Kuituhommia

Komposiittiosan valmistus neljässä vaiheessa.
Esityksessä on voimallisesti minimoitu menetelmäkuvaus minimivälinein. Valmistusmateriaalien lisäksi tarvitaan tosi terävät sakset, (Mainos: Fiskarsin mustakahvaiset kestää; oranssiset eivät kestä asetonia pesuaineena.) kertakäyttöhanskoja, hyvät hermot, ilmastoidun tilan, kaasunaamarin, pitkän matkan naapuriin tai hajuaistittoman naapurin, suojalasit, tarkka vaaka (+-2g), työtason joka saa sotkeutua, styreeninkestäviä astioita (Katkaistu maitotölkki toimii!), asetonia välineiden pesuun, sekoitustikun, rättejä, siveltimiä, teloja ja kaikki muut aineet mitkä tekstissä mainitaan.

Pieninä erinä
Polyesterihartsia kannattaa sekoittaa vain sen verran kuin kerralla tarvitsee. On nimittäin itsesyttyvä materiaali jos sitä jää purkin pohjalle paksulti kovettumaan. Käytämme ohessa vain lasi- ja hiilikuituun liittyviä menetelmiä ja välineitä. Aramidikuituihin (Esim. Kevlar ja Aramid) ja muihin materiaaleihin en tässä yhteydessä paljon puutu.

Pahoja myrkkyjä
Hartsit yleensä ja erityisesti epoksit ja fenolit ovat erittäin allergisoivia ja syöpävaarallisia aineita.

Lue työturvallisuustiedot
Työsuojelumääräysten noudattaminen on tärkeää. Materiaalin myyjällä tai toimittajalla on lain määräämä velvollisuus luovuttaa työturvallisuustiedotteet materiaalien mukana.

1. Mallin valmistus
Aloitetaan oletuksesta että halutaan tehdä mahdollisimman kevyt mutta riittävän luja osa johon ei ole olemassa mallia kuin suunnittelijansa päässä. Tämä on vaativin osa työstä. On huomioitava tulevan kappaleen toiminnallinen muoto, kiinnitystapa, -kohdat ja materiaalista johtuvat rakenteen rajoitukset. Ei kovin teräviä muotoja, syvennyksiä eikä laajoja aivan suoria pintoja. Lisäksi pitää ottaa huomioon että muotti voidaan irrottaa mallista ja valmis muotokappale muotista ja että reunoilla on työvaraa. Malli voidaan periaatteessa valmistaa lähes mistä materiaalista tahansa kunhan lopullinen muoto ja pinnan laatu vastaa vähintään halutun lopullisen
osan pinnan laatua ja ei reagoi kemiallisesti muiden valmistusmateriaalien kanssa. Mutta jos ajattelit tavallista styroksia niin unohda se.

Sopivaisempia aineita
Uretaanivaahto, autopakkeli ja kaksikomponenttinen automaali on toimiva minimiratkaisu isommillekin osille. Mallin tulee näyttää siltä kuin se olisi valmis osa mitoiltaan ja muodoiltaan mutta reunoissa lisäksi hiukan työvaraa. Valmis malli käsitellään irrotusaineella. Jos muotti valmistetaan polyesterihartsista (Rautakauppatavaraa) voi irrotusaineena käyttää kiinteää (Ei silikonipohjaista.) autovahaa. Vahaus suoritetaan useita kertoja ja annetaan kovettua vahausten välillä useita tunteja.

Työvarasta on etua
Jos mallina on olemassa oleva osa, niin mallin teolta säästytään mutta työ- eli leikkuuvaran jättäminen on vaikeampaa jolloin lopullisesta osasta helposti pyrkii tulemaan pienempi ulkomitoiltaan kuin alkuperäinen malli.

2. Muotin valmistus
Tämä menetelmä soveltuu vain hyvin yksinkertaisen osan valmistukseen. Vahatun mallin päälle levitetään muotoon leikattu, polyesterihartsilla kyllästetty katkokuitulasikerros. (Rautakauppatavaraa) Hartsi voidaan levittää siveltimellä (Älä töpöttele siveltimellä tai sekoitat kuituun ilmakuplia!) tai telalla.

