Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

14.4 Polimer kompozit termékek gyártástechnológiái

14.4 Polimer kompozit termékek gyártástechnológiái

Ha a szálerősítésű polimer kompozit alkatrészek és termékek gyártási technológiáit könyvünk alapvető technológiai felosztásának megfelelően kívánjuk tárgyalni, akkor célszerű megkülönböztetnünk

  • a hőre lágyuló polimer matrixú rendszerek

  • az elasztomer alapú kompozitok éshőre lágyuló

  • a sűrű térhálós, duromer matrix alapján felépített kompozitok előállítási módszereit.

Ezek közül az első csoport, a hőre lágyuló polimer matrix alapján felépített és rövid (vágott) szállal erősített kompozitok egyre bővülő családjának feldolgozási technológiái lényegében a képlékeny alakítás kémiai reakciókkal nem járó technikái. Ezzel szemben az elasztomer és duromer kompozit technológiák reaktív feldolgozási technikák, amelyben a kompozit matrix kívánatos sűrűségű térhálóját a végső feldolgozási technológia során kell kialakítanunk.

A hőre lágyuló kompozitok feldogozástechnikái tehát lényegében a már megismert sajtolási, fröccsöntési, extrudálási, melegformázási technikák. A feldolgozási folyamat reológiája, az ömledékáramban úszó rövid erősítőszálak végső orientációja természetesen nagymértékben befolyásolni fogja a technológia eredményességét, a kompozit jellegét, a szálerősítés hasznosulását. A fröccsöntés során pl. a beömlőcsatorna és a termék falvastagság-arányából orientációs hatás állhat elő (14.11 ábra).

A szokásos szűk beömlőnyíláson át, nagy sebességgel megtöltött fröccs-szerszám falán a rövid szálak orientációja a fröccsöntés irányával párhuzamos, de a belső magban, adott esetben az alkatrész fő tömegében a szál-orientáció erre éppen merőleges lesz: (14.11 ábra, bal oldali képe). Alkalmasabb, előnyösebb, ha a beömlőnyílást kiszélesítjük, így a termék „magjában” is nagyobb esélyünk van a párhuzamos, hatékony szálerősítésre (14.11 ábra, jobb oldali kép). Ez az eljárás már közelebb áll a fröccs-sajtoláshoz. Hasonló meggondolásokat kell alkalmaznunk az extruziónál is.

A szálak orientációja rövid szállal erősített hőre lágyuló kompozitban

14.11 ábra:A szálak orientációja rövid szállal erősített hőre lágyuló kompozitban [14.28]

A hőre lágyuló matrixú, szálerősített kompozitok között különleges helyet foglal el az autóipari alkatrész-gyártásban növekvő szerepű GMT (Glasfaser-Mattenverstärkte Thermoplaste) anyagcsalád. Ez lényegében üvegszálból és hőre lágyuló polimer (pl. PP, PE, PA, PET…) szálból készült nem-szőtt, (pl. tűnemezelt) kelme („paplan”), amelyet előgyártmányként hoznak forgalomba, s amelyből sajtolással kitűnő kompozit készíthető. A sajtolás során a hőre lágyuló szál megolvad, s többé-kevésbbé összefüggő, igen hatékony matrixot képez. Az üvegszál más természetes szálakkal is keverhető. A különféle eredetű és funkciójú, hosszú szálak a textilipar hagyományos gépein együtt feldolgozhatók, kártolhatók, tű-nemezelhetők és számos módosítást is kaphatnak. Az előtermék tartósan tárolható és változatos térformájú sajtolt termékké – pl. autó ajtó belső lemezzé – dolgozható fel.

A következőkben a legtipikusabb polimerkompozit-technológiákat, a sűrű térhálós (duromer) matrix kialakításával együtt járó módszereket, az UP, EP alapú, nagyszilárdságú üveg,- karbon- és aramidszállal erősített rendszerek gyártási technikáit tekintjük át.

14.4.1 Laminálás, szórás

Az erősítő rétegek kézzel történő egymásra illesztésével (hand-lay-up, lamination) építették fel mintegy ötven éve az első modern polimer kompozit termékeket sorozatgyártásban: így készültek, pl. a szövetségesek partraszállásakor felhasznált üvegszálas poliészter hajók. Az egyszemélyes sporthajóktól a családi yachton át az aknaszedő cirkálókig – amelyeket fémmentes szerkezetük érzéketlenné tesz a tengeri aknákkal szemben – ma is a hajóipar a kompozitok egyik legnagyobb felhasználója.

