composieten.htm

Een composiet bestaat uit twee verschillende materialen: een matrix (moedermateriaal) en een wapening. Voor sommige composieten kan een lichtmetalen matrix gebruikt worden. Gary Klein gebruikte als eerste dit soort materiaal in de framebouw: aluminium versterkt met Borondraden (puur borium rond een wolfraam kern). Men gebruikt tegenwoordig als wapening deeltjes van SiC of Al2O3. Bij Specialized bouwt men met “Metal Matrix(=M2)”- buizen van de Amerikaanse fabrikant Duralcan. Zo’n buis wordt gemaakt door een poedermix onder hoge druk tot het smeltpunt van de laagst smeltende component te verhitten in een buisvormige mal.

Gewoonlijk is de matrix een kunststof. De mechanische eigenschappen van kunststoffen zijn pover vergeleken bij de wapening. Globaal verdelen we kunststoffen in thermoharders en thermoplasten. Thermoplasten bestaan uit lange moleculen, die bij verwarming steeds makkelijker langs elkaar glijden: ze verweken. Thermoharders zijn kunststoffen die driedimensioneel aan elkaar “groeien”. Bij hoge temperaturen verweken ze niet, maar verkolen.

Glasvezels worden getrokken uit gesmolten glas. Chemisch bestaat glas hoofdzakelijk uit siliciumoxide. E-glas, de meest gebruikte soort, bevat weinig verontreinigingen. De sterkte is redelijk, maar de elasticiteitsmodulus is matig en de soortelijke massa hoog.

Carbonfibers, de productie hiervan geschiedt door een draad van rayon of dralon te verkolen bij 700 tot 950°C. De verkoolde draad wordt nu verder verhit tot boven de 2000°C. De koolstof gaat dan rekristalliseren tot grafiet. Het proces vreet energie, daarom is carbonfiber duur (maar sterk en stijf).

Aramides als Kevlar 49 (Dupont) en Twaron HM (AKZO) zijn chemisch gelijk. Aramides hebben een hoge treksterkte en redelijke E-modulus, maar ze zijn slecht op druk belastbaar.

Polyetheenvezels maakt men door lange ketens PE (>10⁶) op te lossen in paraffine (Spectra) of decaline (Dyneema). Ze hebben een hoge treksterkte, redelijke E-modulus en een laag gewicht.

Vectran (LCP=Liquid Cristall Polymer) is eigendom van de Amerikaanse firma Kuraray. Het is een sterke vezel; niet echt superstijf, in veel opzichten een concurrent van aramides. Vectran wordt onder andere gebruikt bij kunststof spaken in Spox wielen en in de duurdere banden van Continental.

Het nieuwe product M5 (PIPD) zal in de toekomst ook wel voor framebouw gebruikt gaan worden, maar het verkeert nog in de ontwikkelingsfase (Dupont). Het is sterker en veel beter bestand tegen breuk dan carbon en men denkt de stijfheid nog te kunnen verbeteren. Veel hangt ervan af wat de vezel in massaproductie gaat kosten. Ik denk dat de producenten niet alleen de ontwikkelingskosten proberen terug te verdienen, maar ook de winst hoog willen houden, want er is voorlopig nog geen andere vezel die belooft de eigenschappen van M5 te overtreffen. Nadere informatie: www.m5fiber.com

In TABEL 1 zien we een overzicht van de eigenschappen van diverse vezels. Als constructeurs van fietsen zijn we niet zo geïnteresseerd in treksterktes. Licht en stijf is ons devies! We kiezen dus uitsluitend HM fibers. Winnaar is carbon HM, maar de nieuwe supervezel M5 belooft carbon in stijfheid, sterkte en eigenschappen te overtreffen. Eventueel kunnen we ook combinaties van carbon en aramide, of carbon en polyetheen nemen. Dit laatste weefsel is goed bestand tegen druk; een eigenschap waarin veel composieten slecht scoren en waardoor al vaak constructies faalden. De ontwerpers staren zich blind op de hoge treksterktes, terwijl constructies net zo vaak op druk belast worden.

Composieten van thermoplasten worden versterkt met gehakte vezels. Het mengsel van kunststof en vezel wordt bij een temperatuur van 150 tot 250°C, in een mal gespoten tot eindproduct, b.v. kunststof wielen. De toepassing is beperkt tot industriële massafabricage. Het vezelgehalte is laag, maximaal 20 tot 30 %; de vezels zijn gewoonlijk van glas.

