Lujitemuovien vauriot voivat johtua valmistusvirheistä, liiallisista kuormituksista tai käyttöolosuhteista. Tyypillisiä valmistusvirheitä ovat huokoset, laminaatin kovettumattomuus tai liiallinen lämpeneminen. Ylikuormitus on käytännössä usein iskukuorma tai käyttölämpötilojen ylitys. Auringonvalo, kosteus ja kemikaalien vaikutus ovat merkittävimpiä ulkoisista olosuhteista johtuvien vaurioiden syitä.

Vauriot voivat olla helposti havaittavia murtumia tai pinnan selviä muutoksia. Näin ei valitettavasti ole aina. Esimerkiksi väsymisvaurion tai korroosion laminaattia heikentävää vaikutusta ei voi aina todeta ulospäin. Erilaisilla NDT-menetelmillä on mahdollista todeta osa sisäisistä vaurioista. Usein vaurioiden suuruus joudutaan kuitenkin tarkistamaan testilaminaateilla.

Kantavien rakenteiden korjauksessa on ymmärrettävä laminaattirakenteiden perusteet, sillä korjauksella pyritään palauttamaan rakenteen alkuperäinen jäykkyys ja lujuus. Tämä vaatii alkuperäisten rakenteiden ja materiaalien tuntemista. Lisäksi on otettava huomioon korjauslami­noinnin mahdolliset puutteet lujitesisällön tai valmistusolosuhte­iden osalta.

Seuraavat korjausohjeet käsittelevät pääasiassa avomuottimenetelmillä valmistettuja osia. Useimmat suljettujen muottien menetelmillä valmistetut kappaleet ovat yksikköhinnaltaan niin alhaisia, että korjaus ei ole taloudellisesti mielekästä. Korjausohjeet ovat kuitenkin varsin yleispäteviä ja sovellettavissa myös em. tuotteisiin.

5.5.1      Laminaatin korjaus

Laminaatti voi olla kokonaan murtunut tai siinä voi olla vain paikallisia pinnassa tai laminaatin sisässä olevia vikoja. Pienet pintaviat voidaan korjata hiomalla vioittunut laminaatti pois ja laminoimalla vastaava lujitemäärä ja vastaava laminaattirakenne tilalle. Korjauksessa on muistettava seuraavat yleispätevät ohjeet:

• Olosuhteiden on oltava riittävän hyvät hartsien kovettumiselle. Käytännössä tämä merkitsee huoneenlämpötilassa kovettuville hartseille vähintään +15 °C:n lämpötilaa ja alle 75 %:n suhteellista kosteutta. Mikäli näitä olosuhteita ei saavuteta, on hartsien kovetussysteemiä modifioitava (mikäli mahdollista) tai korjausalueelle on tuotava lisälämpöä.

• Vanhan maalipinnan poistamiseen ei saa käyttää metalleille kehitettyjä maalinpoistoaineita, sillä ne voivat heikentää laminaattia. Lujitemuoveille löytyy omia sopivia maalinpoistoaineita, mikäli niitä halutaan käyttää.

• Korjattavan kappaleen on oltava kuiva, sillä kosteus estää useimpien hartsien kunnollisen kovettumisen.

• Esivalmisteluna laminaatin osalta riittää puhdistus jollain nopeasti haihtuvalla liuotteella (esim. asetoni) sekä ennen että jälkeen hionnan. Vaurioituneen kohdan hionnassa ehjään laminaattikerrokseen asti voidaan käyttää hiomalaikkoja tai muita työstötapoja. Riittävä reunojen viistoutus ja sopivan karkealla hiomapaperilla (karkeus 240) suoritettu viimeistelyhionta ennen jatkolaminointia tai liimausta riittävät pienehköihin korjauksiin.

• Korjausmateriaalit tulisi valita samoiksi kuin peruslaminaatissakin. Jos tämä ei ole mahdollista, on valittava lujitemääriltään vastaavat rakenteet ja laminoitava ne siten, että lujitteiden määrä eri suunnissa on vähintään sama kuin alkuperäisessä laminaatissa. Yleensä samantyyppiset harsit toimivat keskenään, mikäli alkuperäistä hartsia ei ole saatavissa korjaukseen.

• Polyesteripohjaisen laminaatin voi korjata kohtuullisin tuloksin epoksihartsilla mutta toisinpäin tulos on huono. Korjauslaminaattia ei saa tehdä toisaalta liian vahvaksi ja jäykäksi, sillä se voi muuttaa rakenteen käyttäytymistä ja näin edistää murtumista korjauskohdan ulkopuolella.

Mikäli laminaatti on täysin murtunut, suoritetaan sen korjaus poistamalla vaurioitunut alue ja laminoimalla uusi vastaava rakenne tilalle. Alkuperäisen lujuuden säilyttämiseksi joudutaan poistetun kohdan reunat viistämään. Viisteen kulma riippuu laminaatin vetolujuuden ja sauman leikkauslujuuden suhteesta, sillä kuormat siirrettävä leikkauksella korjauslaminaattiin. Yleensä liimauksen lujuus vaihtelee välillä 20…40 N/mm² ja laminaatin vetolujuus välillä 120…1500 N/mm² lujitteista ja suuntauksista riippuen. Suuntaa antavana vähimmäisviistouksen arvona voidaan käyttää eri lujitteille ja rakenteille taulukon 5.23 mukaisia arvoja. Taulukon arvot perustuvat vakioviistoukseen. Mikäli viistoutus tehdään porrastamalla, on liimauspinta-alaa kasvatettava. 

Taulukko 5.23 Korjauslaminaatin vähimmäisviistoutukset eri laminaattityypeille.

Viistoutuksen voi tehdä yksi- tai kaksipuolisena. Kaksipuolinen viistoutus on rakenteellisesti parempi, mutta sen tekeminen on hankalampaa vaatien pääsyn laminaatin molemmille puolille. Kuvassa 5.72 on esitetty erilaisia laminaattikorjauksiin soveltuvia viistoutustapoja.

MKR 12.11

Kuva 5.72 Erilaisia laminaatin viistoutustapoja korjauslaminointia varten.

Yleensä korjauslaminaatti kannattaa laminoida valmiiksi irrotettavan muovikalvon päälle laminointipöydällä, josta koko nippu nostetaan kerralla paikattavaan kohtaan. Näin saadaan paikkauslaminaatin mitat pysymään helpommin oikeina.

Jos korjattavaa kohtaa ei tarvitse poistaa, korjaus voidaan suorittaa kaksi- tai yksipuolisella lisälaminoinnilla kuvan 5.73 mukaisesti. Tässä tapauksessa nostetaan laminaatin paikallista taivutusjäykkyyttä huomattavasti, mikä voi mahdollisesti aiheuttaa ylikuormitusta korjatun alueen reunoilla. Jäykkyyden muutoksen lieventämiseksi laminaatin reunojen porrastus kannattaa tehdä loivaksi.

MKR 12.12

Kuva 5.73 Laminaatin korjaus päällelaminoinnilla.

5.5.2      Kerroslevyn korjaus

Kerroslevyrakenteiden korjauksessa on useampia työvaiheita kuin pelkän laminaatin korjauksessa. Jos kerroslevy on lisäksi kaareva, joudutaan vahvemmat ydinaineet esitaivuttamaan korjattavan kappaleen muotoiseksi.

Kuvassa 5.74 on esitetty suoran kerroslevyn korjaus sisälaminaatin ollessa ehjä. Korjattavalta alueelta poistetaan pintalaminaatti ja ydinaine. Pehmeille ydinaineille suositellaan sen poistamista ehjän laminaatin alta kuvan mukaisesti. Ydinainepalat asennetaan korjattavan kohtaan kuvan mukaisesti. Lopuksi korjataan pintalaminaatti kappaleen 5.5.1 mukaisesti. Kovilla ydinaineilla voidaan käyttää kohtisuoria liimapintoja. Ydinainepalojen liimaukseen voidaan käyttää hartsi/mikropalloseosta, vaahtoutuvaa liimaa tai kostutettua lujitetta.

MKR 12.13

Kuva 5.74 Suoran kerroslevyn korjaus pehmeille ja koville ydinaineille, kun sisälaminaatti on ehjä.

Jos kerroslevyn molemmat pinnat korjataan, kannattaa laminaattien leikkauskohdat porrastaa kuvan 5.75 mukaisesti. Mikäli sisälaminaattia ei päästä laminoimaan, käytetään tukilevyä tai esikovetetaan sopiva soikion muotoinen ”puolikerroslevy”, joka liimataan korjattavaan kohtaan. Liimauksen kovettua suoritetaan pintalaminaatin korjaus.

MKR 12.14

Kuva 5.75 Koko kerroslevyrakenteen korjaus ja esivalmistetulla korjauspalalla tehtävä kerroslevyn korjaus.

Kaarevan kerroslevyn korjaus raskaita ja jäykkiä ydinaineita käyttäen vaatii ydinaineen esimuotoilun. Muotoilu voidaan tehdä lämmittämällä ja taivuttamalla muotissa tai kappaleen pinnalla. Toinen pintalaminaatti voidaan liittää valmiiksi ydinaineeseen käsinlaminoimalla tai liimaamalla. Tällöin korjaus tapahtuu samoin kuin kuvassa 5.75.

Mikäli korjattava rakenne ei ole kovin painokriittinen, voidaan ydinaine korvata hartsi/mikropallo-seoksella, joka on lujuudeltaan ydinainetta parempi. Seos on myös jäykempää kuin mitkään ydinaineet, joten paikallisen jäykistyksen mahdolliset haitat on mietittävä ennen korjausta. Juohevan jäykkyysjakautuman aikaan saamiseksi kannattaa ydinaineen reunat viistota. Hartsi/mikropallo-seos sopii hyvin kaarevien osin korjaukseen. Samoin se soveltuu ydinaineiden liimaukseen ja paklaukseen.

Paikalliset pintalaminaattien irtoamiset ovat kerroslevyrakenteissa tyypillisiä vaurioita. Mikäli ydinaine ja laminaatit eivät ole vaurioituneet, voidaan liimauksen irtoaminen korjata injektoimalla hartsia laminaatin ja ydinaineen väliin. Työ voidaan tehdä tavallisella kertakäyttöisellä injektioruiskulla.

5.5.3      Pinnan viimeistely

Korjatun alueen paikallinen maalaus ja viimeistely pinnanlaadultaan kriittisissä tuotteissa on työlästä. Gelcoat-pinnan sävytys täysin alkuperäistä vastaavaksi on lähes mahdotonta, sillä värisävyt muuttuvat ajan mukana.

Pinnan viimeistely vaatii normaalisti käsihiontaa ja paklausta. Viimeistely voidaan tehdä maaleja tai gelcoateja käyttäen. Lujitemuoveille soveltuvat epoksipohjamaalit ja uretaanipintamaalit.

Kirjallisuutta

1. Murphy J., Reinforced Plastics Handbook. Elsevier Advanced Technology, Oxford, England, 1998.
2. Gutowski T.G., Advanced Composites Manufacturing. John Wiley & Sons Inc, New York, 1997.
3. Peters S.T., Handbook of Composites. Chapman & Hall, London, 1998.
4. Miravete A., 3-D textile reinforcements in composite materials. Woodhead Publishing Limited, Cambridge, 1999.
5. Kruckenberg T. and Paton P., Resin Transfer Moulding for Aerospace Structures. Kluwer Academic Publisher, Dordrecht, 1998.
6. Starr T.F., Pultrusion for Engineers. Woodhead Publishing Limited, Cambridge, 2000.
7. Dave R.S. and Loos A.C., Processing of Composites. Hanser Publisher, Munich, 2000.
8. Akovali G., Handbook of Composite Fabrication. Rapra Technology Limited, Exeter, UK, 2001.
9. The European Alliance for SMC, Design for Success. Frankfurt, 1997.
10. Potter K., Resin Transfer Moulding. Chapman & Hall, Suffolk, England 1997.

Liimaus on luonnollinen tapa muovikomposiittien ja muiden osien liittämiseksi pysyvästi toisiinsa. Liimauksen hyvinä puolina ovat mm:

• tasainen jännitysjakauma
• tasaiset pinnat
• erilaisten pintojen yhteen liittäminen on helppoa
• ei galvaanista korroosiota
• voidaan automatisoida ja tarvittaessa tehdä nopeasti
• liitoksen aiheuttama painonlisäys pieni.

Mekaanisiin liitoksiin verrattuna liimaliitos vaatii yleensä laajemmat liitettävät pinnat, koska liimojen lujuudet ovat selvästi pienempiä kuin perusaineilla. Samoin liimojen lämpötilan tai kemikaalien kesto voi olla rajoittava tekijä.

Pitävän liimasauman aikaansaaminen edellyttää oikean liimatyypin valintaa ja sen vaatimaa liimauspintojen esikäsittelyä sekä oikeita kovetusolosuhteita.

5.4.1      Liimauksen taustaa

Kahden eri aineen välillä vaikuttavien vetovoimien yhteisvaikutusta kutsutaan adheesioksi. Adheesio perustuu kahteen pääilmiöön eli mekaaniseen ja spesifiseen adheesioon. Mekaanisella adheesiolla tarkoitetaan tartuntaa, joka syntyy, kun liimattavien pintojen huokosiin tunkeutunut liima kovettuu. Spesifinen adheesio tarkoittaa puolestaan fysikaalis-kemiallisia ilmiöitä, joita syntyy liiman ja liimattavan pinnan välille. Jälkimmäinen on lujassa liimasaumassa merkittävin tekijä.

Spesifisen adheesion syntymiseksi on liiman ja liimattavan aineen oltava riittävän lähellä toisiaan. Vain tällöin voi syntyä kemiallisia, ns. primäärisiä tai sekundäärisiä (Van der Waalsin voimat) liitoksia. Primääriset liitokset tapahtuvat atomien välillä ja ovat suhteellisen harvinaisia liimaliitoksissa. Näitä huomattavasti heikommat sekundääriset liitokset tapahtuvat molekyylien välillä ja antavat pääasiallisesti liimasaumalle sen lujuuden.

Sekundäärivoimat ovat joko polaarisia tai polaarittomia. Polaarisissa molekyyleissä sidoselektronit ovat enemmän toisen atomin puolella. Polaarittomissa molekyyleissä positiivisten ja negatiivisten varausten painopisteet ovat lähes samassa kohdassa. Polaarisia aineita ei voi liimata polaarittomilla ja päinvastoin. Tätä sääntöäkään ei voi ottaa täysin kirjaimellisesti, sillä materiaalien molekyylirakenteet ovat erittäin monimutkaisia verrattuina esitetyissä teorioissa käytettyihin. Polaarittomia aineita ovat mm. luonnonkumi, polyeteeni ja teflon, polaarisia taas metallit, lasi sekä puu.

Sekä primääriset että sekundääriset liitokset vaativat erittäin pienen etäisyyden (alle 0,5 nm) liiman ja liimattavan kappaleen välille. Tämän jälkeen vetovoimat heikkenevät erittäin nopeasti yleensä etäisyyden kuudennessa tai seitsemännessä potenssissa. Pintojen esikäsittelyllä ja liimojen sopivilla funktionaalisilla ryhmillä luodaan edellytykset erilaisten liitosten syntymiselle.

Nestemäisen liiman on levittävä liimauspinnalle mahdollisimman tasaisesti ja tunkeuduttava pieniinkin huokosiin. Juokseva liima syrjäyttää ilmahuokoset ja aikaansaa tiiviin yhteyden liimattavaan pintaan. Tämä on edellytyksenä spesifisen adheesion synnylle. Liiman pintajännityksen on oltava pienempi kuin liimattavan pinnan. Jos näin ei ole, liima pisaroituu eikä leviä. Metalleilla pintajännitys on moninkertainen liimojen pintajännityksiin verrattuna. Metallipinnoille liimat leviävätkin hyvin. Sen sijaan monilla kestomuoveilla pintajännitys on liimoja pienempi, joten liimattavat pinnat vaativat erikoiskäsittelyä. Sama tilanne on rasvoittuneiden pintojen kanssa. Taulukossa 5.20 on annettu muutamien materiaalien ja liimojen pintajännitysarvoja.