A kézi laminálás alapelve

14.12 ábra:A kézi laminálás alapelve [14.15]

A kézi laminálás alapelvét a 14.12 ábra mutatja. A fémből, fából, vagy akár gipszből készült szerszámra egymás után visszük fel a különféle szálerősítő rétegeket, és a megfelelő viszkozitású – a folyamat elején még oligomer állapotú – gyantarétegeket.

A szálerősítőanyag lehet: egyirányban vagy több irányban erősített, szőtt, nem szőtt (nemezelt) vagy hurkolt („kötött”) kelme, vagy vastagabb, 3D szövet, ill. textília (14.13 ábra). Az erősítő¬anyag rétegvastagságát a m2-súly jellemzi:

  • az üvegszál paplanoké tipikusan 200 – 400 g/m2,

  • a „roving”-szöveteké (roving = köteg, pászma, többezer elemi szálból) tipikusan 300 – 900 g/m2,

  • az üvegszöveté tipikusan 50 – 500 g/m2.

A kész kompozit lemez állhat akár 20 rétegből is, elérheti a 20 mm vastagságságot is, és a konstrukció által megkívánt sarokpontokban tartalmazhat jelentős megvastagítást, megerősítést, bordát, fém-betétet stb. Felépülhet szendvics-lemez formájában is, és mindezzel tág teret ad a konstruktőr kívánalmainak.

A réteges felépítés biztosítja a kompozit konstrukció legfőbb műszaki előnyét: a teljes alkatrész, a termék szilárdságát minimális önsúly mellett úgy optimálhatjuk, hogy az igénybevétel – előre tervezhető –erővonalai mentén kapjuk a legnagyobb szilárdságot. A korai kézi laminálás ezen alapelve jut érvényre a mai legigényesebb „high-tech” kompozittermékek az aeronautika és asztronautika eszközeinek gyártási technológiáiban is. A konstrukció feladata tehát a rétegek méretezése, az irányok meghatározása, a rétegrend kialakítása.

Az erősítő textilek alaptípusai

14.13 ábra:Az erősítő textilek alaptípusai [14.28] a) egyirányban erősített szalag b) roving szövet c) hurkolt kelme d) multiaxiális, több rétegű szövet e) 3D szövedék f) 3D szövedék ortogonális kötéssel

A technológia másik kulcs-kérdése: a térhálósítás kézbentartása (kontrollja) az oligomert és monomert is tartalmazó matrix alapanyag teljes átalakulásáig (konverziójáig). Nem lehet eléggé hangsúlyozni a technológus mérnök felelősségét: minden egyes duromer kompozit darab, termék tényleges műszaki teherbírása, fizikai és mechanikai tulajdonságai attól függnek, hogy az adott darabban mennyire közelítettük meg a teljes átalakulást, a reaktív csoportok 100 %-os konverzióját. Könnyű ugyanis belátni, hogy néhány %-os – sőt, akár néhány tizedszázalékos – monomer maradék is jelentősen módosíthatja a kompozit matrix Tg-jét és így pl. ütésállóságát egy kitüntetett hőmérsékleten. A maradék, nem reagált monomer gyökeresen módosíthatja a termék „öregedését”, fizikai és mechanikai tulajdonságainak változását az időben stb.

A kézi laminálás során pl. az üvegszálvázas poliészterek esetén a konverzió jól nyomon követhető a telítetlen poliészter és sztirol monomer közötti exoterm láncreakció hőeffektusának mérésével. Amint azt a 2.2.2 fejezetben megismertük, itt jelentős hőmennyiségek felszabadulásáról van szó. A „tiszta” monomer sztirol teljes polimerizációja adiabatikus esetben kb. 360 °C hőmérsékletemelkedést okoz. A kb. 35 % sztirolból és 65 % telítetlen poliészterből álló matrix teljes „kikeményedése”, térhálós láncreakciója még az 5–10 mm vastag technikai kompozitrendszerben is gyakorlatilag adiabatikus: elhanyagolhatóan lassú a hőleadás sebessége a láncreakció előrehaladásához képest. (V.ö. 4.13 ábra)

A „G” időtartam a gélesedés (térhálósodás) kezdetéig jól szabályozható a gyantába bekevert iniciátor (pl. 2 % ciklohexanon-peroxid) + gyorsító (pl. 1 % kobalt-naftenát) koncentrációjával. Nemcsak a gélesedés kezdete, de maga a reakció „hevessége”, lefutása is függ egyrészt az iniciálás hőmérsékletétől (14.14 ábra), másrészt az iniciátor koncentrációtól, s igy az ettől függő iniciálási sebességtől, ami pl. a 14.15 ábrán az 1 és 6 görbe között 1 teljes nagyságrenddel csökken.

