Laminat – dwa w jednym

Maciej Blum
9.10.2014
Reklama
Reklama

Od pewnego czasu, oprócz tradycyjnych tworzyw sztucznych, w przemyśle samochodowym stosuje się tworzywa wzmacniane włóknami wykonanymi z różnych materiałów, czyli laminaty.

Ogólną właściwością laminatu jest to, że składa się on z dwóch materiałów bazowych różniących się właściwościami mechanicznymi i fizycznymi. Jest to więc materiał kompozytowy. Laminat zazwyczaj powstaje przez usztywnienie włókien zbrojących spoiwem. Włókna zbrojące pełnią funkcję konstrukcyjną i przenoszą naprężenia ściskające i rozciągające. Spoiwo, które unieruchamia włókna, przenosi siły tnące, czyli te, które mogłyby spowodować wzajemne przesuwanie się włókien zbrojących. Zgodnie z tymi założeniami można już wysnuć wniosek, że w laminacie kluczową rolę odgrywa samo rozmieszczenie włókien i kierunek ich rozmieszczenia oraz rodzaj i ilość substancji wiążącej. Zbyt duża ilość substancji wiążącej w stosunku do ilości włókien zbrojących powoduje spadek wytrzymałości laminatu. Podobnie jak zbyt mała ilość spoiwa spowoduje niedostateczne połączenie włókien i także spadek wytrzymałości.

Azjatyckie początki

Reklama

Laminaty sztuczne znane są od dawna. Już przed naszą erą w Azji wytwarzano je na bazie cienkich warstw papieru (zbrojenie) nasyconych żywicą i złożonych razem. Żywica po pewnym czasie twardniała, co prowadziło do scalenia konstrukcji papierowej i jej znacznego wzmocnienia. Ze względu na trudność wytworzenia tego typu laminaty stosowane były do wytwarzania przedmiotów ozdobnych, ale niekiedy służyły też jako elementy wzmacniające konstrukcję łodzi czy wzmocnienie ubiorów i tarcz wojowników.

W ytwarzanie laminatów na skalę przemysłową

Przemysłowe wytwarzanie laminatów rozpoczęło się w momencie, kiedy możliwe było kontrolowanie procesów związanych z wiązaniem materiałów wiążących. I tak, na początku XX wieku pierwsze laminaty zaczęto produkować jako elementy do urządzeń elektronicznych. Powstały one przez sprasowanie pakietu składającego się z kilku warstw płótna bawełnianego lub konopnego nasączonego żywicą termoutwardzalną (fenolowo-formaldehydową, potocznie zwaną bakelitem). Aby laminat taki osiągnął pełnię wytrzymałości, konieczne było prasowanie w podwyższonej temperaturze. Jak każda nowa technologia, tak i ta była dość droga, co powodowało, że nie był to popularny materiał do zastosowań masowych. Dodatkowo właściwości mechaniczne ówczesnych materiałów kompozytowych odbiegały od materiałów współczesnych, co powodowało, że element z laminatu był większy i cięższy od spełniającego te same warunki wytrzymałościowe elementu wykonanego z innego materiału konstrukcyjnego. Innym rodzajem laminatu stosowanego w elektronice jest popularna płytka drukowana, która powstaje przez prasowanie tkanin nasyconych żywicą epoksydową lub akrylową.

Gwałtowny rozwój technologii laminatów nastąpił w latach 50. XX wieku, kiedy dopracowano technologię wytwarzania tanich żywic poliestrowych, żywic chemoutwardzalnych oraz włókien szklanych. Znaczne obniżenie kosztów produkcji oraz dostępność żywic sprawiły, że technologia produkcji laminatów stała się na tyle prosta, że można było wykonywać laminaty nawet metodami chałupniczymi.

Rosnąca popularność laminatów doprowadziła do szybkiego rozwoju tej technologii polegającego przede wszystkim na stosowaniu nowych rodzajów żywic. I tak, laminaty na bazie poliestrowej były powoli wypierane przez te zawierające spoiwo epoksy dowe. Nie był to proces natychmiastowy, ponieważ żywice epoksydowe okazały się trudne z powodu początkowo braku pełnej kontroli nad procesem utwardzania oraz dość wysokiej ceny. Włókna zbrojące także ewoluowały. Z reguły stosuje się włókna szklane, jednak w zastosowaniach o bardzo wysokich wymaganiach wytrzymałościowych stosuje się włókna węglowe (carbon) oraz aramidowe (kevlar). Te włókna cechują się znacznie korzystniejszym współczynnikiem wytrzymałości do masy własnej.