Riittävä vahvuus
Kappaleen koon mukaan kerroksia voidaan lisätä niin että riittävä jäykkyys saavutetaan. Tämä asia on arvioitava. Mitä muodokkaampi kappale, sitä jäykempi kappaleesta muodostuu. Viimeiseksi ulkopintaan voidaan laminoida pala keinosilkkiä. (Vuorinailonkangasta) Sillä saadaan lannistettua lasikuidun törröttävät kohdat ja ilmakuplat pois laminaatin sisältä.

Lämmöstä apua
Annetaan kovettua ainakin pari päivää. Mieluimmin viikon - kaksi. Korotettu lämpötila kovettaa nopeammin. Oletus on että työtila on ainakin +18 astetta. Kovettamista korotetussa lämpötilassa voidaan jatkaa muotin irrotuksen jälkeenkin. (60 – 80 astetta)

Pitää irrota helposti
Muotti irrotetaan varovasti mallista. Jos ei irtoa niin vahaus on mennyt suteen tai mallin muodossa on ongelmia tai malli ei ollut kovettunut riittävästi ennen vahausta. Muotin reunat viimeistellään, sisäpinta puhdistetaan ja vahataan useita kertoja. Muotin pinnassa ei saa olla rösöjä, lovia, tai muuta sellaista mikä ei sinne kuulu.

3. Osan valmistus
Koekappale tai huijaustuote tehdään näin. Osan voi tehdä valmiiksi saakka käsinlaminoimalla katkokuitulasia muottiin aivan samoilla tavoilla kuin muotin valmistuksessa selvitettiin. Tai vaikka hiilikuidusta tai aramidista tai vanhasta froteepyyhkeestä. Osa tulee oikean muotoinen mutta painava ja kohtuullisen luja. Jopa pyyhkeestä jollei se ollut märkä tai rasvainen. Reunat vain viimeistellään ja maali päälle. Tai sitten hämäyksen vuoksi pintaan yksi ohut hiilikuitukangas, loput lasia ja sisäpuolelle musta maali. Tällaisia on suuri osa tarvikekauppiaiden ”hiilikuituosista”! Ehkä näön vuoksi on hiukan alipainesäkitetty. Siitä lisää asiaa alla.

Kohtuullisen hyvä tapa mutta ei paras
Tässä vaiheessa tulee kyseeseen ne asiat miten osasta tehdään luja sekä kevyt. Tarvitaan noin 0,5 - 0,8 Bar alipaine ja erinäisiä apuaineita. Hartsina eli matriisina voi käyttää joko epoksi- tai polyesterihartsia. Suosittelisin epoksia. Irrotusainekäsitellyn muotin pohjalle levitetään muotoon leikattu hartsilla kyllästetty hiilikuitukangaspala, yleensä palttinakudosta. Kostutettua palaa on vaikea leikata edes terävillä saksilla. Painellaan se muotoon ja lisätään päälle toinen kasteltu kangaskerros. Seuraavaksi päälle pala vuorinailonia ja telataan tai painellaan siveltimellä kaikki ilma pois laminaatista. Tämän päälle pienireikäinen muovikalvo jonka päälle laitetaan imupaperia, huopaa tai vaikka vanhoja, puhtaita T-paitoja mahdollisimman rypyttömästi. Komeus laitetaan
muovipussin sisään josta alipaineen avulla imetään ilma pois jolloin ulkoilman paine puristaa muovipussin tiiviisti kappaletta vasten jolloin ylimääräinen hartsi imeytyy reikämuovin läpi imumateriaaliin ja kovettuu siihen. Koko prosessi on suoritettava niin nopeasti alusta loppuun että hartsissa ei ole
ehtinyt kovettumisreaktio alkamaan ennen alipaineistusta.