Taulukko 5.20 Eri materiaalien ja liimojen pintajännitysarvoja.

5.4.2      Liimojen ominaisuuksista

Liimoja ja niiden ominaisuuksia on kuvattu luvussa 3. Taulukossa 5.21 on esitetty usein käytettyjen liima-aineiden valmistusteknisiä ominaisuuksia ja kovettuneiden liimojen ominaisuuksia.

Tavallisimmat rakenteelliset liimakalvot, joita käytetään usein prepreg-materiaalien kanssa, ovat vinyyli-fenoli-, epoksi- ja bismaelimidipohjaisia. Niiden lämmönkestot ovat vastaavasti parhaimmillaan noin 70 °C, 200 °C ja 270 °C. Liimojen kovetuslämpötilat ovat vastaavia kuin prepregeillä. Liimakalvoista on saatavissa myös vaahtoutuvia versioita, joilla voidaan valmistaa useamman millimetrin paksuisia liimasaumoja.

Taulukko 5.21 Rakenneliimojen ominaisuuksia.

5.4.3      Liimattavien pintojen esikäsittely

Liimattavien pintojen esikäsittely on lähes aina välttämätön kunnollisen adheesion saavuttamiseksi. Liimattavista materiaaleista riippuen käsittelyksi voi riittää pelkkä puhdistus, mutta usein tarvitaan myös pinnan karhennus. Vaikeammin liimattaville pinnoille tarvitaan erilaisia kemiallisia tai sähköisiä käsittelyjä.

Liimattavien pintojen puhdistus rasvoista, irrotusaineista, kosteudesta ja muusta liasta on kaikilla materiaaleilla tärkeää. Puhdistus tehdään erilaisilla nopeasti haihtuvilla liuotteilla.

Pinnan karhennus on hyödyllinen kaikilla muilla materiaaleilla paitsi erittäin pienen pintajännityksen omaavilla materiaaleilla. Näillä voi liimauksen rajapintaan jäädä helposti ilmahuokosia, koska liima ei tunkeudu karhennuksen aikaansaamiin koloihin. Karhennus voidaan tehdä mekaanisesti, hiekkapuhaltamalla tai käyttämällä karhennuskankaita. Viimeksi mainitut ovat suosittuja muovikomposiiteilla.

Kemiallisia käsittelyjä käytetään etenkin kestomuovien liimauksessa. Yleensä nämä ovat erilaisia happokäsittelyjä. Samoin kestomuoveille soveltuvat liekitys, korona- ja plasmakäsittelyt. Näitä käytetään varsinkin kaikkein vaikeimmin liimattavi­lle muoveille. Taulukossa 5.22 on annettu suositeltuja pintakäsittelyjä eri materiaaleille.

Taulukko 5.22 Eri materiaalien pintäkäsittelyvaihtoehtoja liimausta varten.

5.4.4      Liimausprosessi

Ohjeiden mukaisen pintojen esikäsittelyn jälkeen on liimaus pyrittävä suorittamaan nopeasti, sillä käsittelyn vaikutus voi pienentyä ja likaantumisriski kasvaa koko ajan. Oikean liimatyypin valinnan jälkeen on useampikomponenttiset liimat sekoitettava tarkasti oikeissa suhteissa. Sekoituksen on oltava tehokas. Erittäin tärkeää tämä on epokseja käytettäessä. Liima voi olla myös kalvoina, tabletteina tai jauheina.

Liiman levitys voidaan tehdä pensselillä, telalla, lastalla, ruiskuttamalla tai automaattisilla annostuslaitteilla. Liimattavien pintojen avoaikaa ja itse liiman käsittelyaikaa voidaan yleensä säädellä liimattavan kappaleen tarpeiden mukaisesti.

Liiman kovettaminen tapahtuu lämmön ja paineen alaisena. Monet liimat kovettuvat huoneenlämpötilassa ja paineeksi riittää pelkkä pintojen yhteen puristus. Korotettua lämpötilaa käytetään kovettumisen nopeuttamiseksi tai myös kovetusreaktion aloittamiseksi tietyillä liimatyypeillä. Painetta tarvitaan mm. runsaasti liuotteita sisältäviä liimoja ja liimakalvoja käytettäessä. Paine aikaansaadaan puristimilla, alipainesäkillä, autoklaavilla tai muilla vastaavilla laitteilla. Lämmitys voidaan aikaansaada perinteisin menetelmin uuneissa, induktiolla tai suurtaajuuskuumennuksella.

Lujitemuovien työstössä käytetään lähes kaikkia vastaavia menetelmiä kuin metallien työstössä. Näiden suhteellinen osuus on kuitenkin erilainen. Esimerkiksi lastuavaa työstöä käytetään vain erikoistapauksissa.

Lujitteet ovat vaikeita materiaaleja mekaanisen työstön ja leikkauksen kannalta. Esimerkiksi lasi- ja hiilikuidut kuluttavat nopeasti normaalit työkalujen terät. Lujitemuovien työstö vaatiikin kunnolliseen tulokseen pyrittäessä erikoistyökalut ja omat työstötapansa. Työstöjätteen poisto ja käsittely vaatii erityishuomiota varsinkin hionnassa ja leikkauksessa, sillä pöly leviää helposti työtiloihin.

Komposiittimateriaalien kerrosmainen rakenne vaatii leikattavan kappaleen hyvää tuentaa ja sopivia leikkuunopeuksia delaminaatioiden estämiseksi. Muovimatriisit lämpenevät myös varsin helposti rajoittaen mekaanisen työstön nopeuksia.

5.3.1      Leikkaus

Perinteisten mekaanisten leikkaustapojen ohella lujitemuoveille on viime vuosina kehitetty useita uusia työstötapoja. Ultraäänen, laserin ja vesisuihkun käyttö on laajenemassa lentokoneteollisuudesta yhä enemmän teollisuuskomposiittien valmistukseen.

Sahaus

Lujitteiden leikkaukseen käytetään saksien ohella tekstiilien leikkaukseen suunnitellulla terällä varustettua vannesahaa. Aramidilujitteet vaativat saksissa kovametalli- tai keraamipinnoituksen ja erikoismuotoilun lujitteen lipsumisen estämiseksi.

Laminaatin leikkaukseen käytetään tavallisesti timanttipinnoitteisia laikkoja tai pistosahoja. Näitä ja erilaisia teriä on kuvassa 5.62.

MKR 12.1

Kuva 5.62 Muovikomposiittien leikkaukseen käytettäviä käsityökaluja ja niissä käytettäviä teriä.

Laminaattilevyn leikkaus onnistuu varsin hyvin pyörösahalla, jossa on timanttipinnoitteinen terä. Materiaalin syöttönopeudeksi suositellaan 1,3 mm/s aina 2,5 mm:n laminaattipaksuuteen asti ja paksummille suhteessa alhaisempaa nopeutta kuvan 5.63 mukaisesti.

MKR 12.2

Kuva 5.63 Lujitemuovilaminaatin leikkuunopeus pyörösahauksessa.

Ohutta laminaattia voi leikata myös puunleikkausterällä varustetulla vannesahalla. Yleisarvo syöttönopeudelle on 3…5 mm/s. Sahanterän kolmen hampaan paksuuden tulisi vastata laminaatin paksuutta. Aramidikuidulla lujitetun laminaatin leikkauksessa suositellaan käytettäväksi hienohampaista terää, jonka leikkaussu­unta on päinvastainen normaaliin verrattuna.

Ultraäänileikkaus

Ultraäänileikkaus perustuu korkealla taajuudella (yleensä 20 kHz) värähtelevään leikkuuterään. Se on sovelias etenkin prepreg-puolivalmisteille. Sitä voidaan käyttää myös ohuiden laminaattien ja hunajakennojen leikkauksessa.

Ultraäänen käytöllä pienennetään oleellisesti terän ja leikattavan materiaalin välistä kitkaa. Lujitteiden ja prepregien leikkaus tapahtuu nopeasti ja tarkemmin kuin perinteisillä tavoilla. Se on myös nopeampi kuin laser- ja vesisuihkuleikkaus. Tällä hetkellä kaupalliset leikkuuterät sallivat noin 20 mm paksuuden. Kehitteillä on myös pidempiä teriä. Kuvassa 5.64 on erilaisia leikkuuteriä ja käsikäyttöinen ultraäänileikkuri.

MKR 12.3

Kuva 5.64 Ultraäänileikkauksessa käytettäviä teriä ja käsikäyttöinen ultraäänileikkuri.

Terien muotoilu ja pinnoitus vaihtelevat leikattavasta materiaalista riippuen. Samoin käytettävä teho määräytyy materiaalin ja sen paksuuden mukaan. Leikkuupöydän on oltava sopivan kimmoisa, jotta se vaimentaisi terän värähtelyjä. Käytännössä mm. uretaanin, lujitemuovien ja kumioitujen tekstiilien on todettu toimivan ja kestävän kohtuullisesti leikkuupöydän pinnoitteena.

Laserleikkaus

Leikkaustarkoituksiin käytettävän laserin periaate on esitetty kuvassa 5.65. Koherentti valonsäde kohdistetaan linsseillä erittäin kapeaksi sädekimpuksi, jossa paikallinen teho nousee erittäin korkeaksi. Tämä säde höyrystää orgaaniset aineet mikrosekunneissa. Yleensä laseriin on myös yhdistetty ilmasuihku, joka poistaa materiaalin leikkausraosta ja estää linssien likaantumisen.

Komposiittimateriaalien leikkaukseen käytetään lähinnä CO₂-laseria. Sillä saadaan aikaiseksi sekä jatkuva säde että pulssisäde. Suuri teho mahdollistaa myös korkeat leikkuunopeudet. Hiilidioksidilaserissa emittoituvan valon aallonpituus on 1,06×10 ⁴ nm, jota kaikki orgaaniset materiaalit absorboivat erittäin hyvin.

MKR 12.4

Kuva 5.65 Kaasuavusteisen laserin periaate.

Laserin leikkaustarkkuus on 0,05 mm, joka on selvästi parempi kuin useimpien kappaleen siirtolaitteiden tarkkuus. Näin itse laserin tarkkuus on harvemmin kriittinen. Teollisuuslasereiden tehot ovat 500…1500 W. Tyypillisen yksikön koko on puoli neliömetriä ja paino n. 300 kg. Laserin höyrystäessä materiaalia syntyy kaasuja, jotka sisältävät terveydelle haitallisia aineita. Näin ollen joudutaan huolehtimaan riittävästä ilmastoinnista.

Orgaanisten lujitteiden kuten aramidin ja sen komposiittien leikkaus onnistuu hyvin laserilla. Leikkuunopeudet ovat 5…6 m/min alle 10 mm:n paksuisilla laminaateilla. Reikien ja muotojen leikkauksessa käytetään pulssisädettä ja huomattavasti pienempiä nopeuksia (noin 0,2 m/min).

Lasikuidulla lujitettujen laminaattien leikkauksessa tarvitaan huomattavasti enemmän tehoa kuin orgaanisilla aineilla. Kuitujen sulattamiseen tarvitaan paljon tehoa ja se johtuu myös lujitteiden kautta lähellä olevaan matriisiin vahingoittaen sitä. Parhaiten laser soveltuu ohuiden laminaattien leikkaukseen. Maksimissaan leikkuunopeudet ovat esimerkiksi 6 mm:n ja 2 mm:n paksuisille laminaateille 2 m/min ja 15 m/min.

Hiilikuidulla lujitettujen prepregien ja laminaattien leikkauksessa on ongelmana lämmön johtuminen, joka joko kovettaa prepreg-hartsia tai kuumentaa liikaa laminaattia. Prepregien leikkuunopeudet ovat 70…80 m/min yhtä 0,1 mm:n paksuista kerrosta leikattaessa. Hiilikuitulujitetun laminaatin leikkaus on hitaampaa kuin lasikuitulujitetun laminaatin. Esimerkiksi 3 mm paksun laminaatin leikkuunopeus on 2 m/min. Tällä nopeudella lämpö tuhoaa matriisia noin yhden millimetrin etäisyydelle leikkausreunasta.

Laserin käyttö kolmidimensionaalisiin leikkauksiin robottiohjauksella tai muulla vastaavalla ohjauksella on kokeiluasteella. Lasersäteen kohdistus riittävän tarkasti ja hallitusti on ollut pulmana. Myös laitteistojen kalleus on ollut toistaiseksi esteenä laserleikkauksen käyttöön teollisuuskomposiittien valmistuksessa.

Vesisuihkuleikkaus

Vesisuihkuleikkaus perustuu korkeapaineisen (jopa yli 4 000 baaria), kapean vesisuihkun käyttöön. Vesisuihkun nopeus on n. 850 m/s ja sen halkaisija vaihtelee suuttimen koon mukaan välillä 0,8…7 mm. Pehmeiden materiaalien leikkauksessa käytetään puhdasta vettä. Sen sijaan kovia materiaaleja kuten komposiittilaminaatteja leikattaessa veden sekaan sekoitetaan abrasiiveja eli kovia hiukkasia, jotka tehostavat leikkausta. Kuvassa 5.66 on esitetty vesisuihkuleikkauslaitteen suuttimen periaate abrasiivia käytettäessä.

Vesisuihkuleikkauslaitteistoon kuuluvat korkeapainepumput, leikkaussuutin, leikkausveden keräyslaitteisto ja abrasiivin syöttölaitteisto. Suutinosa voi olla kaukanakin pumpuista ja sitä voidaan ohjata roboteilla.

MKR 12.5

Kuva 5.66 Vesisuihkuleikkaussuuttimen periaate, lisävarusteena abrasiivin syöttö.

Vesisuihkuleikkauksen etuina ovat kapea leikkausrako ja leikkauksen aloituskohdan vapaa valinta. Leikkauksessa ei synny myöskään lämpöä eikä vaarallisia höyryjä tai pölyä. Haittoja ovat korkea melutaso ja komposiittilaminaateilla mahdollinen delaminoituminen, jos suihkun nopeus pienenee käyttöhäiriöissä. Lisäksi vesi voi tunkeutua kerrosten väliin tai lujitteisiin sekä lujitteita että laminaatteja leikattaessa. Erittäin epähomogeenisilla materiaaleilla, kerroslevyillä ja suurilla paksuuksilla vesisuihkun leveneminen tai suunnanmuutos voi aiheuttaa hylättävän leikkausreunan.

Kuvassa 5.67 on annettu ohjeellisia arvoja lujitemuovilaminaattien leikkausnopeuksille vesisuihkuleikkauksessa. Arvot pätevät kaikille yleisesti käytetyille lujitteille.

MKR 12.6

Kuva 5.67 Vesisuihkuleikkauksen nopeuksia eri paksuisille lujitemuovilaminaateille.

5.3.2      Hionta

Laminaatin hiontaa käytetään viimeistelyssä, pinnan karhennuksessa ennen jatkolaminointia tai liimausta ja myös ylimääräisen materiaalin poistamiseen. Hiontaan suositellaan korkeita kierroslukuja (yli 20 000 r/min). Kuivahionnassa sopivat paperin karkeudet ovat 40…100 ja vesihionnassa normaalisti 240 tai 320. Muottipintojen viimeistelyssä käytetään kaikkein hienoimpia papereita aina 1000:een asti.

Laminaattien hionnassa kannattaa muistaa laminaattien heikko lujuus repiviä kuormia vastaan. Pinnan hionnassa hiontasuunnan tulisikin olla keskeltä reunalle päin. Näin vältetään parhaiten delaminaatioriski.

5.3.3      Stanssaus

Stanssausta käytetään sekä lujitteiden että myös valmiiden laminaattien leikkauksessa.

Laminaattiin voidaan stanssata reikiä tai muita aukkoja. Stanssaustyökalun ja vastinkappaleen välykseksi suositellaan puolta siitä, mitä käytetään teräkselle. Lujitemuoveille on myös kehitetty omia stanssaustyökaluja. Menetelmä ei ole kovin laajassa käytössä ja soveltuu vain suhteellisen ohuille (alle 5 mm) laminaateille.

Lujitteiden ja prepregien stanssaus on käytössä sarjatuotantoteollisuudessa, jossa tarvitaan satoja samoilla mitoilla leikattuja lujiteaihioita. Stanssauslinjan toimintakaavio on esitetty kuvassa 5.68.