Nowoczesne kompozyty

Reklama

Laminaty epoksydowo-węglowe, czyli coraz popularniejsze kompozyty węglowe, odznaczają się bardzo korzystnym stosunkiem wagi do wytrzymałości. Mają ponadto dużą sztywność, co zawdzięczają dużo większej ilości włókien zawartej w danej objętości w porównaniu do kompozytów bazujących na włóknach szklanych. Wadą laminatów węglowych jest niezbyt duża wytrzymałość na obciążenia dynamiczne, a więc niska udarność. Niekiedy do wzmocnienia konstrukcji stosuje się laminaty zawierające 2 rodzaje włókien zbrojących - włókna węglowe i aramidowe. Takie laminaty węglowokevlarowe są jednak nadal bardzo drogie w produkcji i ich zastosowanie jest ograniczone.

Najnowszym materiałem stosowanym do produkcji włókien zbrojących jest bor. Dokładnie chodzi o monokrystaliczne włókna boru, które cechują się wyjątkowo wysoką wytrzymałością. Należy się jednak spodziewać, że z rozwojem technologii produkcji nanowłókien i nanorurek węglowych oraz grafenu, w wytwarzaniu którego Polska jest aktualnie światowym liderem.

Laminaty w motoryzacji

Elementy z laminatów stosuje się dość szeroko w przemyśle motoryzacyjnym. Najczęściej laminatów używa się do produkcji elementów poszycia zewnętrznego samochodu, co pozwala znacznie zmniejszyć masę przy zachowaniu parametrów mechanicznych. Najczęściej są to laminaty na bazie włókna szklanego, choć coraz częściej stosuje się również te z włókien węglowych. W konstrukcjach wyczynowych z laminatu węglowego wytwarza się całe skorupy nadwozia (Lamborghini), do którego przykręcane są ramy szczątkowe z przednim zawieszeniem oraz tylnym zawieszeniem i zespołem napędowym. Warto w tym momencie zwrócić uwagę na nowe samochody produkowane przez BMW. Nadwozie modelu i3 jest całkowicie wykonane z laminatu węglowego. Wpro wadzenie tej technologii do masowej produkcji wymagało opanowania kilku problemów związanych z właściwościami tych laminatów w trakcie wytwarzania.

Zasada wytwarzania

Laminat węglowy o zadanym kształcie jest wytwarzany przez ułożenie mat z włókien węglowych w formie i nasączenie ich żywicą. W trakcie nasączania żywicą forma jest zamknięta i odpompowywane jest z niej powietrze, co gwarantuje dokładne wypełnienie wtryskiwaną do niej żywicą. Jest to szczególnie ważne, ponieważ w laminacie nie powstają wówczas pęcherzyki powietrza, które mogą być ogniskami mikropęknięć i późniejszych wad struktury.

Do momentu utwardzenia żywicy element powinien znajdować się w formie, co ma zapewnić odpowiedni kształt elementu. Jego wcześniejsze wyjęcie z formy doprowadziłoby do deformacji, co z kolei eliminuje daną metodę z zastoso wań seryjnych. Aby temu zapobiec, BMW opracowało nowy proces polegający na wykorzystaniu dodatkowej folii. Jest ona nakładana na formę, po czym wytwarzana jest pod nią próżnia. Dzięki temu folia przybiera kształt wytwarzanego elementu. Na folii układa się włókna węglowe nasączone żywicą. Na warstwie mokrych włókiem węglowych układa się drugą warstwę foli termoplastycznej, która jest dociskana prasą. Z folii odpompowywane jest powietrze, a jej brzegi są zgrzewane. Następnie formy są podgrzewane do temperatury 60-65°C, co powoduje utwardzenie żywicy. Dzięki próżni między formami utrzymuje się wstępną sztywność elementu pozwalającą na wyjęcie go z formy już po czasie krótszym niż 3 minuty. Dzięki tej technologii możliwe stało się wykonywanie elementów z laminatów w masowym cyklu produkcyjnym.

Ze względu na właściwości kompozytów utrudnione jest ich łączenie z innymi elementami. Najczęściej w procesie laminowania w warstwie włókna węglowego lub szklanego umieszcza się tuleje lub elementy metalowe, do których w późniejszych etapach procesu przykręcane są inne elementy. Niekiedy stosuje się otwory technologiczne, przez które przechodzą śruby montażowe, jednak w tym przypadku konieczne jest usztywnienie laminatu, ponieważ istnieje wysokie prawdopodobieństwo jego wyłamania. Coraz częstszą techniką łączenia innych elementów z laminatami jest klejenie. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wysokiej wytrzymałości łączenia przy relatywnie prostym procesie produkcyjnym.

Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama