Kolfiber vid maskintillverkning
Transcription
Kolfiber vid maskintillverkning
Forskning och utveckling Kolfiber vid maskintillverkning Med fiberhaspel kan man även tillverka kantiga strukturer. Foto: Xperion Text: Matti Pajala, teknikutvecklare på Xperion Användning av kolfiber inom industrin har ökat de senaste åren. För tio år sedan var flyg- och rymdindustrin de som använde kolfiber mest. Idag använder industrisektorn drygt två tredjedelar av all kolfiber på marknaden. Det betyder att cirka 23 000 ton kolfiber användes förra året och man uppskattar att förbrukningen kommer att fördubblas fram till år 2015. Resultatet av den högre förbrukningen syns redan inom bilindustrin där de största tillverkarna nu börjat samarbeta med fiberleverantörer för att nå sina mål avseende utsläpp och energibesparing. Även inom vindkraftindustrin ökar användningen av kolfiber för att förbättra hållfasthet och styvhet i nya vingkonstruktioner. Vid framtagandet av nya industrikomponenter kommer man i framtiden med största sannolikhet att utnyttja de fördelar som kolfiberkompositer kan erbjuda, det vill säga låg vikt, hög stabilitet, goda dämpningsegenskaper, liten värmeexpansion samt korrosionsmotstånd. Inom pappers- och tryckeriindustrin har man använt valsar tillver40 NORDISK PAPPER & MASSA 4/2012 fibrerna till en enhetlig struktur. På så vis får man en struktur som är mycket starkare än summan av de enskilda komponenterna. Den vanligast förekommande fiberförstärkningen är kol- eller glasfiber och som matrismaterial används då normalt epoxi- eller vinylesterharts. Även olika termoplastiska hartser och biobaserade polymerer förekommer som matrismaterial. kade av kolfiber ändå sedan början av 1990-talet. Typiska tillämpningar är filt- och viraledvalsar, valsar för mätning av spänning, sträckvalsar, skakvalsar, bröstvalsar samt schabrar och schaberbalkar. Andra ändamål är till exempel drivaxlar, roterande maskindelar eller olika typer av tryckkärl. Summan av enskilda komponenter Komposit är konstgjorda, sammansatta material där de ingående materialen var för sig har helt olika egenskaper och tillsammans bildar ett konstruktionsmaterial med nya egenskaper. Fiberarmerade kompositer består av fibrer och en polymermatris som limmar ihop Drivaxlar i kolfiber. Foto: Xperion Fiberhaspling Fiberhaspling används normalt vid tillverkning av cylinderformiga kompositkonstruktioner. Vid fiberhaspling samlas de armerade fibrerna till plana band vilka limmas och hasplas i olika vinklar på en roterande form tills man når den tilltänkta tjockleken. Därefter härdas den färdiglaminerade strukturen med hjälp av värme Forskning och utveckling sträckvalsar utförda i kolfiber. För det mesta är kolfiberkompositens dämpningskapacitet cirka tio gånger större jämfört med stål. Genom att tillämpa speciella dämpningslager kan man förbättra laminatets dämpningsförmåga ytterligare. Man kan till exempel genom att ersätta kardanaxlar i stål med kolfiberkomposit på fordon få svängningarna i konstruktionen minska och därmed även slitaget på däcken. mer att öka i framtiden. Produktionsvolymen är dock långt från den för traditionella material. Tillverkningskapaciteten av till exempel stål är cirka 20 000 gånger större och den för aluminium cirka 500 gånger större. Även mätt i volym är skillnaden mellan kolfiber och stål/aluminium avsevärd. Stålvolymerna är 4000 gånger större och aluminiumvolymerna 500 gånger större. Det är en av anledningarna till att priset för kolfiber är så pass mycket högre. En annan är att själva tillverkningsprocessen för fibern är dyr. Större konsumtion kommer att leda till lägre tillverkningskostnader och i slutändan kommer även priserna att sjunka. Som exempel kan nämnas skidstavar som redan idag till övervägande del tillverkas i kolfiber. Om man är ute efter en energieffektiv, lätt och stark konstruktion med utmärkta materialegenskaper och stor flexibilitet vid tillverkningen kommer det bästa alternativet i framtiden vara produkter av kolfiber. Låg värmeutvidgningskoefficient Dämpningsmätning från tre identiska cylinderformiga produkter. Den översta är av stål (röd), den i mitten ett standardkolfiberlaminat (gul) och den understa kolfiberlaminat med ett särskilt dämpningsskikt (grön). Illustration: Experion varvid hartsen polymeriseras och tillsammans med de armerade fibrerna bildar en enhetlig, fast och mycket stark struktur. Med automatisk fiberhaspling kan olika kompositstrukturer enkelt arrangeras och man erhåller samtidigt bra reproducerbarhet samt hög fiberhalt. Fiberriktning