Laminowanie (nawarstwianie)
1. Wiadomości teoretyczne
Laminowanie jest metodą przetwórstwa typową dla tworzyw chemoutwardzalnych (chociaż czasem stosuje się również inne tworzywa).
Proces ten polega na trwałym łączeniu kolejnych warstw napełniacza (nośnika) przy pomocy spoiwa, którego podstawowym składnikiem jest polimer. Laminowanie przebiega zarówno w temperaturze otoczenia, jak i podwyższonej (na ogół nie większej niż 150oC), często przy wykorzystaniu promienników podczerwieni jako źródeł ciepła.
Napełniacze stosowane w laminowaniu to maty lub tkaniny, taśmy oraz włókna: szklane, bawełniane, węglowe, polimerowe, azbestowe, a także borowe, krzemowe i inne.
Spoiwem są polimery charakteryzujące się dużą adhezją do użytego nośnika. Najczęściej stosowanymi podczas laminowania polimerami są żywice chemoutwardzalne (poliestrowe i epoksydowe) oraz szklane nośniki. Z żywic wymienić należy:
· żywice poliestrową (z dodatkiem inicjatora-utwardzacza oraz aktywatora-przyspieszacza),
· żywicę epoksydową (z dodatkiem inicjatora-utwardzacza)
a także
· żywicę fenolową (z dodatkiem inicjatora)
Właściwości mechaniczne uzyskanego materiału warstwowego (laminatu) są uzależnione w dużym stopniu od ilości nośnika w kompozycie i sposobu jego wykonania.
W przypadku nośnika w postaci włókna szklanego wytrzymałość zależeć będzie od zawartości szkła oraz rodzaju i orientacji włókna.
Nośnik szklany może występować w postaci włókna ciętego, maty, tkaniny albo nieskręconej ciągłej wiązki (rovingu).
Zawartość szkła w laminacie określa się jego udziałem objętościowym lub wagowym. Objętość szkła Vs w laminacie o powierzchni F można określić za pomocą wzoru:
gdzie: j - ilość warstw,
- ciężar powierzchniowy nośnika (gramatura) [N/m2],
- ciężar objętościowy szkła [2,52×104 N/m3].
Objętościowy udział szkla w laminacie io wyraża się wzorem:
gdzie: Vi - objętość laminatu.
Maksymalna ilość włókna, którą udaje się wprowadzić do laminatu zależy od sposobu laminowania i tak:
- laminat otrzymany metodą natryskiwania ciętego rovingu posiada io = 11¸17 %,
- laminat otrzymany metodą ręczną (przesycanie maty uderzeniami pędzla) posiada io » 25 %,
- laminat otrzymany metodą ręczną (przesycanie tkaniny uderzeniami pędzla) posiada
io » 42 %,
- laminat otrzymany z rovingu metodą przeciągania posiada io » 53 %.
Z powyższego wynika, że wytrzymałość laminatu ściśle związana jest z przyjętą technologią formowania. O wyborze technologii decydują najczęściej względy ekonomiczne (koszt formy, oprzyrz
ądowania, materiałów, pracochłonność, itp.) oraz kształt i wielkość wyrobu.
1.1. Oprzyrządowanie procesu laminowania
Proces laminowania nie wymaga stosowania maszyn ani skomplikowanego oprzyrządowania. Prowadzi się go przy użyciu prostych narzędzi (pędzle, wałki, rolki dociskowe, itp.) oraz form lub przeciągadeł.
Formy stosowane do laminowania dzieli się na :
- wewnętrzne (wklęsłe gniazdo formujące) - forma negatywowa,
- zewnętrzne (wypukłe gniazdo formujące) - forma pozytywowa.
O wyborze rodzaju formy decyduje żądana gładkość zewnętrznej lub wewnętrznej powierzchni wyrobu, ponieważ powstający laminat posiada tylko jedną powierzchnię gładką (od strony formy). Jakość tej powierzchni jest odzwierciedleniem jakości powierzchni formy. Przeciwległa powierzchnia (swobodna) charakteryzuje się dużą chropowatością, ale w czasie eksploatacji wyrobu jest najczęściej niewidoczna.