Er bestaan vele composieten met thermoharders; de meeste thermoharders worden versterkt met vulstoffen en vezels. De fabricage gebeurt vaak bij hoge temperatuur en druk, maar er zijn twee belangrijke groepen thermoharders die bij atmosferische druk en kamertemperatuur uitharden: de epoxyharsen (EP) en de onverzadigde polyesterharsen (UP= unsaturated polyester). Beide producten kunnen enorm variëren in samenstelling, naar gelang de toepassing en gewenste eigenschappen. De grondstoffen zijn lange ketens die door toevoeging van een “harder” aan elkaar worden verknoopt. Bij epoxy gebruikt men vaak een harder die pas bij hogere temperaturen actief wordt, zo kan men het hars langer verwerken en “prepreg-weefsel” gebruiken (dit is al met hars geïmpregneerd en wordt uitgehard in een oven). Prepregs hebben een optimaal vezel-hars gehalte (60%). Polyesterharsen worden vooral gebruikt in combinatie met glas of polyestervezels. Bij hoogwaardige composieten als carbon, aramide of polyetheenvezel, werkt men met epoxy; dit hecht ook goed aan metalen. De combinatie van carbonvezel en metaal kan leiden galvanische corrosie. Aanbevolen wordt metalen delen eerst met een dun laagje glasvezel of aramide te omkleden.

Het samenspel tussen matrix en vezel is nogal kritisch. De matrix dient de vezel geheel te doordrenken en zich goed aan de vezel te hechten. De matrix verdeelt de belasting over de vezels (trek en druk). Bovendien beschermt het hars de vezels tegen chemische en mechanische invloeden. Aan het eind van de vezel geeft het hars de krachten door aan de omringende vezels. Polyetheenvezels krijgen een coronabehandeling (vonkenboog) om de hechting tussen vezel en matrix te bevorderen. Een groot probleem zijn de verschillen in uitzettingscoëfficiënt van matrix en vezel. Als de vezels zich losgewerkt hebben, nemen ze geen krachten meer op (vergelijkbaar met een losse spaak). Er ontstaat dan een zwakke plek in de composiet, waarvan niets te zien is, en die aanleiding kan zijn tot een plotselinge breuk (geen rek!). Koolstof en aramide worden geleverd in de kwaliteiten HS / HT (High Strength / High Tensity = hoge treksterkte) en de kwaliteit HM (High Modulus= hoge E-modulus). In composieten kiest men gewoonlijk HM. De diameter van de afzonderlijke draadjes (filamenten) is ± 0,007mm. Bundels filamenten heten rovings; deze kan men verwerken in matjes. Men kan ze ook twijnen (“opdraaien”) tot garens; zo'n weefsel van garens noemen we doek. Fijn weefsel bevat ongeveer 1000 (1 K) filamenten per vezel; grover weefsel als 3K wordt ook wel gebruikt. In de botenbouw zelfs 24K en meer........

Een van de verwerkingsmethoden van composieten is het spuiten van gehakte rovings en hars tegen een mal; deze methode wordt vaak gebruikt in de botenbouw. Het vezelgehalte is laag, circa 25%. Gehakte rovings kunnen ook met een bindmiddel tot z.g.n. glasmatten verwerkt worden, en daarna geïmpregneerd met hars (vezelgehalte circa 35%): ook dit is iets voor de botenbouw. Verder kan men rovings tot weefsel verwerken (rovingmatten); het maximale vezelpercentage stijgt dan tot 50-60%.

De E-modulus vermeld in TABEL 1 is erg mooi voorgesteld. De vezel is namelijk alleen in de lengterichting zo stijf, dwars op de vezel is de stijfheid veel minder. Zoals we zagen is maximaal 60% vezel en mimimaal 40% matrix (soortelijke massa 1,4). Een dergelijke vezel is wel doordrenkt met hars, maar niet glad; afgewerkte gladde en gelakte constructies halen gewoonlijk de 50% niet. De E-modulus van de composiet zoals hij verwerkt is in de constructie, zal veel lager zijn dan de in de tabel vermelde waarde (gewoonlijk nog geen kwart van deze waarde).

Weefsel met vrijwel alle draden in een richting noemt men Uni Directoraal (U.D.); dit wordt gebruikt om de stijfheid in een bepaald vlak te verbeteren. In een frame waar veel verschillende belastingen op komen, kan daarom ook “vierkant” weefsel verwerkt worden, hier zijn de schering en inslag gelijk. Dit is de buitenlaag in FIG.1; de stijfheid van vierkant weefsel (A) is hooguit de helft van U.D. in de lengterichting (C), maar wel in alle richtingen ongeveer gelijk. Het is ook mogelijk enkele lagen U.D. onder verschillende hoeken (B) te verwerken. Juist uit het oogpunt van optimalisatie, zien we dat de moderne bouwers niet enkele dikke lagen, maar veel dunne lagen verwerken. De matrix mag niet op afschuiving belast worden. Dit houdt in dat bij een buis-lug-frame de vezels van de buis de lugs onder een hoek van 45° moeten ingaan. Dwars op de vezels (90 en 0°) draagt de matrix deze krachten (dat niet gaat lang goed!). Bij veel moderne frames is de buitenste laag een sierlaagje en niet noodzakelijk voor de sterkte. Dit maakt de buis minder gevoelig voor krassen.