Stanssaus on nopeudeltaan moninkertainen laser- ja vesisuihkuleikkaukseen verrattuna. Samoin sen investointikustannukset ovat pienemmät eo. menetelmiin verrattuna, ellei toimintaa automatisoida hyvin pitkälle. Komposiittimateriaalien stanssauksessa käytetään joko hydraulisia palkkipuristimia tai rullapuristimia.

Leikkuualustan tulee olla yhteensopiva leikattavan materiaalin kanssa. Komposiittimateriaaleille on käytössä mm. polypropeeni- ja polyamidialustoja. Stanssaustyökalu voidaan valmistaa takomalla karkaistusta teräksestä. Yleisin tapa on kuitenkin käyttää teräksisiä veitsityyppisiä teriä, jotka asennetaan puiseen tukikehikkoon. Ydinaineiden stanssausta varten on kehitetty erikoisia sahanteräreunaisia tai erikoiskorkeita stanssaustyökaluja.

MKR 12.7

Kuva 5.68 Lujitteiden ja prepregien stanssauslinja.

5.3.4      Poraus

Komposiittien poraukseen vaaditaan erikoisteriä, mikäli halutaan moitteettomia reikiä. Laminoitu rakenne delaminoituu pinnoistaan tai laminaatin keskeltä, mikäli käytetään vääräntyyppisiä teriä tai vääriä leikkuunopeuksia. Lisäksi riskinä on lujitteiden irtoaminen tai laminaatin rispaantuminen etenkin, kun laminaatti on lujitettu heikosti leikkautuvilla aramidilujitteilla.

Lasi- ja hiilikuiduilla lujitetut laminaatit kuluttavat ja tylsyttävät normaalit poranterät hyvin nopeasti. Tuotantomittakaavan porauksiin suositellaankin volframkarbidi- tai timanttipinnoitteisia teriä.

Poranterien kallistuskulman tulisi olla positiivinen. Näin voidaan pienentää tarvittavaa painetta ja vähentää materiaalin lämpenemistä. Myös muulla terän muotoilulla voidaan parantaa porausnopeutta ja lastujen poistumista porausreiästä.

Kuvassa 5.69 on esitetty kolme erilaista volframilla pinnoitettua poranterää. Tyyppejä a ja c käytetään automaattisissa porissa. Malli b on puolestaan tarkoitettu normaaleihin porakoneisiin. Terän sisällä oleva jousisysteemi vetää terää takaisinpäin, kun materiaali on läpäisty. Näin se estää viimeisen laminaattikerroksen delaminaation. Suositellut leikkuunopeudet näillä terillä ovat 1,5…3 m/s.

MKR 12.8

Kuva 5.69 Lujitemuovien poraukseen suunniteltuja teriä.

Lasikuitulujitettujen muovien poraus onnistuu varsin hyvin myös normaaleilla poranterillä. Erilaisilla kovametallipinnoituksilla saadaan terien ikä kohtuullisiksi. Hyvä taustatuki ja laminaatin jäähdytys etenkin paksuilla laminaateilla parantaa tulosta.

Hiilikuitulujitettujen muovien poraus vaatii myös taustatuen normaaleilla poranterillä. On myös kehitetty erikoisteriä, joilla saadaan hyvä poraustulos ilman taustatukea. Kuvassa 5.70 on esitetty erityisesti hiilikuitulujitetuille muoveille kehitetty poranterä, joka tekee samalla kartioupotuksen. Tälle terälle optimikierrosluku on 2800 rpm ja syöttö 0,04 mm/kierros. Lisäksi porauksessa on käytetty jäähdytystä. Käsiporakoneilla käytetään hieman toisentyyppisiä teriä ja pienempiä kierroslukuja.

MKR 12.9

Kuva 5.70 Hiilikuitulaminaatin poraukseen ja kartioupotukseen soveltuva terä.

Aramidikuiduilla lujitetut muovit ovat hankalimpia porata. Kuitujen repeytymisen estämiseksi pyritään periaatteessa lujite jännittämään ja sen jälkeen leikkaamaan poikki. Poranterä on C:n muotoinen ja se leikkaa ulkoa sisäänpäin. Hyviä tuloksia on saatu 5000 rpm:n pyörintänopeudella ja 0,03 mm/kierros syötöllä. Kuvassa 5.71 on aramidikuidulla lujitettujen laminaattien poraukseen soveltuva poranterä.

MKR 12.10

Kuva 5.71 Aramidilujitteisten laminaattien poraukseen suunniteltu terä.

Metallien ja komposiittimateriaalien yhdistelmien porauksessa on käytetty hyvällä menestyksellä automaattiporausta, jossa terä nostetaan välillä ylös, jolloin myös porauslastut poistuvat. Mikäli metallihiukkasia ei poisteta porauksen aikana, ne aikaansaavat epätarkkuutta komposiittiosan reikään.

5.3.5      Lastuava työstö

Lujitemuovien lastuava työstö on varsin harvinaista. Sorvausta käytetään putkistojen osien valmistuksessa ja se onnistuu hyvin normaaleja metallityökaluja käyttäen. Tylsillä terillä on vaarana delaminaatio kuten muissakin työstömenetelmissä. Jyrsintä onnistuu myös konventionaalisilla terillä. Jyrsintänopeus on säädettävä niin pieneksi, että saadaan hyvä leikkausjälki ilman delaminaatioita.

Lujitemuovikappaleiden valmistuksessa tarvitaan yleensä muotti ja muotin valmistamiseksi mahdollisesti malli. Valmistustekniikka ja kappaleen muoto asettavat erilaisia vaatimuksia muottisuunnittelulle. Tavallisimmat suunnitteluparametrit ovat:

• sarjasuuruus
• kovetuslämpötila
• muottipaine
• mittatarkkuus ja lämpölaajeneminen
• lämmönjohtavuus
• muotin paino ja jäykkyys
• kustannukset
• valmistusprosessin erityisvaatimukset.

Mallien ja muottien oikealla materiaalinvalinnalla ja konstruktiolla on erittäin merkittävä osuus sekä prototyyppikappaleiden onnistumiseen että sarjatuotteiden taloudellisuuteen. Kappaleiden dimensiot, päästöt ja pyöristykset vaikuttavat oleellisesti muottien kestoon, samoin muottien käsittely ja kappaleiden irrotustavat.

5.2.1      Mallit

Mallimateriaalilta vaaditaan helppoa muotoiltavuutta, mittapysyvyyttä ja edullista hin­taa. Mallista tehdään harvoin kovin monta muottia, joten sen kes­tävyys ei ole merkittävä valintakriteeri. Lämpölaajenemiskerroin ei myöskään ole merkittävä tekijä, mikäli muotit voidaan valmistaa huoneenlämpötilassa.

Avomuottien mallit tehdään puusta, savesta, kipsistä, hartsipastoista, vaahdoista tai muovimateriaaleista valamalla, laminoimalla, 3D-tulostamalla tai työstämällä. Mikäli muotin kovetus vaatii korkean lämpötilan, voidaan myös käyttää esim. grafiittia. Malleja valmistetaan myös solumuoveista tai erityisistä mallimateriaaleista. Tyypillisiä mallimateriaaleja ovat uretaani- ja epoksi/mikropallo-seokset.

Monien suljettujen menetelmien puristuspaineet ovat niin korkeita, että ne vaativat teräsmuotit. Muotit valmistetaan useimmiten työs­tämällä ilman mallia. Suurten mallien valmistuksessa on yleistynyt numeerisesti ohjattujen työstökoneiden käyttö. Työstöaihio eli karkea malli rakennetaan valmiista (uretaani- tai epoksipohjaisista) paneeleista liimaamalla tai pursottamalla vaahdon päälle pastaa.

5.2.2      Muottimateriaalit

Muottimateriaalien pääasialliset valintakriteerit ovat kulumiskes­tävyys ja lämmönkesto. Vähiten rasittuvat huoneenlämpötilassa kovetettavien käsinlaminointituotteiden muotit. Kovimmillaan olosuhteet ovat kuumalujien teknisten kestomuovien ruiskuvalussa tai jatkuvilla kuiduilla lujitettujen kestomuovilevyjen puristuksessa. Kaikilla korkean lämpötilan valmistustekniikoilla muottien ja valmistettavien kappaleiden lämpölaajenemiskertoimien tulisi olla ainakin likimain samansuuruiset. Näin voidaan minimoida lopullisen kappaleen mittamuutokset.

Valettavat kertamuovit

Pienten kappaleiden muottimateriaaleina voidaan käyttää valettavia kertamuoveja. Tavallisin on epoksi, jolla on kohtuullisen pieni kovettumiskutistuma. Sopivilla täyteaineilla voidaan myös lisätä kulumiskestävyyttä, pienentää muottien kutistumaa, painoa ja lämpölaajenemista. Puhtaan hartsin lujuus ja jäykkyys ovat alhai­sia, mistä syystä valumuotteja käytetään harvoin suurten kappa­leiden valmistuksessa. Lämpölaajenemiskerroin on suuri, mikä puo­lestaan hankaloittaa valumuottien käyttöä korotetuissa lämpötiloissa.

Tyhjiössä valettuja silikonimuotteja käytetään etenkin ruiskuvalutuotteiden prototyyppejä ja näytekappaleita valmistettaessa. Sekä silikonimuotti että kappale valetaan alipainekammiossa. Kuvassa 5.43 on esitetty muotin ja kappaleen valmistusvaiheet.

MKR 11.1

Kuva 5.43 Alipaineessa valetun silikonimuotin sekä prototyyppikappaleen valmistusvaiheet.

Lasikuitulujitetut kertamuovit

Lujitemuovit ovat tyypillisiä muottimateriaaleja avomuottimenetelmissä sekä pienillä muottipaineilla toimivissa puristus- ja injektiomenetelmissä. Lasikuitulujitetut kertamuovimuotit ovat lujuudeltaan hyviä, niiden paino on alhainen ja ne voidaan helposti jäykistää joko kerroslevyrakenteella tai jäykisterivoin. Hinnal­taan materiaali on erittäin kilpailukykyinen ja soveltuu erinomai­sesti myös prototyyppivalmistukseen. Muottien valmistuksen nopeuttamiseksi ja kutistumien minimoimiseksi on markkinoilla nykyisin alumiintrihydraattitäytettyjä hartsisysteemejä. Niillä voidaan laminoida suuria kerrospaksuuksia ja kovettumiskutistuma saadaan lähes eliminoitua. Tyypillisen lujitemuovimuotin valmistusvaiheet on esitetty kuvassa 5.44.

Lasikuitulujitettujen muottien pahimpia haittapuolia ovat rajoitettu kulumis- ja lämmönkestävyys. Joihinkin sovellutuksiin muottien mittapysyvyys ei myöskään ole riittävä tai lämpölaajeneminen on liian suuri. Epoksihartseista valmistetut muotit ovat mittatarkempia ja kestävämpiä kuin polyesteripohjaiset muotit. Riittävän leveät ja jäykät reunat ovat muottien keston kannalta oleellisia yksityiskohtia.

MKR 11.2

Kuva 5.44 Lujitemuovimuotin valmistusvaiheet.

Hiilikuitulujitetut kertamuovit

Hiilikuitulujitettuja avomuotteja käytetään etenkin hiilikuitulujitettujen tuotteiden valmistuksessa. Laminaatin pieni lämpölaajenemiskerroin, joka on samaa suuruusluokkaa kuin valmistettavilla kappaleilla, on pääasiallisena syynä materiaalinvalintaan. Lämpölaajenemiskertoimien yhteneväisyys mahdollistaa monimutkaistenkin kappaleiden mittatarkan valmistuksen. Kuumalujia matriisimuoveja käyttämällä muotit saadaan kestämään autoklaavikovetuksessa käytettävät kovetuslämpötilat. Muotit ovat erittäin keveitä ja lämpenevät nopeasti. Materiaalin hintataso on moninkertainen lasikuitulujitettuihin muoveihin verrattuna.

Hiilikuitulujitettujen kuten myös muiden laminaattirakenteisten muottien huonona puolena on anisotrooppisuus. Laminaattitasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa lämpölaajenemisominaisuudet poikkeavat huomattavasti tason suuntaisista ominaisuuksista. Tämä aikaansaa muotin vääristymistä korotetuissa lämpötiloissa. Lämpötilasyklit voivat myös aiheuttaa kerrosten välisiä mikrohalkeamia, jotka puolestaan pienentävät muotin käyttöikää. Anisotrooppisuuden haittapuolia voidaan vähentää hyvällä muottisuunnittelulla ja hartsivalinnalla. Lämpöjännityksiä voidaan pienentää jonkin verran laminoimalla muotit pienehköistä paloista. Tällöin muotissa ei ole koko muotin mittaisia jatkuvia lujitteita.

Korkean lämpötilan muotteja valmistettaessa tehdään usein ”ylimääräiset” muotit huoneenlämpötilassa kovettuvista materiaaleista. Näin myös lopullisen muotin malli on valmistettu laminoidusta hiilikuidusta, jolla on sama lämpölaajenemiskerroin. Hiilikuitulujitetun muotin eri valmistusvaiheet on esitetty kuvassa 5.45.

MKR 11.3

Kuva 5.45 Hiilikuitulujitetun muotin valmistusvaiheet.

Ruiskutettavat ja elektrolyyttisesti pinnoitettavat metallit

Sarjakoon kasvaessa tulee muotin pinnan kulumiskestävyys muotin materiaalivalinnassa entistä tärkeämmäksi. Metallimuottien kalleudesta johtuen on kehitetty erilaisia metallisia muottikuoria, joilla saadaan esimerkiksi lujitemuovimuotille kova ja kulutusta kestävä sisäpinta.

Metallikuoren paksuus on muutamia millimetrejä. Tämä kuori jäykis­tetään lujitemuovilla (paksuus 6…8 mm), muovilla, betonilla tai muulla edullisella muottimateriaalilla. Itse kuoren valmistus tapahtuu joko ruiskuttamalla tai elektrolyyttisesti pinnoittamalla.

Ruiskutettavia metalliseoksia ovat sinkki-, tina-sinkki- sekä tina-vismuttiseokset. Yhteistä näille on alhainen sulamislämpötila (noin 150…200 °C), jolloin mallin lämpötilan keston ei tarvitse olla korkea eikä ruiskutuslaitteisto vaadi suuria tehoja. Niin kutsutussa termisessä ruiskutuksessa, jossa metalli sulatetaan kaasuliekillä tai valokaarella, voidaan käyttää myös korkeammassa lämpötilassa sulavia metalleja.

Ruiskutettavan metallikuoren valmistus on nopeaa ja taloudellista. Suurimpana haittana on metallikuoren huokoisuus. Ruiskutetun metallikuoren pinnan laatu ei olekaan kaikkiin sovellutuksiin riittävän hyvä. Ruiskutettavat metallit soveltuvat prototyyppivalmistukseen suursarjamenetelmissä sekä myös keskisuurille sarjoille, jos puristus­paineet ja lämpötilat ovat kohtuulliset.    

Elektrolyyttisessä pinnoituksessa malli asetetaan katodiksi elektrolyyttiliuokseen. Mikäli malli ei johda sähköä, se pinnoitetaan ohuella hopeakerroksella. Anodilta liukenevat ionit saostuvat mallin pinnalle ja muodostavat vähitellen sen pinnalle metallikuoren. Kuoren paksuus valmiissa muotissa on noin 5 mm. Tavallisin pinnoitemateriaali on nikkeli, jolla saadaan tiivis ja kulutusta kestävä pinta. Mallimateriaalin vaatimukset eivät ole erityiset. Sen on kestettävä kosteutta ja 30…40 °C:n lämpötila ilman mittamuutoksia.

Elektrolyyttinen pinnoitus tapahtuu hitaasti. Tasaisen paksuuden aikaansaaminen vaatii ammattitaitoa. Tuloksena on kuitenkin pinnanlaadultaan hyvä ja kevyt muotti, joka soveltuu myös suursarjatuotan­toon ja vaativiin kovetusolosuhteisiin. Valmistusmenetelmä ei sinänsä aseta rajoituksia muotin koolle. Ainoana käytännön rajoituksena on elektrolyyttialtaan koko. Kuvassa 5.46 on esitetty elektrolyyttipinnoituksen työvaiheet.