Przykładem przedmiotów laminowanych w formach wewnętrznych są: kadłuby łodzi, kaski, nadwozia samochodowe, itp., natomiast - w formach zewnętrznych: brodziki, zbiorniki, zlewozmywaki, wanny, itp.
Formy mogą być wykonywane z tworzyw sztucznych (również laminatów), drewna, gipsu, cementu, metalu, ceramiki, itp. O wyborze materiału na formę decydują przede wszystkim względy ekonomiczne (amortyzacja kosztu wykonania formy w zależności od ilości wykonanych na niej sztuk).
1.2. Laminaty poliestrowo-szklane (PWS)
Zalety, jakimi cechują się tworzywa poliestrowe wzmocnione włóknem szklanym (PWS), powodują ciągły wzrost ich zastosowań. Do najważniejszych zalet można zaliczyć:
- bardzo dobre właściwości mechaniczne przy małej gęstości,
- odporność na korozję i gnicie,
- łatwość formowania dużych wyrobów o skomplikowanych kształtach przy stosunkowo prostym oprzyrządowaniu,
- możliwość regulowania właściwości tworzywa w szerokich granicach w zależności od potrzeb,
- stosunkowo niska cena.
Zespół wymienionych właściwości jest przyczyną, że z materiałów tych mogą być wyrabiane zarówno przedmioty wielkoseryjne o wysokiej jakości metodami wysoko zautomatyzowanymi (np. programowane nawijanie), jak i wyroby krótkoseryjne (np. łodzie) wytwarzane w prostych warunkach przy użyciu nieskomplikowanego oprzyrządowania. Fakt ten stwarza szerokie możliwości produkcji i zastosowań wyrobów z tych materiałów.
1.3. Główne kierunki zastosowań laminatów
· okrętownictwo i szkutnictwo (kadłuby łodzi, jachtów, motorówek, kutrów, drzwi okrętowe i chłodnicze, pontony i pływaki, rury wyrzutni torpedowych i pocisków rakietowych, tarcze ochronne okrętowych dział artyleryjskich, maszty antenowe, osłony radarów, itp.),
· lotnictwo i technika rakietowa (konstrukcje szybowcowe - dzioby szybowców, elementy kabiny, przejścia skrzydeł w kadłub, zaokrąglenia skrzydeł i stateczników, itp.),
· kolejnictwo i przemysł motoryzacyjny ( obudowy wagonów motorowych, drzwi wagonowe, zbiorniki na wodę, zespoły kabin umywalkowych, wagoniki kolejek linowych, cysterny wagonowa i samochodowe, karoserie samochodów, szoferki ciężarówek, dachy i przody autobusów, obudowy skuterów i wozów ciężarowych, przyczepy campingowe, kaski, itp.),
· przemysł chemiczny, spożywczy i naftowy (rurociągi, zbiorniki, kadzie, wanny galwanizerskie, wyciągi, kominy, obudowy pomp i wentylatorów, mieszalniki, filtry bębnowe, kolumny, chłodnice do wody, itp.),
· budownictwo (konstrukcje sklepień hal wystawowych i pawilonów, kabiny łazienkowe, brodziki, zlewozmywaki, wanny, kioski uliczne, baseny, zbiorniki, itp),
· elektrotechnika i przemysł maszynowy (obudowy aparatury elektronicznej i silników elektrycznych, osłony i obudowy tablic rozdzielczych, obudowy obrabiarek, wentylatorów, pokrywy, różnego rodzaju kształtki, anteny prętowe, teleskopowe, reflektorowe, itp.),
· inne zastosowania (sprzęt sportowy - łuki, strzały, tyczki do skoków, kijki narciarskie, rakiety tenisowe, oszczepy, wędki; rolnictwo - samonośne szklarnie ogrodnicze, przenośne zbiorniki dla pestycydów, części maszyn rolniczych; meblarstwo - siedzenia fotelowe w tramwajach, w salach widowiskowych, na stadionach; medycyna - protezy w ortopedii; sztuka dekoracyjna - płaskorzeźby, itp.).