Hartsi pitää olla sopivan hidasta kovettumaan
Toisin sanoen hartsi ei saa geeliytyä saati kovettua ennen alipaineistusta. Tällä menetelmällä suurin osa hartsista saadaan pois itse tuotteesta. Annetaan kovettua alipaineessa.
Voidaan käyttää jo alipainesäkityksen aikana lievästi korotettua lämpötilaa. Pitää huomioida materiaalien, lähinnä hartsin ja säkitysmuovien ja -kankaiden, paloturvallisuus. Jos säkki vuotaa voi reaktio olla liian nopea ja kappale menee pilalle vaikka ei syttyisikään palamaan. Vahtia olisi syytä pitää.

Myrkkyä salakavalasti
Epoksit erittävät kovettuessaan myrkyllisiä mutta hajuttomia yhdisteitä.

Minimisuoritus
Edellä esiteltiin karuimmassa muodossaan käsinlaminointimenetelmä ja alipainesäkitys. Tämä on siis ehdoton minimimenetelmä että kannattaa hiilikuitukangasta käyttää sen arvoisella tavalla ja niin että siitä olisi edes vähäistä hyötyä.
Hiilikuituinen ulkonäköhän saadaan vähemmälläkin.

4. Viimeistelyssä huomioitavaa
Kuvatulla tavalla tehty kappale ei ennen pinnan lakkausta siedä rasvaa, kosteutta tai juuri muita kemikaaleja kuin asetonia ja sitäkin vain silloin jos se on tehty epoksihartsista. Pintaa voi hioa hiekkapaperilla jos siinä on muotin virheistä aiheutuneita hartsikasaumia tai muuta röpöä. Paljain käsin
ei pidä koskea eikä puhaltaa paineilmalla jos ei ole veden- ja öljynerotinta paineilmajärjestelmässä. Kappaleet voidaan toki pinnoittaa jo ennen laminointivaihetta käsittelemällä muotti maalilla tai gelcoatilla kuten venetehtaissa tehdään mutta silloin ei keveys eikä hiilikuidun ”väri” pääse välttämättä esiin.

Hiomalla viimeistely
Kovettunutta hiilikuitulaminaattia voi parhaiten leikata hiovilla menetelmillä. Pieni kulmahiomakone katkaisulaikalla. Timantti- tai wolframterä rautasahassa. Erilaiset hiomakiekot porakoneeseen, nauhahiomakone ja santapaperi ovat avuksi. Hiilikuidusta saa erittäin helposti tikkuja ihon alle jotka eivät ala tulehtua vaan jäävät sinne. Samoin kankaan leikkauksessa syntyvä mikroskooppinen pöly samoin kuin hioessa syntyvä karkeampi törky tulevat huonosti ulos keuhkoista.

Muita metodeja
Alipainesäkitys voidaan toteuttaa myös siten että alipaineistettuun muottiin joka sisältää vain lujitteet syötetään ennalta mitattu määrä hartsia jolloin säästytään kiireelliseltä käsin lutraamiselta ja käryiltä. Sarjatuotantomenetelmä jossa on tunnettava lukuisa joukko eri muuttujia.

Paineella injektointi
Hartsi voidaan syöttää myös paineella lujitteen sekaan mutta silloin tarvitaan kaksipuolinen erittäin luja muotti. Kaksipuolista muottia voi myös käyttää prässissä jolloin valmiiksi kasteltu kuitunippu puristetaan muotoonsa. Mm. formula1tallien soveltama menetelmä.

Teollisuusmenetelmä
Mielenkiintoisin parhaimpia osia tuottava menetelmä on käyttää alipainesäkitystä ja autoklaavia. Silloin esimerkkinä käyttämämme säkityszydeemi imumateriaaleineen suljetaan painekammioon jota voidaan lämmittää ja täyttää esimerkiksi ylipaineisella typellä jolloin säkityksen puristusteho kasvaa moninkertaiseksi pelkkään ulkoilmanpaineeseen verrattuna ja säkkiin voidaan päästää ulkoilman paine jolloin laminaattiin jääneet ilmakuplat pienenevät olemattoman kokoisiksi. Käytetään ilmailu- ja avaruustekniikka-alalla. Vähän myös Formula- ja rallitalleilla.