Szokás a reakció bejezésének a hőmérsékleti maximumot tekinteni. Valójában ez a pont a láncreakció legnagyobb sebességét jelöli. A reakció végpontja az a pont (közel a leszálló ág inflexiós pontjához), amelytől kezdve a mintán csak (fizikai) hűlés tapasztalható. Ez jól kimérhető a kompozitban (14.15 ábra).

A laminálás felületi – látszó – rétegeit gyantában dús, esetleg színezett gél-bevonat (gel-coat) rétegből alakítjuk ki. A szerszám felöli oldalon célszerű formaleválasztó réteget alkalmazni. A levegővel érintkező réteget érdemes O2-t át nem eresztő fóliával borítani, hogy elkerüljük a felület „tapadósságát”, amelyet a tökéletlen térhálósodás okoz.

A hőfelszabadulás sebessége egy tipikus poliészter gyanta különböző hőmérsékleten

14.14 ábra:A hőfelszabadulás sebessége (J/s·g) egy tipikus poliészter gyanta különböző hőmérsékleten (120…90 °C között) indított térhálósítása során

Ha a kompozit termék mérete, formája erre módot ad, a szobahőfokon kivitelezett térhálósítást is érdemes emelt hőmérsékletű utólagos hőkezeléssel befejezni, teljessé tenni. A laminálási technológia némileg „gépesített” változatának tekinthetjük a szórás technológiáját, amelyben a vágott üvegszálból nemezelt paplan kézi felrétegezése és átitatása helyett alkalmas szórópisztolyból egyidejűleg szórunk fel – akár függőleges felületre is – vágott üvegszál-rovingot, iniciátorral és gyorsítóval kevert gyantát. A szórásnál és a laminálásnál – amelyeket gyakran kombinációban is alkalmaznak – egyaránt fontos a matrix gyanta és az erősítőszál közé szorult levegő eltávolítása.

Hőmérsékletemelkedés egy tipikus poliészter gyantakeverék szobahőfokon indított térhálósítása során keményfa kompozitban

14.15 ábra:Hőmérsékletemelkedés egy tipikus poliészter gyantakeverék szobahőfokon indított térhálósítása során keményfa kompozitban. Az iniciálási sebesség relatív értéke 1-től 6-ig: 3,0; 1,5; 0,78; 0,45; 0,30; 0,21

A kompozitszórási technológia vázlata

14.16 ábra:A kompozitszórási technológia vázlata. A szórógép a kétféle gyantát és a roving-ból helyben vágott (kb. 20 mm-es hosszúságú) szálakat a gép fejében keveri össze és sűrített levegő segítségével a szerszámba juttatja. Az eljárás társítható szövetek kézi laminálásával is [14.13]

14.4.2 Sajtolás (BMC, SMC, GMT)

A fenti kompozit technológia, a laminálás tulajdonképpen nyomás nélküli eljárás. A nyomásnak a térhálósítás során jelentős szerepe lehet a matrix és a szál közti kontaktus, tartós kapcsolat kialakításában.

Enyhe nyomóerőt (max. 1 bar) úgy is alkalmazhatunk a térhálósodó kompozit-lemezen, hogy a rugalmas gumilemezzel befedett laminátumot a szerszám felöli oldalon vákuummal megszívjuk. A vákuum maga végezheti a folyékony matrix-gyantával való feltöltést is, ezt hívjuk vákuum-injektálásos eljárásnak (14.17 ábra).

A térhálósodás végéig alkalmazott vákuum hasonló hatású, mintha a „kikeményítést” 10 N/cm2 = 105 Pa nyomás alatt hajtottuk volna végre.