2. Proces laminowania
W zależności od sposobu prowadzenia procesu laminowania oraz kształtu napełniacza wyróżnia się:
· laminowanie ręczne (nakładanie) - ręczne nakładanie nośnika w postaci arkuszy,
· laminowanie natryskowe - w którym napełniacz ma kształt krótkich włókien,
· przeciągania i nawijanie (spiralne, śrubowe, krzyżowe) - gdzie napełniacz na kształt taśm lub wiązki włókien (rovingu).
Wyroby warstwowe (laminaty) otrzymywać można również metodą prasowania niskociśnieniowego. W procesie tym przesycanie nośnika polimerem odbywa się w specjalnych foremnikach przy wykorzystaniu niewielkich ciśnień (nadciśnienia lub podciśnienia). W prasowaniu niskociśnieniowym (max.ciśnienie nie przekracza 3,5 MPa) wykorzystuje się: ciśnienie atmosferyczne, ciśnienie sprężonego gazu w zbiorniku lub formie, przesycanie hydrauliczne injekcyjne, odśrodkowe, itp.).
Formę do laminowania każdorazowo pokrywa się warstwą środka rozdzielającego. Zadaniem środka rozdzielającego jest zabezpieczenie wyrobu przed przyklejaniem się do formy (umożliwienie odformowania po zestaleniu). Jako środki rozdzielające stosuje się woski, pasty woskowe, oleje, smary, tłuszcze, roztwór poli(alkoholu winylowego), lakiery silikonowe, a do płaskich powierzchni - folie polietylenowe, celofanowe, PVC.
2.1. Laminowanie ręczne (nakładanie)
Metoda ta stosowana jest do wykonywania wyrobów o bardzo dużych wymiarach, których wytwarzanie innymi metodami byłoby często wręcz niemożliwe lub bardzo kosztowne. Przez nakładanie uzyskuje się kształtki warstwowe, czasem płyty. Przy ręcznym sposobie laminowania stosuje się wyłącznie żywice chemoutwardzalne.
Nakładanie polega na ręcznym ułożeniu w formie, pokrytej środkiem rozdzielającym, pewnej ilości warstw nośnika nasyconego wstępnie lub nasycanego w czasie tego procesu płynną żywicą, a następnie zestaleniu jej w temperaturze otoczenia.
Najczęściej jako pierwszą warstwę stosuje się cienka tkaninę szklaną, o splocie płóciennym i grubości 0,15-0,04 mm. Dla całkowitego przesycenia nośnika żywicą i usunięcia z niego powietrza nośnik do podłoża dociska się za pomocą rolki metalowej lub uderzeniami pędzla. Dociskanie zaczyna się od środka powierzchni nałożonego nośnika w kierunku jego obrzeża. Na pierwsza warstwę nakłada się warstwy następne. Dla przesycenia kolejno nakładanych warstw nośnika wykorzystuje się wyciśnięty nadmiar żywicy oraz uzupełnia żywica w miejscach wyraźnie nie zwilżonych. Należy przy tym dążyć do użycia tylko takiej ilości żywicy, jaka jest niezbędnie konieczna do przesycenia nośnika. Zazwyczaj ilość użytej żywicy wynosi: przy tkaninie 1,25-1,5 ciężaru nośnika, przy macie 2,0-2,5 ciężaru nośnika.
Sporządzając kształtkę, w której podczas obciążania naprężenia rozciągające występują w ostatniej warstwie, jako drugą warstwę stosuje się grubą matę szklaną, jako trzecią warstwę – cienką matę szklaną, a jako ostatnią – tkaninę szklaną o splocie atłasowym. Przy przeciwnym kierunku obciążeń należy odwrócić układ warstw w kształtce.
Przy sporządzaniu kształtek poddanych działaniu znacznych obciążeń zamiast mat stosuje się tkaniny, zwracając przy tym uwagę, aby tkaniny o splocie atłasowym lub kierunkowym były nakładane w krzyżujących się kierunkach.
Ze względu na ciepło wydzielane podczas utwardzania, w miarę przyrostu ilości warstw, zmniejsza się stopniowo ilość środka utwardzającego. Po nałożeniu wszystkich warstw nośnika, formę odstawia się na okres 4-12 godz., celem całkowitego utwardzenia się żywicy. Dla przyspieszenia procesu utwardzania można formę naświetlać promiennikami podczerwieni.
