutta niitä ei voi käyttää varsinaisessa mitoituksessa. Mikromekaanisia laskentamalleja on sekä yhdensuuntais- että ristikkäislujitettujen rakenteiden lujuuden alustavaan arviointiin. Osa malleista perustuu olettamukseen, että rakenne kantaa niin kauan kunnes ensiksi pettävä materiaali murtuu. Tämä oletus on optimistinen, koska todellisuudessa huokoisuus, jännityshuiput ja tartunnat aiheuttavat murtumia jo alhaisemmilla tasoilla. 3.3.2. Makromekaaniset laskentamallit Makromekaaniset laskentamallit lähtevät olettamasta, että kuormituksen aiheuttamat muodonmuutokset ovat pieniä. Kerrosten jännitykset ja muodonmuutokset Kerrosten jännityksiä ja muodonmuutoksia tarkasteltaessa o syytä tarkastella erikseen isotrooppista ja ortotrooppista kerrosta. Isotrooppinen kerros Jos isotrooppisesta materiaalista tai materiaaliyhdistelmästä valmistettuun levyyn kohdistuu yhtä aikaa sekä aksiaalikuorma kahdessa kohtisuorassa suunnassa että leikkauskuorma aiheuttavat nämä jännityskomponentit muodonmuutoksia yleistetyn Hooken lain mukaan seuraavasti: ε 1 = (σ 1 νσ 2 ) / E ε 2 = (σ2 ν) / E ε 12 = τ 12 /G
15 Kuva 1 Jännityksen levyn tasossa Edellä esitetystä yleistetystä Hooken laista voidaan johtaa jännityksille arvot: σ 1 = Eε 1 + ν E ε 2 1 ν 2 1 ν 2 σ 1 = ν Eε 1 + E ε 2 1 ν 2 1 ν 2 σ 12 = G ε 12 Nämä yhtälöryhmät esitetään usein matriisimuodossa: missä {ε}12 ja {σ}12 ovat venymävektori ja jännitysvektori,
16 [S] on joustomatriisi ja on jäykkyysmatriisi. Matriisien indeksointi on tavallisesti esitetyn mukainen. Aikaisemmin esitetyistä kaavoista saadaan joustomatriisiksi [S] ja jäykkyysmatriisiksi [Q]: Jos oletetaan, että kyseessä on lineaarisesti kimmoinen ortotrooppinen kerros, voidaan matriisit kirjoittaa kerroksen luonnollisessa koordinaatistossa muotoon: 1 -ν21 0 E1 E2 [S]= - ν12 1 0 E1 E2 0 0 1 G12 ja
17 E 1 ν 21 E 1 0 Δ 1-ν 2 [Q]= ν 12 E 2 E 2 0 Δ Δ 0 0 G 12 missä Δ =1 ν 12 ν 21. Tuotteen suunnittelussa pyritään siihen saamaan tarkoituksenmukaiset lujuus ominaisuudet kuhunkin suuntaan. Näin ollen sen laminaatit muodostetaan ortotrooppisista kerroksista, joiden suunta toisiinsa nähden vaihtelee. Laminaatin oikea suunnittelu ja mitoitus vaatii, että kunkin kerroksen käyttäytyminen pystytään ennakoimaan mielivaltaisesti tasossaan kuormitettuna. Käyttäytymisen kuvaaminen voi tapahtua kimmoarvojen avulla. Jännitykset ja muodonmuutokset voidaan muuntaa yhdestä mielivaltaisesta koordinaatistosta toiseen. Laskenta edellyttää ns. muunnosmatriisien käyttöä. Laskentaa on esitelty mm. lähteissä [17] ja [18]. Kun ortotrooppisten kerrosten käyttäytyminen mielivaltaisessa koordinaatistossa tunnetaan, voidaan jo ennustaa niistä muodostuvan laminaatin käyttäytymistä. Laskentaa on esitelty lähteissä [17] ja [18]. 3.3.3. Laskentatyökalut Edellä esitetyt klassillisen laminaattiteorian mukaiset laskentamenetelmät ovat hankalia käyttää. Ne ovat erittäin työläitä, koska useinkin laminaatin kerrosmäärä on suuri. Lisäksi laskelmat on usein suoritettava täysin teorian mukaisesti, koska ei ole olemassa tapaa, joilla laskentakaavoja voisi yksinkertaistaa, siilä laminaattien mekaaninen käyttäytyminen on monimutkaista. Laminaattirakenteiden laskentaan onkin kehitetty tietokoneavusteisia laskentaohjelmia. Ohjelmat toimivat kolmella periaatteella: laminaattianalyysit, globaalit analyysit ja rakenneyksityiskohtien analyysit. Laminaattianalyysit Laminaattianalyysiohjelmat perustuvat laminaattiteoriaan ja ne on kehitetty helpottamaan laminaattiteorian soveltamista. Ohjelmistoja on eritasoisia. Yksinkertaisimmat suorittavat vain perusanalyyseja. Monimutkaisemmilla on mahdollista suorittaa myös herkkyysanalyyseja ja analysoida rakenne-elementtejä.
18 Joitakin ohjelmistoja voi käyttää elementtimenetelmäohjelmistojen apuna tietojen esi- ja jälkikäsittelyyn. Globaalit analyysit Globaalit analyysit tehdään numeerisesti elementtimenetelmäohjelmistoilla (FEM). Periaatteessa kaikki kaupalliset FEM- ohjelmat soveltuvat laminaattirakenteiden analysointiin. Koska ohjelmien esi- ja jälkikäsittelyominaisuudet ovat melko puutteellisia, on yleinen käytäntö, että elementtiohjelmaa käytetään yhteiskäytössä jonkin laminaattiohjelman kanssa. Rakenneyksityiskohtien analyysit Joissakin laminaattianalyysiohjelmissa on apuohjelmia, joiden avulla voidaan analysoida rakenteiden yksityiskohtia. Periaatteena niissä on joko analyyttinen ratkaiseminen tai ohjelma sisältää sisäisiä numeerisesi toimivia ratkaisija operaattoreita. Jos käytössä olevassa ohjelmistossa ei ole rakenneyksityiskohtienanalysointiominaisuutta, voidaan yksityiskohdat analysoida tavanomaisesti numeerisesti FEM- ohjelmalla.
19 4. KERROSLEVYRAKENTEET Kerroslevyrakenne koostuu ohuesta pintakerroksesta sekä paksusta ja kevyestä ydinosasta, joka on liitetty liimaamalla pintalevyyn. Ydin osa voi olla kennomainen tai se voi olla valmistettu vaahdosta. 4.1. Yleistä kerrosrakenteista Ydinaineen tehtävänä on antaa rakenteelle paksuutta ja lisätä jäykkyyttä ilman, että rakenteen paino merkittävämmin nousee. Ydinaine tukee pintalevyä ulkoisten voimien kuormituksissa. Se ottaa vastaan pintalevyyn kohdistuvat leikkausvoimat sekä se tukee pintalevyä, jotta pintalevy voisi taipumatta kantaa siihen kohdistuvat puristus- ja taivutuskuormat. Kuva 2Kerroslevyjen perusrakenteet: Hunajakennoydinaineen tai vaahtoydinaineen pinnoille on liimattu pintalevyt Kerroslevyjen hyviä ominaisuuksia ovat: hyvä jäykkyys/paino- suhde hyvä lujuus/paino- suhde helpohko valmistettavuus iskujen vaimennuskyky hyvät eristysominaisuudet (ääni, lämpö)
20 Kerroslevyjen heikompia ominaisuuksia ovat: iskujen ja pistekuormien aiheuttamat vauriot pintalevyissä laaduntarkastuksen vaikeus liitosten ja läpivientien hankaluudet Kerroslevyjen laadun kannalta on liimausten laatu kriittinen ominaisuus. Pintalevyt tulee liimata kauttaaltaan ja huolellisesti ydinaineeseen. Jos ydin aine koostetaan paloista, on palat liimattava toisiinsa tai palojen välit täytettävä täyteainetta sisältävällä liimalla. 4.2. Kennot Kennoydinaineina voidaan käyttää monia materiaaleja. Materiaalin tulee olla ohutta ja levymäistä. Metallikennoja valmistetaan alumiinista, ruostumattomasta teräksestä, titaanista ja nikkeliseoksista. Tavallisimmin metallilevyt kasataan tiettyyn järjestykseen päällekkäin ja liimataan kiinni toisiinsa. Valmiista pakasta leikataan halutun kennon paksuinen osa ja se avataan kennoksi. Toinen tapa on valmistaa metallilevystä aaltolevyjä, jotka liimataan tai hitsataan yhteen. Ei- metalliset kennot valmistetaan tavallisimmin aramidikuitupaperista, lasikuidusta tai paperista. Nämä kennoydinaineet kyllästetään tavallisesti sopivalla hartsilla. Kenno kastetaan hartsiin ja kovetetaan sen jälkeen uunissa. Kastamis- ja kovetusjaksoja jatketaan kunnes kenno on saavuttanut halutun tiheyden. Hartsisisällön tulisi olla n. 50 %. Uusimpia materiaaleja kennoissa ovat hiili- ja aramidikuidut. Parhaisiin lujuus- keveys yhdistelmiin päästää aramidikuitupaperi- ja alumiinihunajakennorakenteilla. Nämä ovat kuitenkin kalliita valmistaa. Paperista, pahvista ja muovista valmistetut kennot ovat halpoja, mutta niiden lujuusominaisuudet ovat heikompia. Tavallisin kennomuoto on kuusikulmainen hunajakenno. Sillä on hyvä leveyssuuntainen leikkauslujuus. Kun kuusikulmaista kennoa avataan enemmän pituussuunnassa, saadaan yliavattu kenno. Tällaisesta kennosta tehtyä levyä voidaan taivuttaa leveyssuunnassa. Aaltomaisen, taipuisan kennorakenteen sisältävää kennolevyä voidaan helposti taivuttaa pienillekin kaarevuussäteille.
21 Kuva 3Hunajakennorakenteita 4.3. Vaahdot Eniten käytettyjä kerroslevyjen ydinaineita ovat solumuovit. Polyvinyylikloridimuoveja (PVC), polyuretaaneja (PUR) ja polystyreenejä (PS) käytetään eniten. Muita käytettyjä solumuoviaineita ovat polymetakryyli-imidi, polyeetterisulfoni, polyeetteri- imidi, styreeniakryylinitriili, fenoli ja solustettu kumi. Polyuretaanisolumuovit Polyuretaanisolumuoveja on saatavissa valmiina levyinä. Näitä muoveja voidaan kuitenkin myös paisuttaa suoraan muottiin. Muottiin voidaan asentaa pintalevyt, jolloin paisutuksen jälkeen saadaan valmis kennolevy. Puristuksessa käytettävällä paineella voidaan säätää ydinaineen tiheyttä. Mitä painavampaan levyyn pyritään, sitä korkeampia puristuspaineita on käytettävä. Muottiinpuristuksessa PUR- vaahto pyrkii pakkautumaan levyn pintaa ja levyn lujuusominaisuudet jäävät heikommiksi kuin vastaavan keskimääräisen tiheyden omaavissa valmiissa levyissä. PUR- levyjen lujuusominaisuudet ovat melko hyvät. Haittapuolena niillä saattaa kuitenkin esiintyä pintakerrosten irtoamista, mitä saattaa aiheutua solumuovin pinnan murenemisesta.