Természetesen a nyomás alatti eljárásoknál célszerű kétrészes szerszámokat alkalmazni az eddig tárgyalt egyrészes – csak a termék egyik oldalát definiáló – szerszámok helyett. A vákuum-injektálás is kivitelezhető kétrészes szerszámban. A nagyobb sorozatban gyártott kompozit alkatrészeket pl. a korszerű kamion–vezetőfülkéket, autóbusz és személyautó karosszériaelemeket manapság BMC, SMC, és GMT típusú kompozit előgyártmányokból sajtolják.

A kompozit vákuum-injektálás alapelve

14.17 ábra:A kompozit vákuum-injektálás alapelve [14.11]

BMC: Bulk Molding Compound: „alaktalan” kompozit előimpregnátum („premix”) szálerősítésből és matrix oligomerből,

SMC: Sheet Molding Compound: lemezformájú kompozit előgyártmány („prepreg”) tekercs alakban tárolva,

GMT: Glass-mat reinforced Thermoplastic: paplan-formájú kompozit előgyártmány erősítőszálból és hőre lágyuló polimer szálból.

Ahogy azt már említettük, a GMT hőre lágyuló matrixra épül, ezért nem itt tárgyaljuk.

A BMC és SMC típusú prepregek közül az utóbbi a nagyobb jelentőségű. Az SMC előgyártmány („féltermék”, a végtermék alapanyaga) tipikusan 30–40 % vágott üvegszálból és 60–70 % telítetlen poliésztergyanta-keverékből áll, amely egyharmadában sztirol monomert tartalmaz. Az SMC üvegszál tartalma lényegében vágott (tipikusan 50 mm hosszú) roving (>1000 elemi szálat tartalmazó köteg, pászma). Az SMC gyártás lényegében folytonos üzemű lemezgyártást jelent, amelynek során két elválasztó fólia között (PE-film) kialakítják a gyantából, üvegszálból és adalékokból a képlékeny (–még nem térhálósított! –) tekercselhető előterméket. Az SMC adalékai egyrészt „passzív” adalékok, amelyek a terméket „terjedelmesítik”, vagyis olcsó töltőanyagként szolgálnak, egyúttal csökkentve a szerszámban, nyomás alatt és magasabb hőmérsékleten térhálósodó rendszer zsugorodását is. (CaCo3, talkum, PE-por). Másfelől „aktív” adalékokra is szükség van, amelyek közül a legfontosabbak az összeállított lemez matrix gyantájának „beduzzadását”, azaz gyors viszkozitás-növekedését biztosító fémoxidok (MgO, ZnO). Ez a viszkozitás növekedés néhány órával a gyártás után 3–5 nagyságrendet (!) is elérhet, biztosítva így, hogy a gyanta nem „folyik ki” az üvegszál mellől. Egyéb adalékok: csúsztatók, formaleválasztók, iniciátorok és gyorsítók is vannak a rendszerben, amely alkalmas tárolási körülmények között (hűtés), hónapokig eltartható a térhálósítás előtt.

Az SMC sajtolás során tehát – a hőre keményedő hagyományos gyantákhoz (bakelit, melamingyanta stb.) sajtolásához hasonlóan – tipikusan 20–40 bar nyomáson, 130–150 °C hőmérsékleten 1–2 min/mm ciklusidő alatt megtörténik a teljes térhálósodás. E ciklus elején az SMC (prepreg) először ömledékállapotba kerül: „megfolyik”, kitölti a szerszámüreget, majd hamarosan – a kémiai iniciátor hatására – a viszkozitás újra növekedni kezd és kialakul a térhálós, szálerősített rendszer.

Az SMC alapú teherautó- és személygépkocsi karosszériaelemek rendkívül nagy szilárdságúak, és nagyon jó ütésállóságú, szívós alkatrészek. Manapság az országúti teherforgalom nagy részében ilyen burkolatú kamionok teljesítenek szolgálatot.

14.4.3 Tekercselés

A terhelés kitüntetett irányaiban történő, anizotrop anyag-erősítés elve, a kompozit konstrukciók alapelve jól érvényesíthető a technika gyakran felhasznált elemei: a nyomásálló csövek ill. tartályok, és az erőátvitelre szolgáló rudak gyártásában. Jól ismert a mechanikából, hogy a nyomásálló csövek, hengeres tartályok héjának terhelése korántsem azonos a cső hosszirányában és arra merőlegesen a hengerpalást kerületének mentén.

