Termoplastkompositer
Polymera fiberkompositer erbjuder en mängd intressanta egenskaper såsom låg densitet, stor designfrihet, hög specifik styvhet och styrka, ingen korrosion, etc. Vid tillverkning av lastbärande fiberkompositer används normalt kol- eller glasfiberarmerad härdplast. Det finns dock en strävan att ersätta härdplasterna med termoplaster, t.ex. polypropen eller polyamid, för att erhålla snabbare tillverkning, enklare återvinning och bättre arbetsmiljö
Fiberns längd och orientering har mycket stor betydelse för de mekaniska egenskaperna. Om fibern är kortare än en viss kritisk längd (normalt ca 1 mm) så kan fiberns hållfasthet inte utnyttjas maximalt och hållfastheten på den fiberarmerade plasten blir därmed lägre än den borde vara. Vid formsprutning av fiberarmerade termoplaster utgår man normalt från granulat med fibrer i storleksordningen 2-4 mm. Efter passage genom cylinder, fördelningskanaler och intag är dock fiberlängden normalt inte mer än ca 0,2 mm och fibrerna är därmed för korta för att kunna utnyttjas fullt ut. På senare år har användningen av långfiberarmerade termoplaster därför ökat. Vid formsprutning av långfiberarmerade plaster är fiberlängden i granulaten normalt ca 10-12 mm (även om det finns granulat med fiberlängder >25 mm). Efter formsprutningsprocessen har fibrerna naturligtvis brutits ned men de är fortfarande längre än den kritiska längden och hållfastheten på kompositmaterialet blir därmed bättre än vid formsprutning av granulat med 2-4 mm fiberlängd. En nackdel med användning av långa fibrer kan dock vara att orienteringseffekterna ökar och därmed risken för skevning.
Vidhäftningen mellan fiber och plast är mycket viktig. Om vidhäftningen mellan fiber och plast är svag, vilket den historiskt ofta varit i termoplastkompositer, så erhålls dålig hållfasthet på kompositmaterialet. För härdplastkompositer har man länge arbetet med att utveckla bra sizingsystem (beläggning på fibern) för att skapa stark vidhäftning mellan fiber och plast. Men det är lättare att skapa stark vidhäftning mellan sizing och härdplast än mellan sizing och termoplast vilket gjort att de lastbärande egenskaperna för termoplastkompositer ofta inte varit lika bra som för härdplastkompositer. På senare år har dock kunskapen om sizingsystem för termoplaster ökat vilket resulterat i termoplastkompositer med mycket bra mekaniska egenskaper.
Många drar sig för att använda termoplastkompositer i lastbärande konstruktioner eftersom man är orolig för problem med kryp och relaxation. Dessa effekter finns naturligtvis i alla typer av polymera material men omfattningen beror på många olika faktorer, t.ex. typ av plast, typ av fiber, andel fiber, fiberorientering, vidhäftning mellan fiber och plast, temperatur, fukthalt och belastningstid. Det finns i dagsläget kortfiberarmerade termoplaster med bättre krypbeständighet än zink och om materialen förstärks med långa kontinuerliga fibrer så blir krypbeständigheten ännu bättre. Kort sagt, krav gällande kryp och relaxation kan normalt uppfyllas även vid användning av termoplastkompositer.
Om de mekaniska egenskaperna för kort- eller långfiberarmerade termoplastkompositer inte är tillräckligt bra så kan man förstärka materialet lokalt med kolfibertejp. EMS Chemie är ett av företagen som säljer kolfibertejp för lokal förstärkning av formsprutgods och i deras sortiment finns tejper med styvhet på ca 70 GPa och hållfasthet på ca 1 000 MPa. Vid lokalt höga spänningar eller försvagningar i form av sammanflytningar kan därför lokal förstärkning med kolfibertejp vara ett intressant alternativ.
En annan typ av lokal förstärkning saluförs av Inxide AB i Trollhättan. Tekniken är utvecklad vid École polytechnique fédérale de Lausanne och består av tillverkning av fiberskelett med hjälp av robot. Fiberskeletten översprutas sedan i ett vanligt formsprutningsverktyg och resultatet blir komponenter med optimerade prestanda.
En annan typ av övergjutning som börjar användas mer och mer är övergjutning av organoskivor. Vid användning av denna teknik så förformas plattor baserade på fiberarmerad termoplast (oragnoskivor) i ett verktyg. Förformen placeras därefter i ett formsprutningsverktyg och ribbor infästningar, mm, sprutas. Resultatet blir en komponent med kontinuerliga fibrer och därmed bra mekaniska egenskaper.
En ny teknik för tillverkning av termoplastkompositer presenterades av Engel på K-mässan i Tyskland 2016. Tekniken innebär polymerisation (dvs skapande av långa molekylkedjor) i formverktyget efter det att fibrerna impregnerats. Materialet man använder sig av är kaprolaktam och resultatet efter polymerisation blir därmed polyamid 6. Fördelar med tekniken är att man erhåller en termoplastkomposit med bra mekaniska egenskaper som dessutom kan svetsas, omformas och översprutas. Cykeltiden är i dagsläget ca 2-3 minuter.
Vid diskussion om termoplastkompositer är det viktigt att inte glömma Glass-Mat Thermoplastics (GMT) och Long Fiber Thermoplastics (LFT). Dessa båda material och tillverkningstekniker har används av fordonsindustrin sedan början av 1990-talet för tillverkning av dörrmoduler, underkörningsskydd, hatthyllor, stötfångarbalkar, mm. GMT består av plattor med fiber och termoplast (oftast glasfiberarmerad polypropen) och vid tillverkning värms dessa plattor i en ugn varefter de pressas till önskad form i ett kallt verktyg. Vid användning av LFT blandas smält plast och korta fibrer i en extruder. Materialet pressas därefter, på samma sätt som GMT, till önskad form i ett kallt verktyg. Slutligen, så bör även termoplastprepreg omnämnas. Detta material består av tunna skikt av fiber och matrismaterial (t.ex. kolfiberarmerad polyamid). Vid tillverkning stackas och pressas, lindas eller formas önskat antal skikt i en press eller autoklav.
För mer information om termoplastkompositer så anmäl dig gärna till någon av våra kurser!