22 Polystyreenisolumuovit Polystyreenisolumuoveja on saatavilla sekä paisutettuina että suulakepuristettuina. Polystyreenimuovien etuja ovat hyvä työstettävyys ja edullinen hinta. Lyhytaikaiset lujuusominaisuudet ovat melko hyvät, mutta pitkäaikaisessa kuormituksessa niissä saattaa esiintyä virumista. Viruminen sekä polystyreenien liukoisuus useisiin aineisiin rajoittavat niiden käyttöä vaativissa kohteissa. Käyttökohteita ovat monenlaiset vapaaajan tuotteet. Polyvinyylikloridisolumuovit PVC- solumuoveilla on hyvät lujuusominaisuudet. Ne ovatkin hinnaltaan PUR- ja PSsolumuoveja kalliimpia. Niiden liimattavuus ja lämpömuovattavuusominaisuudet ovat hyvät. PVC- ydinaineet valmistetaan joko ristisilloitetusta PVC: stä tai lineaari- PVC:stä. Ristisilloitetut eivät vaadi pintakäsittelyä, mutta lineaari- PVC: stä valmistetut tulee pintakäsitellä ennen pintalevyjen liimausta tai laminointia, jos käytettävässä hartsissa on styreeniä. Lineaari-PVC: stä valmistettujen PVC- soluydinaineiden etuina on parempi iskunkestävyys, parempi taipuisuus ja parempi muotoiltavuus kuin ristisilloitetusta PVC: stä valmistetuilla ydinaineilla. Polymetakryyli-imidisolumuovit Polymetakryyli-imidisolumuoveilla on hyvät lujuusominaisuudet. Niiden mittapysyvyys korkeissa lämpötiloissa on hyvä. Savun ja kaasujen muodostus näiden muovien palaessa on vähäistä. Haittana näillä muoveilla on huono liimattavuus, mikä johtuu ydinaineen murenemisesta sekä muovin solujen pienestä koosta. Markkinoilla on saatavilla suljettusoluisia PMI- levytuotteita. PMI- ydinaineita, käytetään yleensä vain silloin, kun pintalevyt tehdään prepregistä.
23 5. LUJITEMUOVITUOTTEIDEN SUUNNITTELU Lujitemuovituotteen suunnittelu koostuu materiaalivalinnasta ja rakennesuunnittelusta. Tuotteen suunnittelussa vaikuttavat mm. käytettävissä olevat valmistusmenetelmät, tuotteelle halutut ominaisuudet, tuotteen käytön asettamat vaatimukset ja valmistuskustannukset. 5.1. Materiaalivalinta Lujitemuovit materiaaleina poikkeavat ominaisuuksiltaan huomattavasti muista konstruktiomateriaaleista. Lujitemuovituotteen materiaalivalinnassa on huomioitava mm. että lujitemuovien murtumamuoto, ominaisuuksien anisotropia ja lämmönkesto poikkeaa paljon muista materiaaleista, ja nämä ominaisuudet on otettava huomioon osana materiaalivalintaa. 5.1.1. Materiaalin valintaprosessi yleisesti Tuotteen materiaalin valinta on jatkuva prosessi ja se saattaa kestää jossain tapauksissa koko tuotteen elinkaaren ajan. Yleensä materiaalin valintaprosessi koostuu seuraavista vaiheista: 1. Vaatimusprofiilin määrittäminen Kehitettävälle tuotteelle asetettavat vaatimukset kuten toiminnot ja käyttöympäristön vaatimukset selvitetään. Samoin selvitetään käytettävissä olevat valmistusmenetelmät, menetelmien aiheuttamat rajaukset ja vaatimukset materiaaleille. Tehdään kustannustarkasteluita eri materiaalien osalta. Vaatimusprofiilin määrittämisessä voi käyttää esim. käyttäjäkyselyitä, kilpailijaanalyysejä, reklamaatio- ja vaurioanalyysejä sekä omaa harkintakykyä. 2. Valintastrategiasta päättäminen Kun tuotteelta vaadittavat toiminnot ja käyttöympäristön vaatimukset tunnetaan, on päätettävä millä kriteereillä materiaalien valinta tehdään. Kriteereitä voivat olla esimerkiksi: Materiaalien tai valmistuksen halpa hinta Optimaaliset ominaisuudet tuotteessa Tuotteen halpa hinta Elinkaarikustannusten optimointi 3. Materiaalien esivalinta
24 Listataan ne mahdolliset materiaalit Karsitaan listalta ne, jotka eivät ole vaatimusprofiilin ja ovat valintastrategian mukaisia. 4. Materiaalien ominaisuuksien tarkempi tarkastelu Selvitetään mahdollisten materiaalien ominaisuudet. Laaditaan ominaisuusprofiili o Mitä ominaisuuksia materiaalilta odotetaan? o Miten hyvin materiaali vastaa asetettuja vaatimuksia? o Painotetaan eri ominaisuuksien arvot 5. Lopulliset valinnat Verrataan ominaisuusprofiileja vaatimusprofiiliin ja valitaan parhaiten soveltuva materiaali o Arvoanalyysi (vertailu painotettuja tunnuslukuja käyttämällä) o Rajausmenettely: jos jokin ominaisuus ei täytä vaatimusta se pudotetaan pois Vertailussa kannattaa muistaa myös kustannus-, valmistettavuus- ja saatavuustekijä 6. Käyttöseuranta ja mahdolliset parannukset Tuotteen käytön seuranta alkaa jo prototyypin ominaisuuksien tarkastelusta. Lisää tietoa tuotteen materiaalivalinnan onnistumista kannattaa kerätä tuotteen käytön aikana asiakaspalautteina, reklamaatioselvityksinä, vaurioanalyyseinä jne.