FIG.1

Pas begin jaren zeventig zakte de prijs van carbon tot 100 dollar per kilogram. We zien dan de eerste tests van carbon frames. Het probleem was, dat men met klemtechnieken probeerde de buis met aluminium lugs tot een frame te verbinden. Deze manier van werken bleek geen succes; de frames die gebouwd werden volgens de buis-lug-lijmmethode, geven veel minder verbetering in stijfheid t.o.v. overeenkomstige aluminium exemplaren, dan men op grond van de stijfheid van de composiete buis zou mogen verwachten. Elke constructie is zo stijf als de slapste doorsnede. Daarnaast blijken de eigenschappen van de gekozen verbindingsmethode van grote invloed te zijn.

Een eenvoudige constructiemethode is de handvorm of “handlay-up” methode. Men werkt hierbij met een simpele mal van hout of gips. De oppervlakte ervan wordt bestreken met een lossingmiddel, gewoonlijk polyvinylalcohol (PVA), omdat dit oplosbaar is in water. Hierop brengt men een dunne laag hars aan, waarop de rovingmatten of weefsels gelegd worden. De mat wordt goed aangedrukt om de weefsels te doordringen met hars en luchtbellen te verwijderen. Nu wordt op het weefsel weer een nieuwe laag hars aangebracht, en eventueel weer een nieuwe laag weefsel. Door aan de binnenkant vacuüm te zuigen, kan men luchtbellen vermijden en overtollig harsgebruik voorkomen. Dit is een methode die veel gebruikt wordt bij stroomlijnen. Meestal zijn er twee mallen: een linkse en een rechtse of een onderste en een bovenste. Op de site van Kingcycle kunt u de bouwwijze zien van de stroomlijn van de Mango tweewieler. Zie: http://www.kingcycle.co.uk/hpvs/Gnat.html Als men met een kern ("wood-core" methode) van PUR-schuim of balsahout werkt, blijft deze zitten. Dit is extra gewicht (en stijfheid).

In de moderne werktuigbouw kan men door 3D “eindige elementen analyses”, via kleurschakeringen, de belastingen op het ontwerp demonstreren. Als die bekend zijn, gaan we optimaliseren. De zwaarst belaste punten worden versterkt en men haalt materiaal weg op de plekken met een lagere belasting. Dit kan natuurlijk alleen als we met dunne "prepreg" rovingmatjes werken! De prijs van dunne matten is bijna even hoog als die van dikkere matten. Het is duurder en veel meer werk om al die dunne laagjes op elkaar te plakken. De meest hoogwaardige racefietsframes worden ook in een mal gemaakt, en als een geheel (monocoque) uitgehard in een oven. Zo krijgen we de optimale verhouding gewicht/stijfheid. Men brengt aan de binnenkant van het frame een ballon (airbag) aan, om het overtollige hars naar buiten te drukken. Hierdoor kan men het maximaal haalbaar vezel percentage van 60% bereiken. Bij goedkopere carbonframes kiest men voor overdimensionering door dikkere lagen te nemen (minder werk). Uitgaande van het feit, dat de eindsterkte op de gevoelige punten gelijk is (sterk genoeg), neemt het gewicht toe, omdat ook de laag belaste framedelen dik zijn uitgevoerd. Het verschil in dure en goedkopere carbon frames is dan ook niet zozeer een kwaliteitsverschil in het carbon, maar de kwaliteit van de productiemethode. Bij goedkope frames zal de airbag en het PUR-schuim blijven zitten; bij dure frames zal men deze proberen te verwijderen.

Het meest gebruikte boek over composieten : Gerard Lok c.s.: Praktijkhandboek Kunststoffen ISBN 90 6410 353 4 .
Dit boek, en veel gebruikte composietmaterialen als epoxy en carbon, zijn via postorder verkrijgbaar bij: www.polyservice.nl

Op de website van de vezel Vectran is een uitgebreide beschrijving te vinden van alle in de textiel en vezeltechniek gangbare termen, kijk op: www.vectranfiber.com/downloads.asp kies: Fiber Dictionary (210 pagina's in PDF).

Op de Amerikaanse ligfietssite WISIL is heel veel te vinden over zelfbouw in composieten.

Uiteraard ook veel composieten bij zelfbouwers op de site van de NVHPV : www.ligfiets.net