MKR 11.4

Kuva 5.46 Elektrolyyttisesti pinnoitetun nikkelikuorimuotin valmistusvaiheet.

Keraamit

Perinteisiä valettavia keraameja käytetään prototyyppimuotteina etenkin korkean kovetuslämpötilan vaativilla materiaaleilla. Hyvän lämmönkeston ohella keraamimuottien etuna on alhainen lämpölaajenemiskerroin.

Valettavien keraamimuottien paksuudet ovat 100…200 mm, mistä syystä muotit ovat raskaita ja hitaasti lämpeneviä. Pinta on huokoinen ja vaatii tiivistyksen. Valmistustekniikaltaan valettava keraami on yksinkertainen eikä vaadi erikoistyökaluja. Näin sekä materiaaali- että työkustannukset ovat alhaiset.

Keraameja käytetään myös muottien matriisiaineena muovien sijasta. Lujituksena on tällöin tavallisesti hiilikuitu. Alussa vaivanneet kestävyysongelmat ovat vähentyneet ja nykyisillä keraamiseoksilla pystytään valmistamaan kestäviä, ohutseinämäisiä ja alhaisen lämpölaajenemisen omaavia muotteja.

Kuumalujien muottien materiaalina käytetään myös kemiallisesti sidottuja keraameja, joissa on metalli- tai keraamipartikkeleita SiC-matriisissa. Niiden lujuus perustuu kemiallisiin sidoksiin ja lujitukseen. Näillä pystytään valmistamaan 15…20 mm:n vahvuisia muotteja, jotka ovat keveitä, nopeasti lämpeneviä ja isotrooppisen rakenteensa vuoksi kestäviä lämpötilavaihteluja vastaan.

Metallit

Metallien lujuus, kestävyys ja mittatarkkuus ovat tehneet ne ylivoimaisiksi materiaaleiksi korkeissa paineissa ja korotetuissa lämpötiloissa toimivien tuotantomuottien materiaalina.

Alumiinit ja teräkset ovat tyypillisiä muottimateriaaleja. Alumiinin pinnan pehmeys ja varsinkin valetulla alumiinilla pinnan huokoisuus rajoittavat sen käyttöä suurilla muottipaineilla ja sarjoilla. Edullisuutensa vuoksi alumiini on suosittu useiden puristinmenetelmien prototyyppi- ja piensarjamuoteissa.

Teräs on tyypillisin muottimateriaali suurten paineiden ja sarjojen valmistusmenetelmissä kuten ruiskuvalussa, SMC:n ja GMT:n puristuksessa sekä pultruusiossa. Työkaluterästen kestävyys on erinomainen ja huollon tarve pieni. Myös mittatarkkuus on hyvä. Toi­saalta suuri tiheys nostaa isojen muottien massan epäkäytännöllisen suureksi. Samoin muottien valmistuksessa käytettävän työstön hitaus ja kalleus nostaa kustannukset korkeiksi. Muottien toimitusajat ovat helposti kuukausia.

Mittatarkoissa korkean lämpötilan muoteissa käytetään teräs-nikkeli-seoksia (Invar), joiden lämpölaajenemiskerroin on alhainen. Prototyyppivalmistuksessa käytetään valettavia sinkkiseoksia, joista tunnetuin on kirksiitti. Sen pinnan kovuus ei ole riittävä suursarjavalmistukseen. Kirksiitin etuna on sen uudelleenkäytettävyys.

Yhteenveto

Muottimateriaalin valintaan vaikuttavat niin monet tekijät, että yksiselitteisesti parasta tai ainoaa oikeaa materiaalia voi harvoin osoittaa. Mikään materiaali ei myöskään täytä kaikkia vaatimuksia. Tavallisimpien muottimate­riaalien ominaisuuksia on kerätty taulukkoon 5.19.

Taulukko 5.19 Muottimateriaalien ominaisuuksia.

* Lämpenemisessä otettu huomioon tyypillinen seinämänvahvuus muottirakenteena.

Kuvassa 5.47 on annettu hieman tarkempia arvioita eri muottimateriaalien kestävyydestä. Kestävyyteen vaikuttavat oleellisesti kappaleen muoto, lämmitysjaksojen nopeus, irrotusaineet ja muotin huolto. Kuvassa 5.48 on suuntaa antavia tietoja eri materiaaleista valmistettujen muottien hinnoista.

MKR 11.5

Kuva 5.47 Eri muottimateriaalien kestävyys.

MKR 11.6

Kuva 5.48 Eri materiaaleista ja eri tekniikoilla valmistettujen muottien suhteellisia hintoja.

5.2.3      Muottikonstruktiot eri valmistustekniikoilla

Avomuotit

Käsinlaminointi ja ruiskulaminointi ovat tyypillisiä avomuottimene­telmiä, joissa saadaan vain kappaleen toinen pinta sileäksi. Muotista voidaan tehdä uros- tai naaraspuolinen lopputuotteen vaatimusten mukaisesti. Kappaleen muodoista riippuen muotti val­mistetaan yhdestä tai useammasta osasta niin, että kappaleen irrotus on mahdollista. Muutaman asteen päästöt ja kohtuulliset nurkkapyöristykset riittävät muottien yleissuunnitteluohjeiksi.

Avomuottimenetelmissä laminaatti kovetetaan yleensä huoneenlämpötilassa. Näin muottien materiaalivalinta ja suunnittelu on suhteellisen helppoa. Tyypillinen käsinlaminointi- tai ruiskutusmuotti on valmistettu lasikuitulujitetusta epoksista tai polyesteristä. Pienten kappaleiden muotit voidaan valmistaa 5…10 mm:n umpilaminaattina. Suuret muotit jäykistetään jäykistein tai kerroslevyrakenteella. Konstruktion jäykkyyden määrää muotin oma paino ja sallitut taipumat. Laminaatin paksuuksia voidaan joutua lisäämään, jotta jäykisteet eivät ”peilautuisi” muottipinnalle.

Laminaattirakenteet ovat yleensä symmetrisiä ja kvasi-isotrooppisia eli laminointitasossa jatkuvia lujitteita on pääsuunnissa 0°, 90°, +45° ja -45° yhtä paljon. Lujittamiseen voidaan käyttää myös matto/kudos-rakennetta. Materiaalikustannusten alentamiseksi ja laminoinnin nopeuttamiseksi voidaan käyttää täyteaineita. Muotin pin­nassa käytetään erityistä muottigelcoatia, joka on normaalia kovempaa ja paksumpana sallii myös hiontaa. Gelcoatin jälkeinen lujite on usein kevyttä kudosta tai pintahuopaa. Näin saadaan tasainen muottipinta, josta lujitekuvio ei näy läpi.

Alipaineinjektiomuoteiksi soveltuvat normaalit käsinlaminointimuotit, jotka on varustettu riittävän leveillä reunuksilla alipainesäkin ja hartsinjohtoputkien liittämiseksi. Muottien on oltava tiiviitä. Tämä voidaan varmistaa alipainesäkillä ennen laminointia. Joustavaa vastamuottia käytettäessä tiivistykset ja hartsinjohtokanavat voidaan valmistaa suoraan vastamuottiin. Tämä nopeuttaa oleellisesti työskentelyä.

Puristus-, paineinjektio- ja RIM-tuotteiden muotit

Matalapainetekniikoilla tulee muotin jäykkyys kriittiseksi. Vaikka kylmä- ja kuumapuristuksessa sekä suljettujen muottien paineinjektiossa ja RIM:ssä puristuspaineet ovat vain muutamia baareja, nousevat puristusvoimat nopeasti useisiin tonneihin.

Kylmäpuristusmuottiin on suunniteltava ilmanpoisto. Se voidaan tehdä käyttäen tiivistysaluetta (kuva 5.49), jolla olevat kuivat lujitteet laskevat ilman lävitseen, mutta estävät hartsin ulostulon. Muotti voidaan varustaa myös leikkaavilla reunoilla, jotka katkaisevat lujitteet muotin sulkeutuessa (kuva 5.49).

MKR 11.7

Kuva 5.49 Kylmäpuristusmuotti tiivistävällä ja leikkaavalla reunalla.

Kylmäpuristusmuoteissa voidaan käyttää rakennemateriaalina lujitemuovia tai valettavia hartseja. Muotin jäykkyys saadaan aikaan riittävällä muotin seinämävahvuudella tai erillisellä tukirakenteella. Puristinta varten joudutaan pinnat tasaamaan, mikä jo yleensä aikaansaa riittävät rakennepaksuudet. Mikäli sarjat ovat suuria, voidaan muotti pinnoittaa metalliruiskutuksella tai käyttää myös metallimuottia.

Kuumapuristuksessa lämmitys aikaansaadaan joko puristimen levyillä tai muottia lämmittämällä. Yleisin tapa on öljy- tai vesikierrätys muottiin asennetuissa putkistoissa. Korotettu lämpötila vaatii muottimateriaaleilta parempia lämmönkesto-ominaisuuksia kuin kylmäpuristuksessa. Samoin muotin suunnittelussa on pyrittävä mahdollisimman tasapainotettuihin rakenteisiin mitta- ja muotopysyvyyden varmistamiseksi. Muilta osin muotit ovat samanlaisia kuin kylmäpuristuksessakin. Muotin jäähdytys voidaan tehdä joko vesi- tai öljykierrolla.

Paineinjektiossa hartsi injektoidaan jopa 5…7 baarin paineella. Laakeat muottipinnat onkin jäykistettävä riittävästi. Muotti koostuu tavallisesti 12…20 mm:n paksuisesta kuoresta, joka on jäykistetty profiileilla tai valamalla. Valuun käytetään kertamuoveja, kevytbetonia tai muita vastaavia materiaaleja. Valun huonona puolena on suurilla muoteilla korkea paino ja lämmitetyssä prosessissa hidas lämpeneminen. Profiileilla (yleensä teräsprofiili) jäykistettäessä voidaan peilautuminen estää riittävällä laminaattipaksuudella tai kerroslevyn käytöllä (kuva 5.50). Muottionkalon valmistuksessa voidaan käyttää kalibroituja vahalevyjä.

MKR 11.8

Kuva 5.50 Profiileilla ja kerroslevyrakenteella jäykistetty paineinjektiomuotti.

Mikäli muotti on lämmitettävä, kuoren ja jäykisteiden väliset lämpölaajenemiserot on otettava huomioon. Jäykistävä rakenne voidaan suunnitella vapaasti liikkuvaksi tietyissä suunnissa. Kuvassa 5.51 on esimerkkinä teräsprofiileilla jäykistetty muottikuori, jossa kuoren ja profiilien väliseen kiinnitykseen on käytetty ohuita terästankoja. Näin muottikuori voi laajeta vaakasuorassa suunnassa lähes vapaasti muottia lämmitettäessä.

Perinteisessä paineinjektiossa muotit toimivat itsenäisesti. Muotit lukitaan ja aukaistaan esimerkiksi salvoilla. Tulevaisuudessa siirryttäneen entistä enemmän puristimien käyttöön, jolloin muotin sulku ja aukaisu saadaan nopeaksi.

MKR 11.9

Kuva 5.51 Teräsprofiileilla jäykistetty lämmitettävä muottikuori, joka pääsee liikkumaan vapaasti vaakasuorassa tasossa.

RIM-menetelmässä ja sen muunnoksissa muotti asetetaan puristuslaitteeseen, jossa muotin asentoa voidaan muutella. Tarkoituksena on löytää sopivin asento ilmanpoiston kannalta. Ilmanpoisto hoidetaan ilmanpoistokanavilla tai reunuksella. Muilta osin muottien rakenteet ovat vastaavat kuin puristusmenetelmissä. Materiaalivaihtoehdot ovat myös samat, sillä ruiskutuspaine on reaktiovalussa vain hieman korkeampi kuin kylmä- tai kuumapuristuksessa. Hartsinsyöttö tapahtuu RIM-menetelmässä reunasyöttönä ja lujitetuilla muunnoksilla muotin keskelle. Syöttöpisteiden valinta on tärkeää ilmataskujen välttämiseksi lujitetuilla menetelmillä.

Kuvassa 5.52 on esitetty metalliruiskutuksella tehtävän RIM-muotin valmistusvaiheet. Sama tekniikka soveltuu myös SMC- ja GMT-tuotteiden muottivalmistukseen.

MKR 11.10

Kuva 5.52 Metalliruiskutuksella valmistettavan RIM-muotin työvaiheet.

BMC- SMC- ja GMT-tuotteiden muotit

BMC- ja SMC- menetelmissä puristuspaineet ovat jo niin korkeita, että sarjatuotantotyökalut valmistetaan metallista. Muottipinnat on kromattu tai karkaistu pinnan kovuuden lisäämiseksi.

Muotit voivat olla ns. vaakapursemuotteja, positiivimuotteja tai näiden yhdistelmiä eli puolipositiivimuotteja. Vaakapursemuotissa yläpuoliskon liike rajataan alamuotilla. Tämä muottityyppi sovel­tuu vain matalille kappaleille, joissa virtausmatkat ovat lyhyet. Normaalisti käytetään positiivimuottia, jossa kovetuspaine vaikuttaa koko puristusvaiheen ajan. Tämä parantaa tuotteen pinnanlaatua ja mahdollistaa pitkät juoksumatkat. Toisaalta se edellyttää myös tarkkaa materiaalin annostusta, jotta seinämien paksuudet pysyvät vakioina ja ilmaraot toimivat ajatellulla tavalla. Vaakapurse-, positiivi- ja puolipositiivimuottien periaatteet on esitetty kuvassa 5.53.

MKR 11.11

Kuva 5.53 Puristusmuottien perustyyppejä.

SMC-muotit ovat lämmitettäviä. Jäähdytystä ei käytetä, vaan kappale otetaan muotista kuumana ja sen annetaan jäähtyä jigin pääl­lä. Ilmanpoisto tapahtuu kuristusraon kautta samaan tapaan kuin muissakin puristusmenetelmissä. SMC-puristusmuotin periaate on kuvassa 5.54.

Lujitettuja kestomuovilevyjä puristetaan periaatteiltaan vastaavissa muoteissa. Muotit eivät ole kuitenkaan lämmitettäviä, vaan materiaali kovettuu jäähtyessään muotissa.

MKR 11.12

Kuva 5.54 SMC-muotin periaate.

Ruiskuvalutuotteiden muotit

Ruiskuvalutuotteiden muotit ovat monimutkaisuudeltaan aivan eri luokkaa kuin muissa lujitemuovikappaleiden valmistusmenetelmissä. Varsinainen kappaleen muottionkalo on vain osa koko muotista, joka sisältää sulan materiaalin syöttö- ja jakokanaviston, jäähdytyselementit, kiinnitysosat ja ulostyöntäjät. Muotit voivat olla hyvinkin moniosaisia, jolloin eri osille tarvitaan omat liikutuselimet. Lisäksi sarjasuuruudesta ja kappaleen koosta riippuen voi yhdessä muotissa olla useita muottipesiä.

Teräs on käytännössä ainoa ruiskuvalutuotteiden muottimateriaali. Muotteja voi myös koota käyttäen standardoituja osia muottipesän ulkopuolisissa rakenteissa. Monimutkaisten kappaleiden valussa joudutaan syöttö- ja jakokanavien paikat ja lukumäärät suunnittelemaan hyvinkin tarkasti onnistuneen lopputuloksen aikaansaamiseksi. Periaatteena on saada mahdollisimman nopea ja tasainen muotin täyttyminen, jolloin minimoidaan kylmäsaumat ja pitkien valumatkojen aikaansaama materiaalin suuntautuminen. Viimeksi mainittu on ongelmana etenkin lujitettuja muoveja ruiskuvalettaessa.

Muoteissa voivat jakokanavat olla joko kylmiä tai lämmitettäviä. Edellisessä tapauksessa kappaleeseen jäävät kovettuneet valutapit joudutaan leikkaamaan valmiista kappaleesta jälkikäteen. Kuvassa 5.55 on esitetty ruiskuvalumuottien periaatekaaviot sekä kylmillä että lämmitettävillä jakokanavilla.

