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