Prepreg-materiaali
Hartsi voi olla myös valmiiksi kuituun sekoitettuna ja esikovetettuna oikeassa suhteessa jolloin imumateriaalien tarve minimoituu. Soveltuu kaikkiin em. menetelmiin eikä tarvitse lutrata hartsin kanssa.

Muita tapoja
Lisäksi löytyy lukematon määrä muita menetelmiä, kuten ruiskutus, suulakepuristus, kelaus, keskipakovalu, jne.

Miksi on kallista
Toivottavasti edellä olevasta sai selville sen että kuituhommat ovat työvaltaisia, aikaa, energiaa ja kalliita materiaaleja käyttävä toimiala. Ja erittäin likaista ja allergisoivaa. Joten ihmettely aitojen hiilikuituosien hintojen suhteen on aiheetonta ja lähinnä köyhien puheita.

Oppia löytyy
Kiinnostuneille löytyy internetistä lisätietoa alan firmoista ja tekniikasta hakusanoilla hartsi, hiilikuitu, aramidi, lasikuitu,
epoksi, jne.

Sanastoa
alipainesäkki
– muovikelmusta valmistettu ilmatiivis pussi joka voidaan imeä ilmasta tyhjäksi ja saada siten ulkoilman paine puristamaan säkissä olevat kuiturakenteet tiiviisti toisiinsa.

aramidi
– synteettinen erittäin suuren vetolujuuden omaava kuitu.

delaminaatio
– kovettuneen laminaatin kerrosten irtoaminen toisistaan. Hyvin harmillinen asia.

eksotermia
– lämpöä vapauttava reaktio hartsin kovettuessa. Useimmiten hallinnassa. Suuri hartsierä sekoitettuna saattaa syttyä itsekseen.

geeliytyminen
– hartsi muuttuu ennen kovettumistaan jähmeäksi. Erittäin harmittavaa jos homma on kesken. Mitä suurempi määrä sekoitettua hartsia on purkissa sitä nopeampaa on jähmettyminen/geeliytyminen.

gelcoat, topcoat
– useimmiten värjätty hartsi. Käytetään pinnoitteena, esim. veneet.

hartsi
– polymeeri joka reagoidessaan toiseen polymeeriin muodostaa pitkämolekyylisiä kertamuoveja.

hiilikuitu
– hapettomassa tilassa poltettua polyakryylikuitua, erittäin suuri vetolujuus. Saatavana monentyyppisinä kankaina ja seostettuna muilla kuiduilla kuten aramidi.

imukangas
– imukykyinen kangas tai huopa johon imeytetään muotissa ja kuitujen seassa oleva ylimääräinen hartsi.

irrotusaine
– aine joka estää kappaleen tarttumisen muottiin. Näitä on monen tyyppisiä aineita. Irrotusvahaa on saatavissa alan liikkeistä.

katkokuitumatto
– lyhyistä suuntaamattomista kuiduista valmistettu hauraahko lujite. Hyvä muottihommissa ja muissa kohteissa joissa ei vaadita erityistä lujuutta tai keveyttä. Taipuu hyvin muotoihin.

kovete
– kovettumisreaktion alkuunpanija. Epokseissa seossuhde erittäin tarkka.

laminaatti
– tuote joka on tehty lujitekerroksia yhteen liimaamalla.

 lasikuitu
– valmistettu sulasta lasimassasta kuitumaiseksi.

malli
– valmistettavan kappaleen muotoinen, ”muotin muotti” jota ei enää tarvita muotin valmistuttua.

palttina
– kuitukangas jossa kuitukimput vuorottelevat toistensa yli ja ali ristiin. Yleisin kudostyyppi joka voi sisältää myös muita kuitutyyppejä.