MKR 11.13

Kuva 5.55 Ruiskuvalumuotteja.

Prepreg-tuotteiden muotit

Prepregeistä valmistettavat tuotteet ovat tyypillisesti isoja ja laakeita kappaleita. Prepregit vaativat korotetun kovetuslämpötilan ja tietyn lämpötilan nousunopeuden. Kappaleiden tulisi myös olla muoto- ja mittatarkkoja, mikä vaatimus useiden neliömetrien kokoisille kappaleille ei ole helppo.

Yleensä kappale pysyy parhaiten muodossaan, kun se kovetetaan mahdollisimman pitkälle muotissa. Prepregien kovetuslämpötilat ovat 80…200 °C. Muottimateriaalilta edellytetään vähintään samaa tai mieluummin korkeampaa lämpötilankestoa. Korkea lämmönkesto lisää muottien käyttöikää, joten usein käytetään selvästi kovetuslämpötilaa korkeamman lämmönkeston omaavia muottihartseja. Materiaaleja käsittelevässä luvussa on kerrottu useammasta mahdollisesta vaihtoehdosta.

Kovetuksessa käytettävä autoklaavi lämmitetään normaalisti kiertoilmalla. Näin lämmön siirtyminen muotin kautta kappaleeseen täytyy olla suhteellisen nopeaa. Prepregien hartsin virtausten kannalta olisi myös edullista, että kovettuminen alkaisi kappaleen pohjalta eli muottipinnasta lähtien. Autoklaavimuottien perusrakenteena on ohut jäykistetty kuori. Tällä rakenteella saadaan muoteista keveitä ja lämmönsiir­tyminen tarpeeksi nopeaksi.

Metallinen muottikuori on tyypillisesti noin 5 mm:n paksuinen. Hiilikuitulujitetuista muoveista valmistetussa muotissa kuoren paksuus on samaa luokkaa. Muottien valmistukseen on omia prepreg-laatuja. Laminoiduissa muoteissa muottigelcoatia ei käytetä tai käytetään korkeintaan hyvin ohuena kerroksena lämpöhalkeamien välttämiseksi. Keraamimuottien on oltava edellisiä selvästi paksumpia.

Muottikuori jäykistetään poikittaiskaarilla tai levymäisillä pituus-/poikittaisjäykisteillä. Jäykistyksen suunnittel­ussa on otettava huomioon lämmitysilman hyvä kierrätysmahdollisuus muotin takapinnalla. Samoin tulisi välttää liian suuria materiaalipaksuuksien eroja muottirakenteissa. Nämä johtavat epätasaiseen muotin lämpenemiseen, joka puolestaan voi aiheuttaa prepreg-materiaalin kovetusongelmia. Metallimuoteille on kirjallisuudessa annettu lämpölaajenemisen korjauskertoimia, jotka ovat 0,1 % teräs- ja 0,2 % alumiinimuoteille. Autoklaavimuotti vaatii ylimääräisen reunuksen alipainepussia ja ilmanjohtokerroksia varten. Alipaine imetään suurissa kappaleissa useista eri pisteistä, jotka ovat 1,5…2 m:n päässä toisistaan.

Kuvassa 5.56 on esitetty autoklaavimuotin tukirakenteen periaate. Tässä tapauksessa kyseessä on hiilikuitulujitettu kuori, joka on tuettu hiilikuitulujitteisella arinarakenteella. Vahvistus on laminoitu muottikuoreen epäjatkuvilla laminaateilla, jolloin kuoren ja tukirakenteen välys on luokkaa 1,5…3 mm.

MKR 11.14

Kuva 5.56 Esimerkki autoklaavimuotin tukirakenteesta.

Elastomeerien ja kumien suurta lämpölaajenemista voidaan käyttää hyväksi prepreg-osien valmistuksessa paineen aikaansaamiseksi. Periaatteessa muotti toimii kuvan 5.57 mukaisesti. Sisämuottina toimiva elastomeeri laa­jenee voimakkaasti lämpötilan kohotessa ja aikaansaa laminaatin tiivistykseen tarvittavan muottipaineen. Elastomeerilla on mahdollista kontrolloida muottipainetta tarkasti ja säädellä sitä laajoissa rajoissa aina yli 100 baarin paineeseen asti.

Elastomeereja käytetään varsinkin monimutkaisten integraalirakenteiden valmistuksessa. Tyypillinen esimerkki on integraalijäykistetty lentokoneen siipipaneeli, jossa ulkopinnan muotti on normaali autoklaavimuotti. Pituusjäykisteiden puristuspaine sivusuunnassa saadaan aikaan elastomeerimuotilla (kuva 5.58).

MKR 11.15

Kuva 5.57 Elastomeerimuotin periaate.

MKR 11.16

Kuva 5.58 Integraalijäykisteiden valmistus elastomeerimuottia käyttäen.

Korkean lämpötilan muoteissa mittatarkkuus ja erilaiset vääristymät edellyttävät hyvää materiaalivalintaa ja suunnittelua. Mallin ja muotin perusmateriaalien lämpölaajenemiskertoimien yhtäläisyys vähentää mittapoikkeamien mahdollisuuksia. Mallien lämpölaajenemista voidaan myös pienentää jäykisteillä tai muottikuoren sisään upotetuilla tangoilla. Prepreg-laminoidun muotin kerrosten välitiivistykset, huolellinen laminointi ilmahuokosia ja lujitteiden vääristymistä välttäen vähentää mittavirheitä. Laminaattirakenteiden tulisi olla kvasi-isotrooppisia. Muottikuoren kovetus mallin päällä ainakin jonkin verran korotetussa lämpötilassa parantaa myös lopputulosta. Muotti voidaan myös varustaa sisäkerroksella, joka työstetään mittoihin vasta muotin jälkikovetuksen jälkeen.

Kuvassa 5.59 on esitetty yleisimpiä muottien virheitä ja niiden mahdollisia syitä. Muottikuori voi olla valettu tai laminoitu ja se on varustettu tukirakenteella.

Kuva 5.59 Muottivirheitä ja niiden syitä.

Kelausmuotit

Kelauksessa ja punonnassa käytetään sisäpuolisia, pyörähdyssymmetrisiä muotteja tai tuurnia. Muotit voivat olla yksittäiskappalevalmistukseen tarkoitettuja kertakäyttömuotteja tai sarjatuotantomuotteja. Kertakäyttömuotit tehdään matalassa lämpötilassa sulavista metalliseoksista tai vesiliukoisista hiekka/kipsi-seoksista. Kertakäyttömuotin valmistus voi tapahtua esimerkiksi kuvan 5.60 mukai­sesti valamalla.

MKR 11.17

Kuva 5.60 Kertakäyttöisen kelausmuotin valmistus valamalla.

Kokoonpainuvia tuurnia käytetään etenkin putkien ja sylinterivaippojen valmistuksessa. Muotin rakenteena on normaalisti poikittaiskaarilla jäykistetty kuori. Kuoressa on aukaistava kiilapala ja sarana, jolla muotti saadaan kokoonpainuvaksi. Kuori on valmistettu metallista, lujitemuovista tai muusta vastaavasta materiaalista. Muotin pinta tiivistetään kertakäyttöisellä muovikalvolla.

Suurissa sarjoissa tehtävien putkien muotteina käytetään paksuseinäisiä terästuurnia, joiden pinta on hiottu ja mahdollisesti kromattu. Niissä voi olla päästöä, mutta putken poisto tuurnalta on mahdollista ilman päästöäkin, kun käytettään riittävän tehokkaita ulosvetokoneita.

Kelaamalla tehdään myös tuotteita, joissa tuurna jää kappaleen sisään ja toimii osana rakennetta. Tyypillisiä ovat yhdistelmäputket, joissa kestomuoviputken päälle kelataan painekuormat kantava lujitemuovikerros. Samoin valmistetaan paineastioita metallikuoren päälle. Metallikuori antaa paineastialle kaasuja ja nesteitä läpäisemättömän tiiviin sisäkerroksen ja lujitemuovirakenne paineenkeston.

Pultruusiomuotit

Pultruusiomuotti joutuu toimimaan jatkuvasti korkeassa paineessa ja lämpötilassa. Lisäksi lujitteet hankaavat liikkuessaan muotin sisäpintoja. Muotit valmistetaankin erittäin kulutuskestävistä materiaaleista, jotka nekään eivät anna kovin pitkää käyttöikää. Tyypillisesti pultruusiomuotti kestää muutaman kymmenen kilometrin tuotannon, mikäli tuote on muodoiltaan yksinkertainen.

Pultruusiomuotti on useimmiten avattava kaksi- tai useampiosainen rakenne, jota ympäröi tukirunko. Muottia lämmitetään vastuspannoilla tai -levyillä. Onttoja profiileja valmistettaessa tarvitaan lisäksi sisätuurna, joka voi olla myös lämmitettävä. Sisätuurna on kelluva eli se on kiinnitetty vain toisesta päästään. Sisätuurna pysyy paikallaan lujitteiden sopivalla ohjauksella. Pultruusiomuotin periaaterakenne on esitetty kuvassa 5.61.

MKR 11.18

Kuva 5.61 Pultruusiomuotin periaaterakenne.

Pultruusiomuotit ovat 500…1500 mm pitkiä. Muotit valmistetaan karkaistuista työkaluteräksistä tai useimmiten kromilla pinnoitetusta työkaluteräksestä. Muotissa ei ole päästöä. Ainoastaan muotin suulla on pieni pyöristys tai kartio lujitteiden kulun helpottami­seksi. Muotin seinämien mitoituksessa tulee ottaa huomioon hartsin lämmetessään aikaansaama paine, joka on useita kymmeniä baareja.

Pultruusioprosessin toimivuuteen ja tuotteitten laatuun vaikuttaa oleellisesti kuitujen ohjaus muottiin. Sopivilla esimuotoilusuuttimilla pyritään lujitteiden asemat saamaan lähelle lopullisia. Samoin kuitujännitykset olisi saatava vakioiduiksi, mikäli halutaan valmistaa suoria profiileja.

---

Muovikomposiittikappaleiden valmistukseen on olemassa useita perusmenetelmiä. Niitä on lisäksi muunneltu tai yhdistelty toisiinsa. Tässä luvussa käsitellään yleisesti tunnetut perusmenetelmät ja tavallisimmat yhdistetyt menetelmät. Tarkastelussa rajoitutaan lujitemuovituotteiden valmistustekniikoihin täydennettynä reaktiovalulla (RIM), joka perusmuodossaan luetaan seostettujen muovituotteiden valmistustavaksi.

5.1.1   Menetelmien ryhmittely

Kuvassa 5.1 on esitetty lujitemuovituotteiden valmistusmenetelmien pääryhmät, ryhmiin kuuluvat valmistustekniikat ja niiden tavallisimmat muunnokset.

Kuva 5.1 Lujitemuovituotteiden valmistusmenetelmät.

Laminointimenetelmiin kuuluvat käsinlaminointi, ruiskulaminointi ja kuitukelaus muunnoksineen. Laminaatti valmistetaan kerroksittain avomuottiin, jossa se voidaan kovettaa joko ilman ulkoista painetta tai ali-/ylipaineella puristaen. Käsinlaminointi voidaan jakaa edelleen märkälaminointiin ja kuiva- eli prepreg-laminointiin. Edellisessä lujitteet kostutetaan nestemäisellä hartsilla. Jälkimmäisessä käytetään esikyllästettyjä puolivalmisteita eli prepregejä.

Puristusmenetelmissä raaka-aine puristetaan muotoonsa. Materiaali voidaan asettaa muottiin joko puolivalmisteena tai komponenteittain. Raaka-aine voidaan myös annostella siirtosylinteriin ja edelleen männän avulla muottionkaloon. Edellistä kutsutaan ahtopuristusmenetelmäksi, jälkimmäistä siirtopuristusmenetelmäksi.

Ahtopuristus jaetaan edelleen kylmä- ja kuumapuristukseen. Edellisessä menetelmässä tuote muovataan normaalissa lämpötilassa. Kuumapuristuksessa materiaalia pehmennetään ja/tai kovetusta nopeutetaan ulkoisella lisälämmöllä joko lämmittämällä materiaalia tai muottia.

Kuumapuristusmenetelmät luokitellaan usein käytettävän puolivalmisteen mukaan BMC-, SMC- ja GMT-menetelmiin. Tarkkaan ottaen nämä eivät ole erillisiä valmistusmenetelmiä, vaan raaka-aine- tai puolivalmistetyyppejä. Termit ovat vakiintuneita ammattikäytössä ja niitä käytetään myös tässä esityksessä.

Injektiomenetelmissä matriisi tai kaikki komponentit syötetään muottiin joko paineen avulla tai valamalla. Paineinjektiossa eli RTM-menetelmässä matriisi injektoidaan ylipaineella ja tarvittaessa alipaineen avustuksella suljettuun muottiin. Alipaineinjektiossa hartsi imetään alipaineella muottipuoliskon ja alipainekalvon tai joustavan muottipuoliskon väliseen tilaan, johon on asetettu lujitteet tai lujiteaihio. Kalvoinjektiossa matriisi on hartsikalvoina lujitekerrosten välissä tai muotin pinnalla ensimmäisenä kerroksena. Ylämuottina toimii tässäkin menetelmässä normaalisti alipainekalvo.

Suulakemenetelmissä tuotteen pituus voi olla periaatteessa ääretön. Nimensä menetelmät ovat saaneet tuotteen muotoiluun käytettävästä suulakkeesta tai muotista, jonka läpi tuote kulkee valmistuksen aikana. Suulakemenetelmillä valmistetaan putkia ja profiileja. Menetelmät on kehitetty erityisesti vakiopoikkipintaisille volyymituotteille.

Valssaus on erikoismenetelmä profiloitujen levyjen jatkuvatoimiseen valmistukseen.

5.1.2   Märkälaminointi

Märkälaminoinnissa lujitteet asetellaan kerroksittain avoimeen muottiin käsin ja käsityökaluin. Lujitteet kostutetaan ja kostutetut kerrokset telataan tasaisiksi ja ilmattomiksi. Hartsi levitetään siveltimellä, lastalla, maalausrullalla tai myös ruiskuttamalla. Lujitemuodoista ja työtavasta riippuen lujitteet kostutetaan lujitekerroksen alapuolelta, päältä tai molemmilta puolilta. Laminaatin ilmanpoisto tehdään polyesterilaminaateilla ilmanpoistoteloja käyttäen. Epokseilla työskenneltäessä ilmanpoisto voidaan tehdä myös pensselillä. Parhaan tuloksen saavuttamiseksi ilmanpoistotelaus suositellaan tehtäväksi jokaiselle kerrokselle erikseen. Märkälaminoinnin työvaiheet on esitetty kuvassa 5.2.

MKR 10.4

Kuva 5.2 Märkälaminoinnin perustyövaiheet.

Materiaalit

Märkälaminointiin soveltuvat useimmat lujitemuodot ja lujitetyypit. Edulliseen kilohintaan ja kohtuullisiin lujuus- ja jäykkyysominaisuuksiin pyrittäessä on laminaattien lujitteena lasikuitu joko katkokuitumattona tai rovingkudoksena. Hartsina on joko orto- tai isoftaalipolyesteri. Vaativissa kohteissa, joissa lujuus, lämmönkesto tai väsymisominaisuudet ovat kriittisiä, käytetään lujitteena ohuita lasi-, aramidi- tai hiilikuitukudoksia ja hartsina tavallisesti epoksia tai vinyyliesteriä.

Käsinlaminoinnissa lujitteilta vaaditaan helppoa kasteltavuutta ja muotoiltavuutta. Mattolujitteilla käytettävyyden erot riippuvat lähinnä sideaineen määrästä ja laadusta. Nopeimmin liukenevat emulsiosideaineet ja hitaimmin korroosionkestävissä tuotteissa käytetyt pulverisideaineet. Kuitujen ja sideaineen tasainen jakautuma vaikuttaa työskentelyn nopeuteen ja laminaatin laadun tasaisuuteen.