25 Kuva 4 Materiaalien valintaprosessi 5.1.2. Materiaalien vertailuluvut Rakenneosissa käytettävien materiaalien keskinäistä vertailua voidaan tehdä käyttämällä vertailulukuja osoittamaan materiaalin hyvyyttä kyseisessä tapauksessa. Koska lujitemuoveilta odotetaan keveyttä, pyritään kappaleen paino minimoimaan. Tällaisissa tapauksissa materiaalin antamia ominaisuuksia verrataan sen painoon. Toinen valintaperuste on vertailu kustannusten suhteen. Tavanomaiset rakenneosat mitoitetaan staattisessa kuormituksessa jännityksen, taipuman ja stabiliteetin perusteella. Esimerkiksi, jos sauvarakenteessa, jonka materiaalin lujuus on σ ja tiheys ρ vaikuttaa puhdas veto, on rakenteen massa minimissään silloin, kun tekijä σ/ρ on mahdollisimman suuri. Vastaavanlaisia vertailulukuja löytyy materiaalitekniikan kirjallisuudesta. Lujitemuovien valinnassa joudutaan yleisesti ottamaan kantaa useisiin seuraavista tekijöistä: 1. Mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet: Lujuus/paino- suhde Ominaispaino Lujuus, jäykkyys vai iskunkestävyys merkitsevin ominaisuus? Väsymisikä 2. Termiset ja palonkestävyysominaisuudet: Taipumislämpötila Käyttölämpötila
26 Laajenemiskerroin Kosteusolosuhteet Palonkestävyys 3. Kemiallinen kestävyys: Nesteet, kaasut vesiliuokset ja liuoteaineet, joiden kanssa lujitemuovi on kosketuksissa. Jatkuva vai ajoittainen kemikaalin kontakti Kemikaalirasituksessa tapahtuvat muutokset Käyttölämpötilan ja lämpöhuojunnan vaikutukset Kemikaali on happo, emäs, hapettava tai pelkistävä. 4. Biologiset ominaisuudet: Kosketus elintarvikkeisiin Bakteerien, mikrobien tai termiittien mahdollisesti aiheuttamat vauriot 5. Sähköiset ominaisuudet: Läpilyöntijännite ja ryömyvirran kestävyys Ominaispintavastus ja ominaisvastus Dielektrisyysvakio ja häviösuhde (tan δ) 6. Ilmastolliset rasitukset UV- säteily Tuotteen käytön aikaiset ilmastotyypit ja niiden vaikutusaika (trooppinen, arktinen, eurooppalainen ilmasto, meri-ilmasto) 7. Kirkkaus ja väri Läpinäkyvä, läpikuultava, läpinäkymätön Tuotteen väri Pinnan viimeistelyaste Kellastumiskestävyys 8. Viranomaisvaatimukset ja tarvittavat hyväksynnät Elintarvikeviranomaisten vaatimukset Laivaluokitusseurojen vaatimukset Rakennustarkastusviranomaisten vaatimukset Muut huomiotavat vaatimukset a hyväksynnät 5.1.3. Lujitteiden valinta Jos materiaalivalinnassa on päädytty lujitemuovien käyttöön, on tuotekehittäjällä vielä käytettävissään useita vaihtoehtoja, joiden avulla säädetään lujitemuovin ominaisuuksia parhaiten vastaamaan tuotteen valmistettavuutta, haluttuja tuoteominaisuuksia ja käyttöolosuhteita. Lujitemuovituotteen ominaisuuksiin vaikuttavat:
27 lujitteet ja lujitemuodot lujitteiden suuntaus ja lujitesisältö valmistusmenetelmät matriisimateriaali ja sen ominaisuudet Lujitemuovituotteen materiaalia valittaessa lähtövalintana voisi olla lasikuitulujitteella lujitettu polyesterihartsi tai epoksihartsi. Jos näillä yhdistelmillä ei päästä vaadittaviin ominaisuuksiin, selvitetään muut lujitemuovien materiaalivaihtoehdot. Kuormitustapa vaikuttaa halutun lujitemuodon ja samalla valmistusmenetelmän valintaan. Yleensä valinta meneekin niin päin, että ensin valitaan kuormituksen mukaan valmistusmenetelmä ja sitten siihen sopiva lujitemuoto. Jos valmistusmenetelmäksi valitaan kelaus, on lujite roving. Käsinlaminoinnissa käytetään katkokuitumattoa ja roving- kudosta. Puristuksessa taas käytetään jatkuvakuituista mattoa. VALMISTUSMENETELMÄ LUJITE Kelaus Roving Käsinlaminointi Puristus Katkokuitumatto Roving Jatkuvakuituinen matto Taulukko 1 Valmistusmenetelmän vaikutus lujitteiden valintaan Jos kysymyksessä on yksiaksiaalinen tai kaksiaksiaalinen kuormitus, niin lujitemuoto voidaan valita yksinkertaisin perustein. Yksiaksiaalisen kuormituksen (veto, puristus tai taivutus) tapauksessa on lujitus ja lujitteet suunnattava yksiaksiaalisesti kuormitussuuntaan. Valmistusmenetelmäksi valitaan pultruusio tai käsinlaminointi. Lujitemateriaalina voi olla rovinki tai yhdensuuntaiskudos. Hiili- tai aramidikuiduilla on mahdollista päästä tarvittaessa vielä kevyempiin ja jäykempiin rakenteisiin kuin yleisemmin käytetyllä ja edullisemmalla lasikuitulujituksella.
28 Kaksiaksiaalisia kuormituksia esiintyy esimerkiksi laattarakenteissa ja paineastiarakenteissa. Lujitus kaksiaksiaalisen kuormituksen tapauksessa tehdään pääjännitysten suunnissa suhteuttamalla lujitteiden määrä kummassakin suunnassa vaikuttavan jännityksen suuruuteen. Tasomaisten kaksiaksiaalisesti kuormitettujen kappaleiden valmistusmenetelminä tulevat kysymykseen käsinlaminointi, alipainesäkkimenetelmä, RTM sekä kuuma- ja kylmäpuristus. Ontelomaisten (putket, säiliöt) kaksiaksiaalisesti kuormitettujen kappaleiden valmistusmenetelmäksi sopii kuitukelaus. Suuntaamatonta lujitusta käytetään SMC:n ja GMT:n puristuksessa. Näissä menetelmissä materiaalivalinta painottuu matriisimateriaalien ja täyteaineiden valintaan tavoitteina lyhyet prosessiajat, matalammat kustannukset, parempi pinnanlaatu ja lämmönkestävyys jne. Taulukko 2 Kuormitustavan vaikutus lujitteiden valintaan Suunniteltavan tuotteen erityisvaatimukset saattavat vaikuttaa lujuuden rinnalla lujitemateriaalin valintaan. Eri lujitteiden etuja ovat mm. Lasikuidun sähköiset ominaisuudet Hiilikuidun pieni lämpölaajeneminen, röntgensäteiden läpäisevyys, sähkönjohtavuus Aramidikuitujen iskulujuus ja sitkeys
29 5.1.4. Muovimatriisin valinta Lujitemuovin matriisin valinta voidaan aloittaa valitsemalla matriisimateriaaliksi ortotai isoftaalipolyesteri. Nämä peruspolyesterit ovat hinnoiltaan edullisia ja niiden työskentelyominaisuuksia on mahdollista muuttaa varsin laajoissa rajoissa siten, että ne soveltuvat useille valmistusmenetelmille. Jos näiden peruspolymeerien kemiallinen kestävyys ei ole tuotteen käyttöolosuhteiden suhteen riittävä, voidaan käyttää Bisfenof A- polyesteriä tai vinyyliestereitä, joista