Ezt a jól számítható követelményt jól kielégíthetjük polimerkompozit héjakkal, amelyekben a szálerősítést a kívánt irányban alkalmaztuk. Így kiemelkedően előnyös szilárdság/tömeg-viszonyú, és különleges követelményeknek is eleget tevő: korrózióálló, robbanásbiztos stb. erősített tartályokat, csöveket, rudakat stb. állíthatunk elő. A technológia vázlatát a 14.18 ábra mutatja.

Az eredeti eljárásban enyhén kúpos magra tekercselik fel az üvegszál köteget, (roving), amelyet előzőleg a matrix oligomerrel átitattak. A többszörös oda-vissza tekercselés alakítja ki a többrétegű, több irányban erősített kompozit szerkezetet, amelynek térhálósítása a kúpos magon történik.

A tekercselés (filament winding) kompozitgyártási technikának számos változata ismert. Újabban hőre lágyuló matrixszal is alkalmaznak folytonos erősítőszálat, és itt a feltekercselés helyén ráolvasztva alakul ki a kötés. Ugyanígy alkalmazható a szalag formájú (tape) prepreg üvegszálas epoxi vagy karbonszálas epoxi előgyártmány tekercseléshez, amely után a technológia következő lépésében autoklávban, azaz nyomástartó hengerben, magasabb hőmérséklet és nyomás alatt történik a térhálósítás.

A kompozit tekercselés alapelve

14.18 ábra:A kompozit tekercselés alapelve [14.13] 1) motor, 2) meghajtás, 3) támaszték, 4) tekercselő tüske, 5) üvegszál pászmák, 6) impregnáló fürdő

A tekercselés – amely eredeti formájában is textiltechnológiai tapasztalatokon alapul – legújabb változatában sokoldalú technikát ígér erőátvitelre alkalmas üreges „zártszelvények”: csövek, profilok kialakítására. Ez a technika a fonatolás ill. körszövés (braiding) (14.21 ábra).

Poláros tekercseléssel előállított nyomástartó edény polimer kompozitból

14.19 ábra:Poláros tekercseléssel előállított nyomástartó edény polimer kompozitból

Tekercseléssel készült üvegszálas pioliészter kompozit vasúti személykocsi váz

14.20 ábra:Tekercseléssel készült üvegszálas pioliészter kompozit vasúti személykocsi váz [14.28]

A körszövött vagy fonatolt textilrendszer impregnálása történhet utólag és az ezt követő hőkezeléshez hasonlóan megfelelő „alagútban”. Használhatunk gyantával előre átitatott (roving-) köteget is. A fonatolt előterméket ezután már csak térhálósítani kell.

Karbonszál roving-ból körszövéssel készített, négyszög keresztmetszetű zártszelvény profil

14.21 ábra:Karbonszál roving-ból körszövéssel készített, négyszög keresztmetszetű zártszelvény profil [14.27]

14.4.4 Pultruzió

A hosszirányú, folytonos szállal erősített kompozit profilgyártás az extruzióhoz hasonló eljárás, amelyben a húzásnak (pulling) igen nagy szerepe van: a térhálósítás befejeztéig a termék jelentős húzásnak van kitéve. Az erősítőszál hosszirányú kifeszítésének az előnyeit jól ismerjük az előfeszített vasbeton építőelemek kitűnő szilárdsági és rugalmassági adataiból.

A 14.22 ábra jól mutatja a folytonos elvű gyártási eljárás lényegét: A szálkötegeket az oligomergyantával való átitatás után egy fűtött szerszámban egyesítjük, és ebben a szerszámban az állandó hosszirányú feszítés mellett megy végbe a matrixgyanta térhálósítása. A profilgyártó pultruziós sorok sebessége 1,5–60 m/h is lehet. A profilok lényegében kizárólag hosszirányú erősítőszálai a terméknek igen nagy húzó- és hajlítószilárdságot kölcsönöznek. A termék kritikus tulajdonsága a keresztirányú szilárdság. Ezért újabban szövedék-szalag vagy nemszőtt, nemezelt (Vlies) jellegű erősítést is alkalmaznak. A felületi simaságot további üvegszövet fátyol javíthatja a szálköteg szerszámba lépése előtt. A szerszám több előformázó lépcsőt tartalmaz, s egy tipikus U profil vagy C profil esetén akár 150 cm hosszú is lehet. A szerszám hőmérsékleti kontrollja kulcsfontosságú. A merev készterméket a kívánt hosszúságúra darabolják. Az üvegszálas poliészter profilok üvegszáltartalma 55 tömegszázalékig is felmehet. Az ilyen profilok húzó- és hajlítószilárdsága 200 MPa feletti, a termék rugalmassági modulusa 15 GPa-nál is nagyobb.