Kudosten käytettävyys vaihtelee kudostyypin ja kudoksen neliöpainon mukaan. Tasavaltainen rovingkudos soveltuu lievästi kaareville muodoille. Jos valmistetaan kaksoiskaarevia pintoja tai tuotteissa on pieniä kaarevuussäteitä, on järkevämpää käyttää toimikas- tai satiinisidoksisia lankakudoksia. Yhdensuuntais- ja moniaksiaalilujitteet ovat käyttökelpoisia, kun valmistetaan suunnatut lujuusominaisuudet omaavia laminaatteja.

Lujitemuodosta riippumatta on aina syytä varmistaa, että lujitteiden sideaineet ja pinnoitteet ovat yhteensopivia käytettävän hartsin kanssa. Kudotut lujitteet on tavallisesti viimeistelty perushartseille yhteensopiviksi. Hartsikohtaisesti räätälöityjä lujitteiden viimeistelyjä on myös saatavilla.

Työskentelyn kannalta oleellisimmat hartsin ominaisuudet ovat viskositeetti, työskentelyaika ja haihtuvien liuotteiden määrä. Näihin kaikkiin vaikuttavat myös ulkoiset tekijät, lähinnä työskentelytilan ja hartsin lämpötila sekä ilman kosteus.

Polyesterihartsien viskositeetti määräytyy käytettävien liuotteiden laadusta ja määrästä. Sitä voidaan jonkin verran säätää esimerkiksi styreenimäärällä. Yleensä hartseja ei kuitenkaan enää muunnella laminointipaikalla. Märkälaminointiin tarkoitetut epoksihartsit ovat nykyään liuotevapaita, joten niiden viskositeettia voi säädellä työskentelypaikalla vain lämpötilaa muuttamalla. Parhailla märkälaminointihartseilla viskositeetti on huoneenlämpötilassa 400…500 mPas. Kuvassa 5.3 on esitetty yleispolyesterihartsin hyytymisaika eri kovetemäärillä ja eri lämpötiloissa.

MKR 10.5

Kuva 5.3 Yleispolyesterin hyytymisajat kovetemäärän ja lämpötilan funktioina.

Työskentelyaikaa joudutaan usein muuttamaan kappaleen koosta, valmistustavasta tai ulkoisista olosuhteista riippuen. Polyesteri- ja vinyyliesterihartseilla tämä tehdään kovetussysteemiä muuttamalla. Eri kovete/kiihdyte/hidaste-kombinaatioilla voidaan työskentelyaikaa säätää laajoissa rajoissa. Erittäin pitkän kovetusajan omaavilla hartseilla joudutaan käyttämään jälkikovetusta, jotta kovettumisaste saadaan riittäväksi. Epokseilla työskentelyaikaa voidaan säädellä kovetevalinnalla. Monet epoksit kovettuvat varsin pitkälle huoneenlämpötilassa. Täydellinen kovettuminen edellyttää useimmiten jälkikovetusta korotetussa lämpötilassa, tyypillisesti noin 80 °C:ssa muutaman tunnin ajan. Jälkikovetuksessa lopputuotteen lujuusominaisuudet paranevat ja murtovenymä kasvaa.

Märkälaminointi edellyttää ilmastoinnin täyttääkseen nykyiset työsuojelumääräykset. Myös materiaalivalinnalla voidaan vaikuttaa terveydelle vaarallisten aineiden määrään ja laatuun. Esimerkiksi styreenin haihtuvuutta voidaan merkittävästi pienentää lisäaineilla. Tyypillisesti näissä ”miljööhartseissa” käytetään lisäaineena parafiinia. Nykyiset märkälaminointiepoksit ovat liuotevapaita ja lähes hajuttomia. Märkälaminointiin liittyviä työturvallisuusseikkoja tarkastellaan lähemmin luvussa 10.

Laminointi

Märkälaminoinnissa tuotteen laatuun vaikuttavat sekä ulkoiset olosuhteet että työntekijän ammattitaito ja tarkkuus. Materiaalien säilytys asianmukaisissa olosuhteissa ja niiden käyttökelpoisuuden toteaminen on ensimmäinen edellytys laadukkaan tuotteen valmistukselle. Laminointitilan lämpötilan ja kosteuden on oltava suositelluissa rajoissa, jotta hartsit kovettuvat kunnolla ja saavutetaan halutut lujuusarvot. Hartsin ja kovetteen annostelun on etenkin epokseilla työskenneltäessä oltava tarkka. Yleensä suositellaan korkeintaan ± 2 %:n toleranssia sekoitusmäärissä.

Itse laminoinnissa on lujitteiden kostutukseen käytettävä oikea määrä hartsia. Liian pieni määrä johtaa huonoon kerrostenväliseen leikkauslujuuteen ja huokoiseen laminaattiin, jonka lujuus ja säänkesto eivät ole parhaat mahdolliset. Toisaalta liiallinen hartsin käyttö on turhaa, sillä se johtaa ylipainoon ja ylimääräisiin kustannuksiin. Laminaatteihin jää helposti myös paksuusvaihteluja ja hartsivalumia.

Kertamuovien kovettumisreaktio on eksoterminen eli lämpöä synnyttävä. Lämpömäärä ja maksimilämpötila nousevat kerralla laminoitavan kokonaispaksuuden mukana. Liiallisen lämpenemisen estämiseksi paksut laminaatit valmistetaankin vaiheittain. Hartsityypistä ja käytetystä kovetussysteemistä riippuen suurimman kerralla laminoitavan kerroksen paksuus vaihtelee 4 mm:stä 20 mm:iin.

Kovetus

Märkälaminoitu tuote voidaan kovettaa vapaasti muotissa. Tarvittaessa laminaatin tiivistystä tehostetaan paineenkäytöllä. Paine saadaan aikaan tavallisimmin alipainesäkillä, joskus myös ylipainesäkillä.

Alipainesäkkiä käyttämällä laminaatin lujitepitoisuus saadaan korkeammaksi ja huokoisuus alhaisemmaksi verrattuna laminaatin vapaaseen kovetukseen. Erityisen käyttökelpoinen alipainekovetus on kerroslevyjen ydinaineen liimauksessa. Ydinaine voidaan liimata laminointihartsilla laminointivaiheessa tai erikseen kovettuneen laminaatin päälle. Alipainesäkin käyttö normaaliin märkälaminointiin sovellettuna on esitetty kuvassa 5.4.

MKR 10.6                         

Kuva 5.4 Alipainesäkin käyttö märkälaminoinnissa.

Alipainesäkkikovetusta käytetään lähinnä epoksipohjaisten laminaattien valmistuksessa, sillä normaaleilla polyestereillä tapahtuu alipaineessa styreenin kiehumista, jos alipaine on pienempi kuin 0,4…0,5 baaria. Usein pyritään myös korkeisiin lujuusarvoihin, joten on luonnollista käyttää kudottuja lujitteita.

Alipainesäkin käyttö soveltuu suurten ja laakeiden kappaleiden valmistukseen. Kovetus on melko hidas johtuen käytettävistä hartsisysteemeistä, joita ei voi lämmittää kovin paljon kovetusajan lyhentämiseksi. Alipainesäkki ei rasita muottia, joten valmistuksessa voidaan käyttää normaaleja käsinlaminointimuotteja.

Painesäkkikovetuksessa laminaattia puristava paine aikaansaadaan kumipussin avulla kuvan 5.5 mukaisesti. Muotti toimii paineastiana ja vaatii hiukankin suuremmilla paineilla erittäin jäykän konstruktion. Toisaalta myös painetta voidaan korottaa suuremmaksi kuin pelkällä alipaineella toimittaessa eikä menetelmällä ole alipaineen hartseille asettamia rajoituksia.

Ominaisuuksiltaan painesäkkikovetetut kappaleet ovat samankaltaisia kuin alipainesäkillä kovetetut. Valmistusprosessia voidaan nopeuttaa lämmittämällä muottia esim. höyryllä. Muotin jäykkyysvaatimus rajoittaa taloudellisesti valmistettavien osien koon suhteellisen vaatimattomaksi.

MKR 10.7

Kuva 5.5 Painesäkin käyttö kovetuksessa.

Lopputuote

Taulukossa 5.1 on esitetty tavallisimpia märkälaminoitujen laminaattien virheitä ja niiden mahdollisia syitä.

Taulukko 5.1 Laminaattivirheitä ja niiden syitä.

Edut ja haitat

Märkälaminointi mahdollistaa varsin vapaan materiaalien ja rakenteiden valinnan. Sillä pystytään valmistamaan suuria ja monimutkaisia kappaleita kohtuullisin muotti- ja laitekustannuksin. Märkälaminoinnin tärkeimmät edut ja haitat on lueteltu taulukossa 5.2

Taulukko 5.2 Märkälaminoinnin etuja ja haittoja.

5.1.3   Prepreg-laminointi

Prepreg-materiaali toimitetaan muovikalvolla tai kahden muovikalvojen väliin pakattuna. Kalvot poistetaan ennen prepregin leikkausta mittoihinsa tai sen jälkeen. Prepreg-kerrokset asetellaan muottiin halutussa järjestyksessä ja suunnassa. Kerrokset telataan toisiinsa mahdollisimman tiiviisti ja ilmattomasti. Laminoitaessa jyrkkiä kaarevuuksia prepregiä tavallisesti pehmennetään lämminilmapuhaltimella taipuisuuden parantamiseksi. Paksuille prepreg-laminaateille suoritetaan välitiivistys alipainesäkin avulla noin 5 kerroksen välein.

Laminoitu prepreg-kappale alipainesäkitetään kovetusta varten. Tavallisesti kovetus tehdään lämmitettävässä paineastiasssa eli autoklaavissa. Kovetustapaa kutsutaan autoklaavikovetukseksi. Kuvassa 5.6 on esitetty normaalin autoklaavikovetuksen tarveaineet, kun raaka-aineena on prepreg. Kuvan tapauksessa prepregissä on ylimäärä hartsia, joka imeytetään prosessin aikana imuhuopiin. Nykyään on siirrytty entistä enemmän ns. no-flow laatuihin, joista ei poisteta hartsia prosessin aikana.

MKR 10.8

Kuva 5.6 Autoklaavikovetuksen tarveaineet ja niiden sijoitus alipainesäkissä.

Autoklaavissa tehtävällä kovetuksella pyritään minimoimaan ilmahuokosten määrä laminaatissa ja saamaan tuotteeseen korkea lujitesisältö, joka tyypillisesti on noin 60 t%. Samalla suoritetaan laminaatin jälkikovetus. Imukankaiden määrää, painetta, lämpötilaa ja aikaa muuttamalla haetaan kullekin kappaleelle ja prepreg-systeemille sopiva kovetusprosessi. Kuvassa 5.7 on esitetty tyypillinen kovetusjakso. Kuvan mukaisesti kovetusjaksossa on 30-60 minuutin mittainen vakiolämpötilavaihe, kun prepreghartsi on saavuttanut minimiviskositeetin ns. dwell-lämpötilassa. Tämän vaiheen aikana prepregeissä oleva ilma saadaan poistumaan mahdollisimman hyvin ja itse lujitekerrokset pääsevät liukumaan toistensa suhteen helposti. Vaiheen jälkeen lämpötila nostetaan lopulliseen kovetuslämpötilaan.

MKR 10.9

Kuva 5.7 Prepregistä valmistetun kappaleen tyypillinen kovetusjakso autoklaavissa.

Prepreg-nauhojen laminointiin on kehitetty myös automaattisia laminointikoneita. Ne perustuvat samoihin periaatteisiin kuin moniaksiaaliset työstökoneet. Työkalun sijasta manipulaattorin päässä on laitteisto, joka syöttää prepreg-nauhan muotin pinnalle halutussa kulmassa, tiivistää sen ja katkaisee halutun pituiseksi. Koneilla voidaan laminoida sekä kerta- että kestomuoviprepregejä. Ne soveltuvat lähinnä suorien ja loivasti kaarevien pintojen laminointiin. Nauhalaminointikoneen periaate on esitetty kuvassa 5.8.

Kuva 5.8 Nauhalaminointikone.

Prepreg-laminointi autoklaavikovetuksineen on kehitetty rakenteellisesti vaativien tuotteiden valmistukseen, lähinnä lentokone- ja avaruusteollisuuden tarpeisiin. Tavoitteena on ollut kontrolloidusti tapahtuva suurten kappaleiden valmistus, jossa saavutetaan mahdollisimman korkeat lujuusarvot ja tasainen laatu. Tämä heijastuu itse menetelmän taloudellisuuteen ja nopeuteen, jotka eivät ole olleet ensisijaisia tavoitteita. Etuja ja haittoja on kuvattu taulukossa 5.3.

Taulukko 5.3 Prepreg-laminoinnin ja autoklaavikovetuksen etuja ja haittoja.

 

5.1.4   Ruiskulaminointi

Ruiskulaminoinnissa lujitteet ja hartsi ruiskutetaan ns. ruiskutuspistoolin avulla muotin pinnalle. Roving-lujite katkotaan halutun mittaisiksi katkokuiduiksi ruiskutuspistooliin kiinnitetyllä leikkurilla. Samanaikaisesti pistoolissa sekoitetaan hartsi ja kovete keskenään. Katkotut lujitteet kulkevat pistoolin aikaansaaman hartsisuihkun mukana muotille (kuva 5.9).

MKR 10.10

Kuva 5.9 Ruiskulaminoinnin periaate.

Ruiskutetun laminaattikerroksen ilmanpoisto suoritetaan telaamalla kuten märkälaminoinnissa. Haluttaessa voidaan ruiskutettujen kerrosten väliin laminoida kudoksia tai muita lujitteita tai asettaa ydinaine. Laminaatti kovetetaan joko huoneenlämpötilassa tai hieman korotetussa lämpötilassa. Pinnassa voidaan käyttää gelcoatia, maalia tai muovilevyä.

Ruiskutuslaitteiston pääkomponentit ovat hartsi- ja kovetepumput, kuituleikkuri ja sekoituspää. Eri valmistajien laitteet eroavat toisistaan lähinnä sekoituspään osalta. Pumppuina käytetään mäntäpumppuja. Kuitu leikataan kaksirullaisella leikkurilla. Toinen rulla on kumitettu ja toiseen on kiinnitetty ohuita teriä säteettäin tasaisin välein kuvan 5.10 mukaisesti. Roving-langan veto ja leikkaus tapahtuvat näiden rullien välissä.

MKR 10.11

Kuva 5.10 Leikkurin periaatekuva.

Hartsi ja kovete sekoitetaan joko sekoituspään ulkopuolella (ulkoinen sekoitus) tai itse sekoituspäässä (sisäinen sekoitus). Sekoittamiseen voidaan käyttää apuna ilmaa (matalapainesekoitus) tai hartsi ja kovete ruiskutetaan korkealla paineella sellaisenaan.

Erilaiset sekoitustavat vaikuttavat muodostuvan hartsisuihkun leveyteen, ilmapitoisuuteen ja kovetteen haihtumiseen. Ruiskulaminoinnissa on ehkä tavallisin sisäinen matalapainesekoitus. Tällä saadaan riittävä pisaranmuodostus ilman kovetesumua ja hyvä kovetteen sekoittuminen hartsiin. Sen sijaan geeliruiskutuksessa vaaditaan hyvän lopputuloksen aikaansaamiseksi pienen pisarakoon antava korkeapaineruisku.

Ruiskulaminointi on tuottavuudeltaan moninkertainen käsinlaminointiin verrattuna. Se soveltuu pienille ja keskisuurille sarjoille, kun tuotteelle ei aseteta erityisiä lujuusvaatimuksia. Tyypilliset valmistettavat tuotteet ovat erilaisia muotokappaleita, soutuveneitä ja pieniä säiliöitä. Kuten avomuottimenetelmissä yleensäkin muottikustannukset ovat kohtuullisia eikä ruiskutuslaitteiston hintakaan ole korkea.

Ruiskulaminoinnissa ei käytännössä useinkaan käytetä muuta lujitusta kuin katkottua rovingia. Näin myös lujuusominaisuudet ovat varsin vaatimattomat. Nykyiset työsuojeluvaatimukset edellyttävät tehokasta ilmastointia ja suojausta työntekijälle. Tämä lisää investointikustannuksia ja nostaa välillisesti menetelmän muuten alhaista kustannustasoa.

