Ny metod ger supermaterial

av Claus Laurén Forum 1985-11, sida 12-13, 19.06.1985

Taggar: Teman: material

Ny metod ger supermaterial?

En ny metod för sammansättning av fiberkompositer har utvecklats i USA. Den innebär att egenskaperna hos ett kompositmaterial kan skräddarsys. I stället för att anpassa konstruktionerna efter materialen, kan man nu måttbeställa material som fyller de tekniska krav konstruktionerna ställer. Den nya metoden heter MASS — Multi Axial Spanply System.

nyhet. Kombinationen av glasfibe och plast börjar bli ganska ärevördig som varje sportfiskare vet. Det nya är, att den här materialtypen börjar tränga in på allt fler områden p g a sina enastående egenskaper både då det gäller vikt och styrka.

Samtidigt sker en rapidartad utveckling inom den här sektorn — en utveckling, som initieras och påskyndas av de höga krav, som ställs både från industrins och forskningens sida. Hållfasthetskraven blir alltmer detaljspecificerade, och i dag nöjer man sig inte med att anpassa konstruktionerna efter ett befintligt material. I stället går man den motsatta vägen, och kräver material, som är optimerade för en given konstruktion.

Som ett svar på dessa krav har man på Hi-Tech Composites i USA utvecklat en ny metod för sammansättning av fiberkompositer. Metoden kallas MASS (Multi Axial Spanply System), och innebär i praktiken, att egenskaperna hos ett kompositmaterial kan skräddarsys på ett helt annat sätt än tidigare.

JC komon är egentligen ingen

Skräddarsytt

MASS-tekniken gör det möjligt att bygga upp en fiberkomposit exakt utifrån de belastningar, som den aktuella detaljen beräknas utsättas för. I stället för att helt enkelt addera till mer och mer material tills önskad hållfasthet uppnåtts, kan man med hjälp av denna teknik strukturera materialet till att svara mot just den belastning, som kan komma ifråga.

Kompositer, som byggts upp med denna teknik, kan egenskapsspecificeras i praktiskt taget hur många riktningar som helst. Och det som är mest fascinerande, är att MASS-metoden möjliggör struktur- och egenskapsstyrning i tre dimensioner.

Egentligen är inte heller tredimensionella kompositer någon jätenyhet i sig. Vävda och spunna textilkompositer har funnits länge, och sprutad fiberbetong är i grund och bot 1 ten också ett material som hör till den här familjen. Det definitivt nya med MASS-tekniken är möjligheten att med hjälp av en industriell process bygga upp ett material vars egenskaper är definierade i riktning och rum med kubikmillimeters precision.

Vad innebär detta praktiskt, tekniskt och ekonomiskt? Framför allt handlar det naturligtvis om volym och vikt. Inte minst inom flyg- och rymdindustrin spelar sådana faktorer en enorm roll. Ofta är köparen beredd att betala ett svindlande pris för själva materialet, förutsatt att han därigenom kan vinna några kilo på viktsidan.

Säkerhet

Säkerheten är en annan central punkt. Genom den nya processen slipper man de “fickor” som är vanliga i andra typer av laminat. Då det gäller vävda material som t ex glasfiberväv, utgör själva skärningspunkten mellan trådarna en försvagad punkt. Den sortens svagheter torde i huvudsak vara eliminerade, då materialet byggts upp genom MASS-förfarandet.

Då det gäller sprutade material uppstår ett annat problem. I! princip skall fibrerna ligga spridda i alla tänkbara riktningar, och därigenom förstärka materialet så, att det skall ha samma hållfasthet gentemot belastningar oavsett varifrån de kommer. Resonemanget är helt baserat på slump- och sannolikhetstänkande, och det hela har visat sig fungera tillfredsställande, åtminstone då det handlar om byggmaterial.

Då det däremot gäller material, på vilka extrema säkerhets- och jämnhetskrav har ställts, kan man inte längre lita på de sprutade kompositerna. Det finns nämligen ingen naturlag i världen, som säger att fibrerna måste fördela sig jämnt i alla riktningar i materialet. Det är fullt tänkbart, att fibrerna slumpmässigt råkar hamna mer eller mindre i samma riktning. Detta innebär att materialet har maximal stryktålighet bara i ett plan, eller — värsta fall — kanske bara utefter en längdaxel.

En ännu känsligare situation uppstår, om fibrerna klumpat sig så att materialet uppvisar partier av hoptrasslade fiberknutar, och å andra sidan områden där materialet helt saknar fibrer och enbart består av bindemedel. Ett sådant material blir direkt opålitligt.

Sytt textil

På vilket sätt skiljer sig nu MASS-processen från andra, tidigare använda system för laminering?

Materialet är att betrakta som textil, men det är varken vävt eller stickat utan sytt. Det enskilda fiberplanet innehåller fibrer, som alla löper i en och samma riktning, och planen kan läggas i olika vinkel mot varandra. Om en maximal spridning av belastningen eftersträvas, läggs fibrerna i de två första planen vinkelrätt mot varandra. De två därpå följande skikten ligger också vinkelrätt | förhållande till varandra, men i 45” vinkel mot de två första planen o s v.

När planstrukturen är färdig, och önskat antal lager lagts på varandra, är det dags att sy ihop de olika skikten. Med hjälp av en för ändamålet utvecklad maskin träs en fibertråd upp och ner igenom laminatlagren. Sömmen kan göras mycket fin eller mycket grov, och sömmarna kan placeras tätt eller glest, allt efter de krav som specificerats för materialet ifråga. Även stickvinkeln kan regleras.