och väggtjocklek kan väljas fritt. I princip alla typer av former kan tillverkas av kolfiber, även fyrkantiga. Lätta konstruktioner sparar energi Kolfiberkomposit är cirka 80 procent lättare än motsvarande stålkonstruktion och cirka 40 procent lättare än motsvarande aluminiumkonstruktion. Därmed är det förståeligt att flygindustrin idag använder mer än 50 procent kompositstrukturerade produkter i sina modernaste flygplan. Låg vikt ger omedelbart nytta. Inte bara i konstruktioner av rörlika material utan även i roterande maskindelar. Det beror på att tröghetsmomentet i relation till rotationsaxel är direkt proportionell med massan, vilket leder till att accelerationseffekten som behövs blir mindre. Eller så kan åtminstone accelerationstider avsevärt kortas ner. I kontinuerliga accelerations- och bromsningssekvenser är besparingen av energi och tid mycket viktig. Mångsidiga materialegenskaper En av de största fördelarna med fiberarmerade kompositmaterial är den mångsidiga användbarheten. Styvhets-, dämpnings- och värmeexpansionsegenskaper styrs av materialval, riktningsvinklar på den armerade fibern samt laminatets skiktstruktur och blir därmed variabler vid planering och optimering av produkten. Ett exempel är Elasticitetsmodulen, som betecknar styvhet på en typisk fiberhasplad struktur kan fritt justeras mellan 40 och 320GPa (gigapascal) medan motsvarande egenskaper för ett traditionellt material som stål är 210GPa (gigapascal). Det ger därmed konstruktören en betydligt större frihet vid tillverkningen av kundanpassade produkter. Det enda sättet att justera styvheten i en produkt utförd i samma stålsort är att förändra geometrin. När det gäller produkter i komposit kan styvheten justeras även om geometrin inte ändras. Man ser det till exempel vid hastighetsökning i pappersmaskiner. Genom att byta befintliga stålvalsar till kolfibervalsar får man valsar som klarar både högre hastighet och större påfrestningar utan att öka diametern på valsarna. Den höga inre spänningen utnyttjas även vid drivaxlar och ger möjlighet att utelämna såväl mellanlagring som leder, vilket naturligtvis sparar kostnader vid tillverkningen. Den tvåmantlade valsstrukturen Ett illustrativt exempel på den struktur man får genom att justera kompositmaterialens styvhetsegenskaper är den så kallade tvåmantlade valsstrukturen där valsstommar är fogade ihop tätt med varandra. Yttermanteln kan göras mycket mer elastisk än beklädningen, oavsett dess större diameter. Det här skulle vara omöjligt med traditionella material. En sådan lösning utnyttjar man till exempel i bredd- Kolfiber har låg värmeutvidgningskoefficient vilket ger stora fördelar. Som exempel kan nämnas en struktur som måste hålla hög dimensionsstabilitet även vid stora temperatursvängningar. Kolfiberkompositens värmeutvidgningskoefficient är vanligen 1/10 av stålets och kan dras ned till i princip noll vid behov. Därmed kan deformationer i strukturen på grund av varierande temperatur elimineras. Exempel kan vara stillastående stålvalsar som utsätts för värmestrålning vid underhåll av pappersmaskiner. Det kan leda till böjda valsar vilket kan förorsaka svängningsproblem och banbrott vid omstart. Den typen av problem förekommer inte med valsar av kolfiberkomposit. Den låga värmeutvidgningskoefficienten utnyttjas också i olika tvärställda balkkonstruktioner i pappersmaskiner, såsom mätramar och schaberbalkar. Om Xperion Xperion är tillverkare av kolfiberkompositkonstruktioner, tryckkärl, drivaxlar och kompositvalsar. Företaget tillverkar produkter för flera industriområden såsom flyg-, energi-, transport- och den marina industrin. Fabriken i Uleåborg i Finland är specialiserad på tillverkning och underhåll av kompositvalsar och strukturer. Kolfiber i framtiden Användningen av kolfiber kom- Fakta: Vad är kolfiber? - - - - - - - - Den vanligast förekommande fibern är PAN-fiber (fiber av polyakrylnitril – prekursor) Tillverkning i kontinuerlig process (i grader Celsius): PAN-fiber oxidation (250…350) ankolning (800…1500) grafitering (1500…3000) ytbehandlingar haspling till kolfiber Fiberdiameter: 5 -10µm (mikrometer) , består huvudsakligen av kolatomer Säljs i nystan och som vidareutvecklad väv Ett strå kan innehålla så mycket som tiotusen enskilda fibrer Styvheten är normalt 4000 - 5000 MPa (megapascal) Elasticitetsmodul är 200 - 700GPa (gigapascal) beroende på fibertyp Fibertyper delas in i fyra grupper: SM (standard modulus), IM (interme- diate modulus), HM (high modulus), UHM (ultra high modulus) NORDISK PAPPER & MASSA 4/2012 41