Toistaiseksi ruiskutus tehdään pääosin manuaalisesti. Työn laatu ja tasaisuus riippuvat hyvin paljon työntekijän ammattitaidosta. Ruiskulaminointia automatisoidaan entistä enemmän, jolloin työn laatu saadaan tasaisemmaksi ja ruiskutus voidaan tehdä suljetussa tilassa.

5.1.5   Kuitukelaus ja sen muunnokset

Kuitukelaus ja sen eri muunnokset ovat avomuottimenetelmiä, joita käytetään lähinnä sylinterimäisten tai kartiomaisten kuorien valmistamiseen. Muotti on normaalisti koiraspuolinen.

Kuitukelaus

Kuitukelauksessa kuitukimput kostutetaan altaassa ja johdetaan pyörivälle muotille kuvan 5.11 mukaisesti. Kun riittävä ainevahvuus saavutetaan, laminaatin annetaan kovettua muotilla tai kappale siirretään muotteineen kovetusuuniin. Muotti poistetaan laminaatin kovetuttua.

Kelauskulma saadaan halutuksi koordinoimalla kastelualtaan ja pyörivän muotin liikkeitä. Kelattavien kuitukimppujen lukumäärällä säädetään nauhan leveys ja nousu sopivaksi, yleensä muottipinnan täysin kerralla kattavaksi kerrokseksi. Tässä yksinkertaisimmassa muodossa kelaus soveltuu mm. putkien valmistukseen.

MKR 10.13

Kuva 5.11 Kuitukelauksen periaate.

Kun kelauksen vapausasteita lisätään, menetelmä soveltuu hyvinkin monimutkaisten kappaleiden valmistukseen. Kuvassa on 5.12 esitetty peruskelaustavat ja kuusiaksiaalinen kelauskone. Luonnollisesti kelaustapahtuman ohjaus vaikeutuu vapausasteiden määrän lisääntyessä. Kelausgeometrioiden suunnitteluun on saatavissa ohjelmistoja, joita käytetään myös koneen ohjelmointiin.

MKR 10.14

Kuva 5.12 Peruskelaustavat ja kuusiaksiaalinen kelauskone.

Kelauskoneen oleellisia ominaisuuksia ovat lujitteiden tasainen jännittäminen kelauksen aikana, kelauspään ohjauksen tarkkuus ja toistettavuus eri kerroksille, käännöksissä tapahtuvan materiaalihukan minimointi (esim. putkien päät) ja muottien käsittelyn järjestelyt. Lujitteiden kostutukseen on olemassa useita erilaisia allas/puristintela-systeemejä, jotka rajoittavat kelausnopeutta. Kelattavien kappaleiden koolle ei ole olemassa teknistä ylärajaa. Suurimmat vaakasuorassa toimivissa koneissa kelatut putket ovat halkaisijaltaan 6…7 m. Pystysuorassa toimivilla koneilla on valmistettu noin 20 m:n halkaisijaisia kappaleita. Kelauskoneet voivat olla myös jatkuvatoimisia. Tällöin muotti on rakennettu esim. jatkuvasta teräsnauhasta.

Kelausta käytetään määrällisesti eniten korroosionkestävien putkien ja säiliöiden valmistukseen. Erilaiset polyesterilaadut ovat yleisimpiä kelaushartseja. Erityiskohteissa käytetään myös epoksi- ja fenolihartseja. Märkäkelaushartseilta vaaditaan riittävän alhaista viskositeettia nopean kostutuksen aikaansaamiseksi ja pitkää työskentelyaikaa. Usein pitkän työskentelyajan hartsisysteemit vaativat korotetun lämpötilan kovettuakseen. Tuotetta voidaan lämmittää muotilla lämpölamppujen avulla tai kappale muotteineen voidaan siirtää kovetusuuniin.

Kelauslujitteiden on kuljettava langanohjaimissa nukkaantumatta ja katkeilematta. Lisäksi niiden tulisi kostua mahdollisimman nopeasti ja hyvin. Lujitteena kelauksessa on tavallisesti lasikuituroving, mutta myös katkokuitumatot, pintahuovat ja kudokset ovat mahdollisia. Useimmiten viimeksi mainitut lujitemuodot kelataan muotin päälle kapeahkona nauhana. Ne voidaan lisätä kostuttamattomina roving-kerrosten väliin tai kostuttaa altaassa ennen kelausta.

Kertamuovipohjainen tuote voidaan kelata myös prepregistä, jolloin kasteluallasta ei tarvita. Työ on samalla siistimpää ja lopputuotteen laatu parempi kuin märkäkelauksessa.

Kelaus soveltuu myös lujitettujen kestomuovituotteiden valmistukseen. Tällöin prepreg-nauha lämmitetään paikallisesti muotin pinnalla sulamispisteeseen ja puristetaan kiinni alla olevaan kerrokseen. Sulatuksen ja tiivistyksen periaate on esitetty kuvassa 5.13.

Kuva 5.13 Kestomuoviprepregin sulatus ja tiivistys kelausmenetelmässä.

Kelattujen tuotteiden mekaaniset ominaisuudet ovat hyvät, sillä lujitteet ovat jatkuvia ja suunnattuja. Lisäksi menetelmällä on mahdollista saada korkea lujitesisältö. Ominaisuudet vastaavat parhaimmillaan prepreg-laminoinnilla ja autoklaavikovetuksella saavutettavia arvoja. Kelaus mahdollistaa lisäksi haluttujen lujitesuuntausten käytön tuotteen lujuusvaatimusten mukaisesti.

Kelaus soveltuu monimutkaistenkin kappaleiden valmistukseen. Kappaleiden on oltava muodoltaan sellaisia, että kuiduissa säilyy jatkuvasti vetojännitys kelauksen aikana. Tämänkin jälkeen voidaan kappaleita muotoilla erikseen esim. puristusmenetelmillä. Kelattujen tuotteiden pääasiallinen lujitus on halvimmassa muodossaan ja menetelmän tuottavuus on korkea. Valmis tuote on erittäin kilpailukykyinen sekä ominaisuuksiltaan että hinnaltaan.

Kuitulaminointi

Kuitulaminointi on kuitukelauksen ja nauhalaminoinnin yhdistelmä. Se on automatisoitu menetelmä, jossa prepreg-touvi tai touveista muodostuva nauha telataan muottiin haluttuun paikkaan halutussa suunnassa. Tällä tekniikalla voidaan laminoida myös kaarevia ja negatiivisen päästön omaavia kappaleita, koska kuiduissa ei tarvita vetojännitystä laminointivaiheessa. Koneet on suunniteltu lähinnä lentokoneiden suurien komponenttien kuten siipien ja runkojen laminointiin. Laiteinvestoinnit ovat erittäin korkeat. Kuitulaminointikoneen periaate on esitetty kuvassa 5.14.

Kuva 5.14 Kuitulaminointikoneen periaate.

Punonta

Punonta on oikeastaan lujitteiden käsittelytapa kuten lujitekankaan kudonta. Punonnassa yksittäiset kuitukimput pujotellaan toistensa yli ja ali. Näin muodostuu kaksi- tai kolmidimensionaalisia yhtenäisiä lujiterakenteita. Tyypillinen punos on sylinterimäinen ”sukka”. Kelatun ja punotun rakenteen erot on esitetty kuvassa 5.15.

MKR 10.15

Kuva 5.15 Kelattu ja punottu rakenne.

Punontatekniikalla on mahdollista valmistaa myös 3D-lujiteaihioita mm. I-palkkien, jäykistettyjen paneelien, nokkakartioiden, auton runkojen yms. valmistukseen. Itse punontakone on vanha keksintö. Tärkein osa on lankarullien pyöritysjärjestelmä ja siihen liittyvät lankojen ohjaimet (kuva 5.16).

MKR 10.16

Kuva 5.16 Punontakone.    

Punos voidaan valmistaa kuivista lujitteista tai prepregistä. Kuivien lujitteiden kostutus punontakoneessa on hankalaa, joten kostutus tapahtuukin usein eri vaiheessa esim. paineinjektio- tai puristustekniikalla.

Punotun rakenteen lujitus voi olla kaksi- tai kolmiaksiaalista tai kolmessa dimensiossa. Rakenteen edut tulevat esille varsinkin iskumaisissa kuormissa, jolloin toistensa lomitse kulkevat lujitteet rajoittavat iskuvaurion etenemistä tehokkaasti. Kolmidimensionaalisella lujituksella rakenteiden kesto muita kuin tasossa esiintyviä kuormia vastaan on myös oleellisesti parempi kuin normaaleilla lujiterakenteilla. Punontaa käytetäänkin yleensä, kun valmistettavalta kappaleelta vaaditaan erityisominaisuuksia iskulujuuden tai laminaattitasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa esiintyvien kuormitusten suhteen.

Kelauksen ja punonnan väliset pääasialliset erot on esitetty taulukossa 5.4.

Taulukko 5.4 Kelauksen ja punonnan eroja.

Käärintä

Käärintä on kehitetty pyörähdyssymmetristen ohutkuoristen kappaleiden valmistukseen. Materiaalin on oltava puolivalmisteena joko prepreginä tai esikostutettuna. Materiaali leikataan valmistettavan kappaleen pituiseksi aihioksi, joka tämän jälkeen kääritään mekaanisesti muotin päälle. Seinämän paksuudesta ja laminaattirakenteesta riippuen käärintä voidaan tehdä yhdessä tai useammassa vaiheessa. Erilaisia käärintätapoja on esitetty kuvassa 5.17.

MKR 10.17

Kuva 5.17 Erilaisia käärintätapoja.

Kääritty kappale kovetaan muotin päällä. Prepregin edellyttämä kovetuspaine saadaan aikaan esimerkiksi kappaleen päälle kelatulla kutistuskalvolla tai painesäkillä. Valmistuksessa voidaan myös käyttää ulkopuolista muottia, jolloin kappale kääritään paineletkun päälle, minkä jälkeen kappale asetetaan muottiin ja puristuspaine johdetaan letkun sisään.

Tyypilliset käärimällä valmistettavat kappaleet ovat ohutseinäisiä urheiluvälineitä tai niiden varsia. Menetelmä on nopea ja pitkälle automatisoitavissa. Sillä pystytään valmistamaan mittatarkkoja ja korkeat lujuusarvot omaavia tuotteita.

5.1.6   Paine- ja alipaineinjektio

Paineinjektiossa ja alipaineinjektiossa nestemäinen hartsi injektoidaan muottiin aseteltuihin kuiviin lujitteisiin tai lujiteaihioon yli- ja/tai alipaineen avulla. Hartsi voi olla myös aihiossa kalvona tai muuna vastaavana tuotteena. Tällöin hartsi saatetaan ensin juoksevaan tilaan, minkä jälkeen lujitteet kyllästetään. Seuraavassa näitä menetelmiä tarkastellaan yhdessä.

Menetelmäkuvaukset

Paineinjektiossa eli RTM-menetelmässä (Resin Transfer Moulding) lujitteet tai lujiteaihio asetellaan muottiin, muotti suljetaan ja muottiin injektoidaan hartsi ylipaineella. Tarvittaessa voidaan käyttää myös alipainetta. Kun injektointivaihe on päättynyt, kappale kovetetaan, poistetaan muotista ja viimeistellään. Prosessi on esitetty kuvassa 5.18.

Paineinjektiosta on kaksi variaatiota. Perinteisessä matalan lujitesisällön paineinjektiossa valmistettavan kappaleen lujitepitoisuus on melko alhainen, jolloin injektioprosessi on nopea. Vaativiin sovelluksiin kehitetyssä korkean lujitesisällön paineinjektiossa injektionopeudesta tingitään, jotta kappaleen lujitepitoisuus saataisiin korkeaksi.

MKR 10.18

Kuva 5.18 Paineinjektio-menetelmän periaate.

Alipaineinjektiossa (Vacuum Injection Moulding, Vacuum Injection Process) kappale valmistetaan avoimella muotilla. Toinen muottipinta korvataan alipainesäkillä tai joustavalla muottipuoliskolla. Perusmenetelmässä hartsi imetään lujitteisiin alipaineen avulla. Injektiota voidaan joissakin tapauksissa nopeuttaa ylipaineella. Ylipaineen on luonnollisesti oltava itseisarvoltaan pienempi kuin alipaineen, jotta menetelmä toimisi. Hartsin virtausta voidaan edistää erillisillä hartsinjohtokerroksilla, erikoislujitteilla ja kerroslevyrakenteissa myös ydinaineen urituksella. Hartsinjohtokerroksina käytetään erilaisia verkkoja. Erikoislujitteista esimerkkejä ovat yhdistelmälujitteet, joissa normaalien lujitteiden lisänä on hartsia hyvin johtava huopakerros.

Alipaineinjektiomenetelmän periaate on esitetty kuvassa 5.19. Mikäli tuotteen molemmat pinnat halutaan sileiksi tai sarjasuuruus on riittävä, voidaan alipainesäkki korvata joustavalla muottipuoliskolla, johon on usein yhdistetty myös hartsinjohtokanavat ja muottien reunatiivistykset. Joustava muotti valmistetaan tavallisesti elastomeerista tai lujitemuovista.

Kuva 5.19 Alipaineinjektion periaate

Kalvoinjektiossa (kuva 5.20) matriisimuovi on kalvona yhtenä kerroksena muotin pinnalla (RFI = Resin Film Infusion) tai kerroksittain kuivien lujitekerrosten välissä (SPRINTâ ja HexFITâ). Hartsi on puolikovassa B-tilassa, joten se täytyy lämmittää juoksevaksi ennen varsinaista injektointia. Hartsi virtaa lujitteisiin lähinnä paksuussuunnassa. Menetelmän etuna onkin erittäin lyhyt virtausmatka.

Kuva 5.20 Kalvoinjektion periaate, puolivalmisteessa myös syntaktinen ydin.

Injektiomenetelmät ovat käsinlaminointiin verrattuna nopeampia ja niiden toistettavuus on parempi. Prosessit ovat myös suljettuja, jolloin haihtuvia aineita ei leviä työympäristöön. Lujitteiden asettelu muottiin on suhteellisen helppoa, koska käsiteltävinä ovat kuivat lujitteet. Tarvittaessa lujitekerrokset sidotaan toisiinsa mekaanisesti tai sideaineella, esimerkiksi sprayliimalla. Alipaine- ja kalvoinjektion etuna paineinjektioon verrattuna on mahdollisuus käyttää hinnaltaan edullisia avomuotteja.

Raaka-aineet

Perinteisessä alhaisen lujitesisällön paineinjektiossa käytetään matto- ja kudoslujitteita. Tavallisinta on jatkuvakuitumaton ja katkokuitumaton käyttö vuorotellen. Injektiopaineen aiheuttama hartsivirtaus pyrkii siirtämään lujitteita, joten pelkän katkokuitumaton käyttö ei anna tasaista lujitejakautumaa. Lujitteiden asettelu ja niiden oikea määrä on oleellinen lopputuloksen kannalta. Usein lujitteet on jollain tavalla kiinnitettävä toisiinsa. Tämä voi tapahtua mekaanisesti tai lujitteisiin liimattujen liimanauhojen avulla.

Korkean lujitesisällön paineinjektiossa käytetään tavallisesti suunnattuja erikoislujitteita, jotka on neulottu moniaksiaalisiksi kerroksiksi tai valmiiksi lujiteaihioiksi. Usein lujitemateriaalina on hiilikuitu. Tarvittaessa voidaan käyttää myös lasi- ja aramidilujitteita.

Hartseille asetetut vaatimukset riippuvat lähinnä halutusta jaksoajasta ja lopputuotteen ominaisuuksista. Hartsit ovat matalaviskoosisia, jolloin injektionopeus on hyvä. Toisaalta kovettuvan hartsin huippueksotermin pitäisi olla mahdollisimman alhainen, ettei tapahdu laminaatin säröilyä ja ylikuumenemista.