A pultruzió alapelvét felhasználhatjuk hőre lágyuló polimer matrix alkalmazásával is. Pl.: üvegszállal erősített poliamid „pálcát” készíthetünk így – amelyet feldarabolva fröccsöntéshez alkalmas granulátumot állíthatunk elő.

A pultruzió vázlata

14.22 ábra:A pultruzió vázlata [14.13]

Folyamatos üzemű „elhúzással” készülnek kompozitlemezek is. A 14.23 ábra az építőiparban használt, üvegszálerősítésű poliészter hullámlemez gyártósorát mutatja be. A síklemez gyártás hasonló elvű. A lemez formaleválasztó fóliára épül fel, ami tipikusan regenerált cellulóz („cellofán”) fólia. Erre kerül a folyékony oligomer gyanta, majd az üvegszál paplan. A fedőfóliát, ami ismét cellulózfilm, úgy hengerelik a lemezre, hogy abban légbuborék ne maradjon. A viszonylag hosszú (néhány méteres) hőalagútban történik meg a térhálósítás. Az 1,5 mm vastagságú, 35 % üvegszál tartalmú síklemez, vagy keresztirányban bordázott lemez rugalmassága megengedi, hogy tekercsben hozzák forgalomba.

Üvegszálas poliészter hullámlemez gyártósora

14.23 ábra:Üvegszálas poliészter hullámlemez gyártósora [14.13]

14.4.5 Összetett kompozit technológiák

A polimer kompozit gyártási technológiák sokoldalúságát integrált szerkezetek sorozatgyártásában a legjobban a közlekedés néhány mérnöki vívmányán vehetjük szemügyre. Számos szendvics szerkezetű repülőgép alkatrész, légcsavar, helikopter rotor, autóbusz karosszériaelem, személygépkocsi alkatrész készül kompozitból. Az AIRBUS utasszállító repülőgép polimer kompozit alkatrészeit a 14.24 ábra mutatja. Ez gép a koordinált európai műszaki fejlesztés és az összehangolt közös gyártás példája.

A franciaországi Toulouse-i székhelyű AIRBUS Industrie a következő összetételű konzorcium birtokában van:

AEROSPATIALE (F) 37,9 %,

Messerschmidt-Bolkov-Blohm (D) 37,9 %,

British Aerospace (UK) 20,0 %,

CASA (Spain) 4,2 %.

Polimerkompozit szerkezeti elemek az AIRBUS–320 repülőgépben

14.24 ábra:Polimerkompozit szerkezeti elemek az AIRBUS–320 repülőgépben [14.26]

A több közbülső típus után 1987-ben forgalomba állított A 310–320 AIRBUS most már nemcsak számtalan kis borítólemezt – áramvonalasító kiegészítést – a leszállókerekeket borító ajtókat, fedélzeti padlót és belső borító, tartóelemeket tartalmaz polimer kompozitból, hanem a vízszintes és függőleges vezérsíkok – a mozgatható szárnyvégződések – főbb elemeit is. Az AIRBUS függőleges vezérsíkja az oldalirányú kormányzás és stabilizálás fő eleme – a repülőgép „farka” – teljes egészében polimer kompozitból készül (14.25 ábra).

Ez az elem, amely alapjainál 7,8 m hosszú és 8,3 m magas, lényegében szénszálas epoxi kompozitból készül. A szerkezet tömege 56,7 kg, és ez több, mint 20 % súlymegtakarítást jelent a korábbi aluminiumötvözet tömegéhez képest.

A rögzítőelemeket (szegecs, csavar) nem számítva, a polimer kompozit szerkezet 95 alkatrészből áll, szemben a korábbi fém-változat 2076 alkatrészével. A függőleges vezérsík mozgatható eleme, az „oldalkormány” tipikus „szendvics” szerkezet (14.26 ábra).