Rozróżnia się dwie odmiany laminowania ręcznego:
- nawarstwianie metodą warstwy zżelowanej (powlekanie formy tzw. żelkotem);
Na formę (pokrytą środkiem rozdzielającym) nanosi się pędzlem lub przez natryskiwanie mieszaninę płynnej żywicy z utwardzaczem i pigmentem, Stosowana na tę warstwę żywica ma dodatki zapobiegające spływaniu z pionowych ścianek (związki wywołujące tiksotropię) i jest żywicą elastyczną, odporną na uderzenia. W mieszaninie tej nie ma nośnika. Grubość tak naniesionej i utwardzonej warstwy wynosi 0,3¸0,5 mm i ma na celu uzyskanie gładkiej, nieprzyjrzystej warstwy wierzchniej (licowej). Warstwa ta decyduje o wyglądzie zewnętrznym wyrobu i nosi powszechnie nazwę żelkotu.
Wyroby z żelkotem są odporne na działanie czynników atmosferycznych i nieprzepuszczalne dla cieczy, par i gazów. Posiadają gładką, lśniącą powierzchnię (od strony formy) zabarwioną na dowolny kolor
- nawarstwianie metodą maty powierzchniowej:
Na formę (pokrytą środkiem rozdzielającym) nanosi cienką warstwę żywicy z utwardzaczem i, nie czekając na jej utwardzenie, układa nośnik w postaci maty (lub tkaniny) i kontynuuje proces laminowania. Wyroby takie przepuszczają wodę, a na powierzchni licowej widoczne jest na ogół odwzorowanie faktury nośnika. Zaletą powierzchni bez żelkotu jest większa odporność na uderzenia.
2.2. Laminowanie natryskowe
Metoda ta polega na równoczesnym nakładaniu na powierzchnię formy mieszaniny żywicy i krótkich włókien nośnika. Do laminowania natryskowego stosuje się urządzenie składające się z dwóch części:
· pistoletu natryskowego trójdyszowego - środkowa dysza do włókna, skrajne dysze: jedna do żywicy z inicjatorem (utwardzaczem), druga do żywicy z aktywatorem (przyspieszaczem),
· zespołu podawania żywicy i nośnika – jest to zespół przewoźny montowany na wózku, w skład którego wchodzą: 2 pojemniki do żywicy (osobno z inicjatorem i osobno z aktywatorem), szpula z nośnikiem oraz sprężarka powietrza.
Mieszanina żywicy podawana jest przewodami do pistoletu na skutek ciśnienia powietrza wytworzonego za pomocą sprężarki. Do pistoletu podawane jest również włókno długie, najczęściej szklane w postaci rovingu. Włókno zostaje cięte na odcinki o odpowiedniej długości, za pomocą krajarki wmontowanej w pistolet. Żywica i włókno mieszają się wzajemnie w czasie lotu i osądzają na powierzchni formy, gdzie następuje proces utwardzania.
Laminowanie natryskowe stosuje się w produkcji masowej do wytwarzania przedmiotów o znacznych rozmiarach, a przede wszystkim w budownictwie do natryskiwania izolacji dachów, tuneli, ścian kanałów, zbiorników itp.
2.4. Przeciąganie
Przeciąganie polega na ciągłym przesycaniu włókien długich (np. rovingu) ciekłą mieszaniną żywicy z środkami utwardzającymi, uformowaniu przedmiotu, utwardzeniu i ewentualnym pocięciu na odcinki. Za pomocą tej metody otrzymuje się długie profile o przekroju kołowym, pierścieniowym, płaskowniki, kątowniki, ceowniki, teowniki, płyty itp.
Urządzenie do przeciągania w układzie poziomym
1-szpule z włóknem szklanym; 2-prowadnice włókien; 3-żywica ze związkami utwardzającymi; 4-rynna ściekowa; 5-przeciagadło z układem grzewczym żelujacym; 6-piec utwardzający; 7-chlodzenie; 8-wały ciągnące; 9-krajalnica
Nośnik odwijany z rolek przechodzi przez wanny z mieszanina przesycającą, a następnie przepuszczany jest przez układ „grzebieni”, które wyciskają powietrze oraz nadmiar żywicy.