on sekä normaaleja että kuumalujia versioita. Jos suunniteltavalta tuotteelta vaaditaan hyviä palonkestävyysominaisuuksia, voidaan matriisimateriaaliksi valita fenolihartsi. Fenolihartsien lämmönkesto on hyvä ja niiden palaessa syntyy vähän palokaasuja. Kantavissa rakenteissa matriisin perusvalinta on epoksi. Epoksimatriiseilla saadaan lujitemuoviin hyvät staattiset ja dynaamiset lujuusominaisuudet. Joitakin epoksien erikoislaatuja voidaan käyttää varsin korkeissakin käyttölämpötiloissa. Sarjatuotannossa on huomioitava tuottavuuden näkökulma. Matriisimateriaaleilta edellytetään nopeaa kostutusta ja nopeaa kuivumista. Niinpä mm. SRIM- menetelmässä parhaat ominaisuudet työn nopeuden kannalta saadaan uretaaneilla. Metakrylaattihartsit taas soveltuvat hyvin RTM- menetelmään ja pultruusioon. Muodostamalla eri hartsien sekoituksia on mahdollista päästä uusiin ominaisuusyhdistelmiin. Kuva 5 Matriisimateriaalin valintaprosessi
30 5.1.5. Täyteaineiden käyttö Täyteaineilla pyritään korvaamaan kalliimpia ainesosia halvemmilla, jos näin saavutettavat lujuusominaisuudet ovat käyttökohteeseen riittävät. Tuotteeseen saatetaan haluta lisää paksuutta kuormankantokyvyn tai jäykkyyden lisäämiseksi, tai yksinkertaisesti vain käsiteltävyyden parantamiseksi. Tällaisissa tapauksissa täyteaineen valinta kriteeri on edullisuus. Toinen täyteaineiden käyttötarkoitus on tuotteen ominaisuuksien parantaminen. Esimerkiksi lujitemuovien palonkesto-ominaisuuksia parannetaan täyteaineiden avulla. Valitun täyteaineen on oltava kemiallisesti yhteen sopiva muiden lujitemuovin aineosien kanssa. Lisäksi sen on sovelluttava valittuun valmistusprosessiin eikä se saa kohtuuttomasti vaikeuttaa valmistusta. Halventavia täyteaineita käytetään käsinlaminoinnissa, RTM- menetelmässä sekä pultruusiossa. SMC- menetelmässä ja BMC- menetelmässä täyteaineilla parannetaan pinnanlaatua ja säädellään kutistumista. 5.1.6. Ydinaineiden valinta Ydinaineiden valinta tehdään polyuretaanin tai PVC- solumuovin välillä. Polyuretaani soveltuu kohteisiin, joissa dynaaminen kuorma ei ole kriittinen. Solumuovia käytetään silloin, kun ytimeltä vaaditaan leikkauslujuutta. Solumuoveilla on hyvät äänen- ja lämmöneristysominaisuudet. Siksi niitä käytetäänkin esimerkiksi rakennusteollisuuden kerroslevyjen ydinaineina. Kevyesti kuormitetuissa ja halpahintaisissa rakenteissa voidaan ydinmateriaalina käyttää polystyreenisolumuovia. Koska polystyreeni ei kestä styreeniä, on tällainen ydinmateriaali suojapinnoitettava tai laminoinnissa on käytettävä muita matriisimateriaaleja. Ultrakevyissä rakenteissa voidaan ydinmateriaaliksi valita hunajakennorakenne. Hunajakennot ovat esim. alumiinisia tai ei-metallimateriaaleja. Ydinmateriaaleja valittaessa on huomioitava niiden muovailtavuus tuotteen valmistuksessa. Hunajakennorakenteiden taivutettavuuteen vaikutetaan solujen muodolla. Umpisoluvaahtoja joudutaan urittamaan tai lämpömuovaamaan.