A szendvics technológia műszaki előnyei nyilvánvalóak: a főleg hajlításra igénybevett lemezek szélső rétegeinek kell nagy húzó ill. nyomószilárdsággal rendelkezniük, a mag- a semleges réteg környéke – sokkal kisebb igénybevételnek van kitéve.

Az AIRBUS–310 repülőgép polimer kompozitból készült függőleges vezérsíkja

14.25 ábra:Az AIRBUS–310 repülőgép polimer kompozitból készült függőleges vezérsíkja [14.13]

A szendvicsmag maga is kompozit: a legtöbb esetben papírvékonyságú aramid nemez vagy szövedék, amelyet novolak v. epoxi gyantával társítanak, majd a méhsejt (honeycomb) szerkezetű előgyártmány lemezzé alakítanak. A jól alakítható méhsejt lemez gyártásának két alapvető módszere van.

Az egyik módszernél a hullámpapír-karton belső elemekhez hasonló hullámosított lemezeket ragasztanak egymáshoz félhullám eltolással, majd az összeragasztott „tömbből” szeleteket vágnak úgy, hogy az így kialakított lemez a síkjára merőlegesen átjárható legyen.

Méhsejt szerkezetű polimer kompozit elemek az AIRBUS–310 függőleges vezérsíkjában

14.26 ábra:Méhsejt szerkezetű polimer kompozit elemek az AIRBUS–310 függőleges vezérsíkjában [14.26]

A másik eljárásban hasonló tömb-összeragasztás után szeletelés, majd a rács széthúzása következik. Hasonló méhsejt szendvicsbetét aluminiumlemezből is készülhet. Tipikus adataikat a 14.3 táblázat mutatja.

14.3. táblázat - Kompozit szendvics maganyagok tulajdonságai [14.27]

Méhsejt szerkezetek

Lemez vastagság

μm

Sűrűség

kg/m3

Nyomó-szilárdság

MPa

Aluminiumötvözet 505225,436,81,20
Aluminiumötvözet 502438,144,81,72
Üvegszövedék/fenolgyanta56,03,45
Üvegszövedék/poliészter64,13,86
Üvegszövedék/poliimid64,13,03
Aramid/fenolgyanta50,848,12,65
Kraft papír/fenolgyanta80,12,76
Balsafa (szálra merőleges)*96,13,45

A balsafát, amelyet összehasonlításként illesztettünk a táblázat méhsejt szerkezetei közé, sportszer kompozitokban jól hasznosítják. A repülőgépipar követelményei az égésgátoltság szempontjából rendkívül magasak. Ezeket legjobban a fenolgyanta matrixú papírvékony üvegszövet és aramid (NOMEX) szálerősítésű méhsejtek elégítik ki, az aluötvözetből készült méhsejtnél jóval magasabb nyomószilárdság mellett.

Egy tipikus kompozit alkatrész, a repülőgép függőleges vezérsíkjának álló része a hagyományos szárnykonstrukcióknak megfelelő bordázatra épül, amely főleg aluminiumötvözetből készül. A felület azonban több rétegben karbonszálas epoxi prepregből (tape-ből) felépített.

Az egyirányú szálerősítést tartalmazó szalag formájú kompozit előgyártmány (unidirectional tape, prepreg), ma a haditechnikai és polgári repülés különleges kompozit szerkezeteinek legfőbb konstrukciós eleme. Ez lényegében csak hosszirányban lefektetett karbonszálakból álló, tekercselhető, szinte papírvékonyságú termék, amelyet rendkívül csekély mértékben elő-térhálósított matrix (tipikusan epoxigyanta vagy PEEK) fog össze. A még nem teljesen térhálósított matrix gyanta tapadós, így a szalagot elválasztó fóliák (release-films, pl. PE) közé tekercselik, amelyeket a felhasználás előtt el kell távolítani. A matrix gyanta tartalmazza a térhálósítást elindító termikus iniciátor-aktivátor rendszert, így tárolhatósága korlátozott (pl. 4–6 hónap), és a tárolás alatt hűtést kíván (pl. –18 °C). A tipikusan max. 1,5 m széles, 0,1–0,3 mm vastag lemezek kiszabása szabászasztalon történik, számítógép-vezérelt lézersugárral. A rétegrend és a rétegek irányítottságának szigorú tervét a konstruktőr rögzíti. A korszerű katonai repülőgépek főbb elemei pl. a radar számára nem észlelhető „lopakodó” gyakorlatilag teljes szerkezete – akár 20-nál is több ilyen rétegből épül fel, fokozatosan vastagodva a nagyobb szilárdságot igénylő csomópontok felé. A rétegek felépítése, egymásra felhordása rendkívül gondos minőségellenőrzést igényel, és még ma is meglepően sok manuális munkát tartalmaz.