Formowanie profilu następuje w narzędziu przetwórczym zwanym przeciągadłem. Głównym jego elementem jest dysza formująca o kształcie i wymiarach odpowiadających kształtowi wykonywanego profilu. Dysza od wewnątrz pokryta jest środkiem antyadhezyjnym zapobiegającym przywieraniu żywicy. W przypadku formowania płyt środkiem rozdzielającym jest najczęściej folia celofanowa, odwijana z dodatkowych wałków. Folia ta zabezpiecza również wypływanie żywicy na boki przed jej utwardzeniem.
Proces przeciągania może odbywać się w układzie poziomym lub pionowym. Korzystniejszy jest układ pionowy, ze względu na równomierniejsze rozłożenie żywicy w stosunku do napełniacza na przekroju profilu. W układzie poziomym może następować spływanie żywicy w dolne części przekroju poprzecznego formowanego kształtownika.
Technologia ta pozwala na otrzymywanie wyrobów o znacznej zawartości napełniacza włóknistego (szklanego), dlatego profile przeciągane maja bardzo dużą wytrzymałość w kierunku wzdłużnym.
2.5. Nawijanie
Podczas nawijania następuje ułożenie (nawinięcie) potrzebnej liczby warstw nośnika, przesyconego żywicą z środkami utwardzającymi, na formę zewnętrzną, nazywaną rdzeniem, a następnie - utwardzenie nawiniętych warstw.
Nawijanie przeprowadza się na urządzeniach zwanych nawijarkami, które mają różne rozwiązania konstrukcyjne. W każdym jednak przypadku rdzeń wykonuje ruch obrotowy (stąd nazwa procesu).
Ze względu na ruch obrotowy rdzenia rozróżnia się nawijanie:
· śrubowe,
· planetarne.
Nawijanie śrubowe stosuje się przede wszystkim do nawijania rur oraz dużych zbiorników walcowych. Rdzeń walcowy wykonuje na ogół tylko ruch obrotowy wokół własnej osi, zaś głowica z której wyprowadza się taśmę z włókien przesyconą żywicą – ruch posuwisto-zwrotny.
Schemat procesu nawijania śrubowego rury z taśmy włókien:
a – kąt nawijania; b – kąt skrzyżowania,
1 – ruch obrotowy rdzenia; 2 – ruch posuwisto-zwrotny głowicy
Nawijanie śrubowe na obrotowo-przesywnym rdzeniu
1-głowica podająca przesycony nośnik; 2-uklad dociskający; 3-rdzeń; 4-wałki obracające rdzeń; 5-wózek przesuwający rdzeń
Właściwości tak nawijanego wyrobu zależą w sposób istotny od kąta nawijania a i od kąta skrzyżowania b, np. zmniejszenie kąta a powoduje wzrost wytrzymałości wzdłużnej, a zwiększenie - wytrzymałości obwodowej.
Nawijanie planetarne stosowane jest głównie do wykonywania zbiorników. Podczas tego procesu mamy do czynienia z dwoma ruchami obrotowymi.
Schemat procesu planetarnego nawijania zbiornika
Na przedstawionym schemacie (wersja a) rdzeń wykonuje jednocześnie ruch obrotowy wokół osi wzdłużnej i osi odchylonej od poprzecznej o pewien kąt, a włókno układane jest na rdzeniu z nieruchomej głowicy. Szybkość nawijania wynosi V @ 3 m/s.
Możliwe jest również inne rozwiązanie konstrukcyjne nawijarki planetarnej (wersja b), gdzie rdzeń wykonuje tylko ruch obrotowy wokół osi wzdłużnej, a włókno układane jest na rdzeniu na skutek ruchu obrotowego ramienia z głowicą.
Kąt a zawarty pomiędzy osią wzdłużną rdzenia a kierunkiem ruchu włókna, może być zmieniany od wartości amax do prawie zera, przez co można regulować stosunek wytrzymałości wzdłużnej do poprzecznej.
7
amigo47