Med hjälp av den här metoden kan mycket sofistikerade flermaterialskompositer skapas. Man kan tänka sig blandningar av metalliska material, polymerer, kolfiber och glasfiber, allt anpassat till avnämarens önskemål. I vissa fall kan också blandtekniker (vävt laminat plus MASS) vara att föredra. Och om materialet ytterligare behöver bindas samman kan detta naturligtvis ske genom t ex ett polymert bindemedel. Det är att märka att kvantiteten bindemedel kan göras betydligt mindre i det här fallet, eftersom MASS-materialet har en så hög fibertäthet.

Liten volym

Fibertätheten är ett kapitel för sig. Innan de olika larninatskikten läggs över varandra, komprimeras skikten på ett sådant sätt att fibrerna ligger an mot varandra. Resultatet av detta blir liten volym och hög hållfasthet.

MASS är en teknik som i många avseenden fortfarande befinner sig på experimentstadiet. Man räknar med att i fram 11/1985 FORUN tiden kunna bygga upp mycket tjocka material med hjälp av den här tekniken, men ännu har man inte lyckats utveckla maskiner som ”sväljer” större munsbitar än sex laminatskikt.

Forskningen inom området syftar också till att i framtiden utveckla blandmaterial, som dels innehåller ovävt textil (MASS), dels plattor eller band av metall eller keramiskt material. Som den intelligente läsaren kanske redan har anat, är pansar och ballistiskt material ett av MASS-textilets viktigaste applikationsområden.

Supermaterial

Ett av de grundmaterial, som har tilldragit sig speciell uppmärksamhet i samband med MASS-metoden är aramidfiber, eller — som den mer populärt brukar kallas — Kevlar. Den här fibern utvecklades redan under 60-talet, och den som har sett filmen “Mannen i den vita kostymen” torde ha en aning om vad det rör sig om.

Aramid är ett polymermaterial av ofantlig styrka. Det är mjukt och böjligt som vilken textilfiber. som helst, men ytterst motståndskraftigt mot skärande instrument, stötar och dragbelastning. Dess hållfasthet gentemot skärande påverkan gör materiale synnerligen svårbearbetat. Dessutom har aramiden en ganska god värmetålighet — vilket är relativt ovanligt för polymermaterial.

Kevlar-fiber, som sammanfogats med hjälp av konventionell vävteknik, har visat sig fungera utmärkt som material i skottsäkra västar och andra säkerhetstekniska sammanhang. Med hjälp av den nya laminattekniken har fiberns egenskaper ytterligare förbättrats.

Test har visat, att en 9 mm pistolkula som avfyrats rmed hjälp av en 12,7 cm pipa och vars utgångshastighet var 350 mise penetrerade fyra lager konventionellt vävd Kevlar i ett laminat som bestod av 18 skikt. Endast ett lager Armor-Ply (fabrikationsnamn för MASS-sammantogad Kevlar) penetrerades vid motsvarande test

Det effektivaste skyddet mot vanliga eldhandvapen utgörs av en kombination av Armor-Ply och konventionellt vävd Kevlar. Tjockare laminat bör i framtiden kunna användas för att skydda mot högtrycksvapen och automatvapen. Och i kombination med keramiska eller metalliska material bör man to m kunna uppnå skydd mot pansarbrytande vapen!

Nu är de viktigt att också se materialets

Armor-Ply — MASS-sammanfogad Kevlar — har visat sig effektivt som material i skottsäkra västar. Tjockare laminat bör i framtiden kunna skydda mot automatvapen.

FÖRUN 11/198 svaga punkter. Man kan knappast träffas av en pansarbrytande granat och gå helt opåverkad ur det mötet! De skottsäkra textilerna utgör ett gott skydd mot en projektils penetrerande effekt, men naturligtvis kvarstår tryckverkan, även om den spridits ut över ett större område. Och mot spetsiga stickvapen (typ stilett) är de här materialen inte alls särskilt effektiva. Den skarpa spetsen letar sig fram rnellan fibrerna med den följden, att skyddsverkan blir mager.

Båtar, bilar?

De framtida användningsområdena för material som tillverkats med den här metoden är oräkneliga. Som tidigare nämnts är flyg- och ryrnateknologin ett sådant område, likaså skottsäkra material. Men eftersom materialen kan framställas både i hård och mjuk form — och med tanke på deras exceptionella egenskaper — kan många andra områden komma ifråga.

Byggsektorn är ett område, båtsektorn ett annat (det kan röra sig om både segel, skrov och andra detaljer). Bilindustrin bör kunna tillgodogöra sig den här tekniken — och inte uteslutande med tanke på industrimagnaters och politikers behov av skottsäkra åkdon.

Ett område av speciellt intresse på våra skogrika — breddgrader är naturligtvis skyddskläder för skogsarbetare. Armor-Ply lämpar sig utmärkt väl som skydd mot den farliga motorsågen, som skördat så många offer i form av svårt invalidiserade och döda. På den här punkten gäller det att utveckla ett glest fibermaterial, som dels inte blir alltför varmt att arbeta i, och dels har den effekten att ytan ruggas upp vid kontakt med sågklingan, så att klingan stoppas av de losslitna fibrerna.

Ett envist kvarstående problem med aramidfibern är dess ofantliga hållfasthet. Detta gör den ytterligt svårbearbetad. Man kan göra experimentet att försöka klippa aramidmaterial med hjälp av en vanlig vass sax — och visst går det att arbet sig fram några centimeter. Sedan är det dessvärre dags att slipa saxen!

Hi-Tech Composites rekommenderar ett slags ”cirkelsax” — en roterande klinga av hård metallegering, som helt enkelt sliter ner materialet. En annan väg, som kanske är mer framkomlig, vore en laserskärare med hög temperatur, eller någotslags starkt koncentrerad skärbrännare av det slag som t ex guldsmeder använder.

Claus Laurén 13