Az így felépített részegység megfelelő fém-szerszámba foglalva, autoklávban kerül végső kezelésre (curing) (14.28 ábra). Az autokláv óriási méretű (több méter átmérőjű) vízszintesen fekvő henger alakú, nyomástartó edény, amelyben a matrix gyanta térhálósítása magasabb hőmérsékleten (pl. 150 °C) és megfelelően hosszú idő – néhány óra – alatt maradéktalanul végbemegy. (Egy gumiipari „kazánprést” a 13.26 ábra mutatott be.)

Az egyes részegységek (pl. törzs és farok) összeépítésénél is alkalmazhatunk kompozit technikát. Itt a térhálósítást lokális hőkezelés, esetleg UV-vagy elektronsugár kezelés indítja el.

A nagyszilárdságú, összetett kompozit szerkezetek sorozatgyártását jól illusztrálja a helikopter rotor szárnyak példája. (14.29 ábra)

A Brit Légierők polimer kompozit rotorral felszerelt Westland Lynx helikoptere tartja a helikopter sebességi repülés (több mint 400 km/h) rekordját. Elképzelhető, hogy milyen vibrációknak és hajlítóerőknek van kitéve ez a kompozit rotor, amelynek csúcsán a sebesség eléri a 0,97-es Mach értéket.

Polimer kompozit repülőgép részegység (vezérsík) a szerszámban

14.27 ábra:Polimer kompozit repülőgép részegység (vezérsík) a szerszámban [14.27]

Polimer kompozit repülőgép részegység az autoklávban

14.28 ábra:Polimer kompozit repülőgép részegység az autoklávban [14.27]

A 12 m hosszú rotorok fő kompozit alapanyaga a CIBA-GEIGY Fibredux-Carbon 913 C XAS 5 prepreg, amelyet hasonló üvegszál-karbonszál hibrid erősítésű prepreggel, sőt: nikkellel borított szénszál prepreggel váltakozva alkalmaznak. Ez utóbbi vezetőképes réteg teljes védelmet nyújt villámcsapással szemben.

Helikopter rotor konstrukció polimer kompozitból

14.29 ábra:Helikopter rotor konstrukció polimer kompozitból [14.27]

A kompozitból készült helikopter rotor szárnyak kikeményítése, a térhálósítás alumínium szerszámban történik. A késztermék kétkomponensű PUR lakkbevonatot kap.

Hasonlóan szép példa az összetett, fémalkatrészeket is tartalmazó és különleges fontosságú kompozit alkatrész technológiájára a sportrepülőgépek légcsavarjának gyártása (14.30 ábra).

A kompozit alkatrészgyártás kezdete itt is a szalag (tape) rétegek felépítése, az adott esetben alumínium szerszámba fektetése. Az összezárt félszerszámok közé ezután habosítják be a PUR magot, majd újabb erősítőrétegek felvitele következik. Az előgyártmányt ezután újabb – függőlegesen felállított szerszámba zárják, és az utolsó rétegek átitatására meleg epoxi gyantával vákuum injektálást alkalmaznak (14.31 ábra).

Ezek után hőkezelés, majd felületbevonás következik (kétkomponensű PUR lakk). A kompozit légcsavarok tipikusan 50 %-kal könnyebbek, mint a megfelelő duraluminium légcsavarok. A könnyített súlynak nagy szerepe van a légcsavarnak repülés közbeni szög-állítása során, s így a kapcsolódó szerkezetek is könnyíthetők.

Sportrepülőgép légcsavarja polimer kompozitból

14.30 ábra:Sportrepülőgép légcsavarja polimer kompozitból [14.27]

Sportrepülőgép légcsavar-gyártása vákuum-injektálásos eljárással polimer kompozitból

14.31 ábra:Sportrepülőgép légcsavar-gyártása vákuum-injektálásos eljárással polimer kompozitból [14.27]