Perinteisessä paineinjektiossa polyesterihartsi on tavallisin. Polyestereiden ohella käytetään epokseja ja vinyyliestereitä etenkin kudoslujitteiden kanssa. Samoin voidaan käyttää metakrylaattipohjaisia hartsisysteemejä. Näillä on mahdollista nopeuttaa injektiota tai vastaavasti lisätä täyteaineiden määrää, sillä akrylaateilla on hyvin alhainen viskositeetti. Perinteinen paineinjektio sallii suuren täyteainemäärän käytön sovellutuksissa, joissa haetaan kustannussäästöjä tai erikoisominaisuuksia kuten palonkestoa. Täyteaine on yleensä kalsiumkarbonaattia, jota voidaan lisätä jopa 50 p% hartsin määrästä. Alipaineinjektiossa tyypilliset lujitesisällöt ovat 50 t%:n luokkaa, joten täyteaineiden käyttö ei ole helppoa.

Korkean lujitesisällön paineinjektiossa perusmatriisiaineita ovat yksi- ja kaksikomponenttiset epoksit, joilla saavutetaan hyvät mekaaniset ominaisuudet ja korkea käyttölämpötila. Korkea lujitesisältö edellyttää alhaista hartsin viskositeettia. Käytännössä viskositeetiltaan noin 250 cps:n hartsit on todettu sopiviksi. Näin alhainen viskositeetti saavutetaan monilla hartseilla vasta hartsia lämmittämällä. Lentokone- ja avaruussovelluksiin on myös kehitteillä sitkistettyjä RTM-hartseja. Iskunkestävyyttä voidaan parantaa myös sopivia lujitteita, mm. neuloksia käyttämällä.

Yleisimpien hartsityyppien ohella sekä yli- että alipaineinjektiossa käytetään jossain määrin fenoli-, syanaatti- ja bismaelimidihartseja.

Lujiteaihiot

Injektiomenetelmissä käytetään paljon lujiteaihioita. Näitä käytetään seuraavin periaattein:

• Aihiot räätälöidään rakenteellisesti tuottamaan kappaleelle halutut lujuus- ja jäykkyysominaisuudet kaikissa suunnissa.
• Aihioihin lisätään tarpeellisiin kohtiin paikallisesti lujitusta ja/tai esim. mekaanisten liittimien kiinnityspisteitä.
• Vaurionsietokykyä lisätään lujitekerrosten yhteentikkauksella. Sopivilla erikoislujitteilla lisätään myös pintojen iskulujuutta ja/tai kulumiskestävyyttä.
• Prosessoinnin helppouteen vaikutetaan aihioiden lujitesisällön muutoksilla. Nurkissa tai muuten vaikeissa kohdissa lujituksen määrää tai rakennetta muutetaan hartsivirtauksen helpottamiseksi.
• Kappaleen ulkopintaa muunnellaan mm. liittämällä aihioiden pintaan mm. erilaisia huopia sekä aramidi-/hiilikuitukudoksia ja –punoksia.

Aihioiden tekninen etu on mahdollisuus suunnata lujitteet tarkemmin kuormitusten mukaisesti. Niin sanottujen nettoaihioiden käytöllä voidaan myös välttää reunojen tai muiden normaalisti leikattavien osien aiheuttama hukkamateriaali. Muita aihioiden käytöllä haettavia taloudellisia etuja voivat olla raaka-ainekustannusten alentaminen ja kappaleen valmistusprosessin nopeuttaminen. Aihioiden valmistus voidaan automatisoida, jolloin saavutetaan työkustannusten säästöä tai valmistuskapasiteetti nostettua tarvittaessa korkeaksi. Aihioiden käsiteltävyys ja riittävä muodossa pysyminen ovat kriittisiä etenkin suurissa aihioissa sekä automatisoidussa tuotannossa.

Lujiteaihiot perinteisessä paineinjektiossa

Lujitteiden asettelu kerroksittain ja niiden leikkaus mittoihinsa on aikaa vievä työvaihe perinteisessä paineinjektiossa. Tämän nopeuttamiseksi on kehitetty parikin erilaista tapaa.

Saatavilla on valmiita jatkuvakuitumattoja, jotka voidaan muotoilla apumuotin päällä lämmön avulla likimain valmistettavan kappaleen muotoiseksi. Matoissa on yleensä kestomuovipohjaista sideainetta, joka lämmetessään pehmenee jonkin verran, mutta pitää lujitteen muodossaan jäähtyessään.

Toinen mahdollisuus lujiteaihion valmistukseen on ruiskuttaa lyhyttä katkokuitua ja sopivaa sideainetta valmistettavaa kappaletta muistuttavan rei’itetyn muotin päälle. Muottiin on johdettu alipaine, joka pitää lujitteet muotin pinnalla kunnes sideaine ehtii kovettua. Valmistustapa on esitetty kuvassa 5.21. Sideaineina käytetään sekä vesiemulsioita että kestomuovipohjaisia pulvereita.

MKR 10.19

Kuva 5.21 Lujiteaihion valmistus.

Valmiit lujiteaihiomatot soveltuvat parhaiten suhteellisen laakeiden kappaleiden valmistukseen. Ruiskuttaminen on edullisempi tapa monimutkaisten ja syvien kappaleiden aihioiden valmistukseen. Näin saadaan materiaalihukka selvästi pienemmäksi. Ruiskutustekniikalla tehtävien aihioiden lujitepituuksia voidaan lisäksi vaihdella kerroksittain. Katkokuitujen suuntaus on myös mahdollista ruiskuttamalla tehtävissä aihioissa. Aihiomuotin sopivalla konstruktiolla voidaan reunahukkaa pienentää huomattavasti.

Lujiteaihiot korkean lujitesisällön paine- ja alipaineinjektiossa

Korkean lujitesisällön paineinjektiossa käytettäviä aihioita valmistetaan monin tavoin. Tyypillisesti laminaateilta vaaditaan hyvää vaurionsietokykyä, jolloin lujitusta tarvitaan myös laminaattitasoa kohtisuorassa suunnassa. Samoin pyrkimyksenä on minimoida materiaalihukka. Tällöin aihiot pyritään valmistamaan lähelle lopullisen kappaleen mittoja eli nettoaihioina.

Aihiot voidaan valmistaa jatkuvista lujitteista muottien päälle kelaamalla tai punomalla. Kelaustekniikalla valmistetaan 2-dimensionaalisia aihioita pääosin vain pyörähdyssymmetrisille kappaleille. Punonnalla on mahdollista saada lujitusta myös tasoa vastaan kohtisuoraan suuntaan ja eri lujitekerrokset on mahdollista punoa yhteen. Myös punomalla valmistetut aihiot ovat geometrioiltaan rajoitettuja.

Useimmiten lujiteaihio valmistetaan tasolujitteesta tikkaamalla (stiching), kutomalla (weaving), neulomalla (knitting), punomalla (braiding), sideaineen avulla tai käyttämällä näiden menetelmien sopivaa yhdistelmää.

Tikkaamalla lujitekerroksia yhteen saadaan kerrosten välistä leikkauslujuutta ja vaurionsietokykyä parannettua huomattavasti. Toisaalta liitoskohtiin voi jäädä huokosia ja mikrohalkeamien alkukohtia. Kutomalla on vaikea valmistaa ± 45°:n lujitusta. Liitoskohtiin syntyy myös kutistumia, koska lujitteet eivät ole suoria. Neulomalla valmistetut lujitteet ovat puolestaan erittäin taipuisia ja lujitteet kulkevat suorina. Punoksia voidaan valmistaa myös 3D-rakenteiksi. Näiden rajoituksena on aihioiden pieni koko johtuen vaadittavista monimutkaisista koneista. Taulukossa 5.5 on esitetty yhteenveto eri perusaihioiden ominaisuuksista ja sovelluksista.

Monimutkaisten kappaleiden valmistuksessa perusaihioita joudutaan yhdistelemään tai muotoilemaan lopulliseen muotoon. Yhdistelyyn ja/tai muotoiluun käytetään mm. seuraavia tekniikoita:

• Aihio ommellaan sopivista kohdista, minkä jälkeen rakenne avataan (kuva 5.22).
• Aihiokerrokset muovataan muotoonsa kalvopuristimessa (kuva 5.23). Menetelmässä lämmössä pehmenevää pulveria sisältävät lujitekerrokset asetetaan rei’itetylle alipainepöydälle ja tiivistetään kumikalvolla. Tämän jälkeen kerrokset lämmitetään sidontapulverin lämpötilaan kuumailmapuhalluksella tai infrapunalämmittimillä. Aihiokerrokset muotoillaan muotoonsa mallin avulla ja aihiokerros jäähdytetään. Sidontapulveri pitää kovetuttuaan aihion eri kerrokset kiinni toisissaan ja aihion muodossaan.
• Aihiot muotoillaan puristimilla, joissa reunoistaan kiinnitetyt aihiokerrokset venytetään muotoonsa. Tällöin lujitteet ja lujitekerrokset joutuvat liukumaan toistensa suhteen.
• Aihio valmistetaan yhdistämällä osa-aihiot esimerkiksi ompelemalla kuvan 5.24 mukaisesti.

Taulukko 5.5 Erilaisia aihionvalmistustapoja

Kuva 5.22 Lujiteaihion valmistus ompelemalla kudoskerroksista.

Kuva 5.23 Kalvopuristin aihioiden muotoiluun.

Kuva  5.24 Aihion valmistus osa-aihioista ompelemalla.

Paineinjektion nopeuttaminen

Perinteisen paineinjektion muottiaika on noin 15…20 min, joka usein riittää pieniin sarjoihin. Menetelmää on kehitetty entistä suuremmille sarjoille sopivaksi. Tämä edellyttää selvästi nopeampaa muottiaikaa, jottei tarvittavien muottien lukumäärä ja niiden vaatima tila sekä käsittelyaika nouse kohtuuttomasti. Menetelmää on nopeutettu huomattavasti lähinnä autoteollisuuden tarpeisiin.

Paineinjektiota voidaan nopeuttaa mm. seuraavin tavoin:

• lujiteaihioiden käytöllä
• hartsin lämmityksellä
• muotin lämmityksellä
• useiden injektiopisteiden käytöllä
• injektiopaineen lisäyksellä ja samanaikaisella alipaineen käytöllä.

Hartsin ja muotin lämmityksellä alennetaan hartsin viskositeettia ja näin pienennetään virtausvastusta. Korotettu lämpötila nopeuttaa laminaatin kovettumista. Jaksoajoissa on mahdollista päästä noin 2 minuuttiin. Hartseina käytetään mm. vinyyliestereitä, akryyliahartseja ja epokseja. Kuvassa 5.25 on esitetty nopeutetun paineinjektion sovellutus autonkorin valmistukseen.

MKR 10.20

Kuva 5.25 Nopeutetun paineinjektion perusvaiheet.

Injektio-tuotteiden ominaisuudet

Perinteisellä paineinjektiolla valmistetun kappaleen lujitesisältö on mattolujitteita käytettäessä 25…35 p%. Suurella täyteainepitoisuudella etenkin lujuusarvot heikkenevät jonkin verran. Kudoksia ja suunnattuja kudoksia sekä matalaviskoosisia hartseja käytettäessä voidaan paineinjektiolla saavuttaa 60 t%:n lujitesisältö. Alipaineinjektiolla tyypillinen lujitesisältö on 50 t%. Näin myös fysikaaliset ominaisuudet ovat korkeat.

Paineinjektio on suljetun muotin menetelmä, joten kappaleen molemmat pinnat ovat sileitä. Yleensä menetelmä on taloudellisesti kannattava jo muutaman kymmenen tai sadan kappaleen sarjoissa. Muotit ovat käsinlaminointimuotteja kalliimpia, koska injektointipaine edellyttää jäykempiä muottirakenteita ja tarvitaan kaksi muottipuoliskoa sekä muottien kiinnitysmekanismi. Kohtuullisen alhaisen muottipaineen ja kovetuslämpötilan ansiosta muotit pystytään valmistamaan edullisista lujitemuovimateriaaleista, joten muottikustannus ei ole kohtuuton. Menetelmässä ei lujitteiden tarvitse virrata, joten syvienkin kappaleiden valmistus onnistuu helposti. Injektiomenetelmien etuja ja haittoja on esitelty taulukossa 5.6.

Alipaineinjektiossa on toinen muottipuolisko korvattu alipainesäkillä tai puolikovalla muotilla. Näin muottikustannukset ovat oleellisesti paineinjektiota alhaisemmat eikä kappaleiden koolla ole käytännössä ylärajaa. Muovikalvo ei anna täysin sileää ulkopintaa eikä kappaleen paksuutta saada niin tarkaksi kuin paineinjektiolla. Pinnanlaatu paranee selvästi, kun muovikalvon sijasta käytetään puolikovaa muottia. Samalla voidaan oleellisesti lyhentää valmistusjaksoa, koska alipainesäkin ja muiden lisätarvikkeiden asennusaika lyhenee huomattavasti.

Taulukko 5.6 Injektio- menetelmien etuja ja haittoja.

5.1.7   Reaktiovalu eli RIM

Reaktiovalu eli RIM-menetelmä (Reaction Injection Moulding) on kehitetty polyuretaanisolumuovin valmistukseen. Menetelmässä sekoitetaan kaksi pääkomponenttia yhteen ja injektoidaan suljettuun muottiin. Lyhyttä kuitulujitusta käytettäessä menetelmästä käytetään yleisesti lyhennettä RRIM, jossa ensimmäinen kirjain viittaa lujitukseen (Reinforced Reaction Injection Moulding). Muotit suljetaan tavallisesti muottipuristimella, jolla voidaan myös vaihtaa muotin asentoa sopivimman injektointiasennon löytämiseksi.

RIM-menetelmässä käytetään tavallisesti lähtöraaka-aineina polyolia ja isosyanaattia. Niitä sekoitetaan omissa säiliöissään ja kierrätetään putkistossa saostumisen estämiseksi. Injektoitaessa lämmitetyt raaka-aineet johdetaan korkeapaineputkia myöten sekoituspäähän, josta materiaali injektoidaan muottiin. Materiaalin ruiskutus tapahtuu kappaleen koosta ja raaka-aineista riippuen muutamassa sekunnissa. Raaka-aineen hyytymisaika on pienillä kappaleilla 2…6 s. Muottiaika on  20…200 s. Menetelmän periaate on esitetty kuvassa 5.26.

MKR 10.21

Kuva 5.26 RIM-menetelmän periaate.

Menetelmässä syntyvä muottipaine on 0,5…1 MPa eli varsin alhainen moniin muihin suljettujen muottien menetelmiin verrattuna. Pieni paine mahdollistaa myös suhteellisen halpojen puristimien ja muottien käytön. Näin menetelmä soveltuu myös pienten sarjojen valmistukseen.

RIM-menetelmää käytetään eniten kuljetusvälineteollisuuden tuotteiden valmistukseen. Suurimmat valmistuksessa olevat kappaleet ovat 50 kg:n luokkaa, jolloin tarvittava puristinvoima on noin 1 000 tonnia.

RIM-menetelmällä saavutettavien alhaisten kimmo- ja lujuusarvojen takia valmistettavat kappaleet ovat harvemmin kantavia rakenteita. Useimmiten menetelmällä valmistetaan muotokappaleita, joilta vaaditaan suurta joustavuutta ja iskulujuutta. Tyypillisiä sovellutuksia ovat autojen puskurien osat, ilmanohjaimet, jäähdyttäjän säleiköt ja pystysuorat korin osat kuten auton ovet. RIM-menetelmän etuja ja haittoja on esitetty taulukossa 5.7.

Taulukko 5.7 RIM-menetelmän etuja ja haittoja.

RRIM-menetelmässä lujitepitoisuus jää alhaiseksi ja lujitekuidut ovat lyhyitä. Näistä syistä myös RRIM-tuotteiden lujuusarvot ovat melko vaatimattomat. RIM-menetelmästä onkin edelleen kehitetty nk. SRIM-menetelmä (Structural Reaction Injection Moulding), jossa käytetään valmiita lujite-aihioita. Menetelmä on periaatteessa hyvin samantapainen kuin paine-injektio. Nyt käytössä on polyuretaanihartsi, jonka ruiskutustapahtuma on hyvin nopea perinteiseen paineinjektioon verrattuna. Tämä aiheuttaa joitakin muutoksia lähinnä lujitteisiin ja hartsinsyöttöön. Hartsin nopea syöttö vaatii lujitteita, jotka eivät kulkeudu hartsivirtauksen mukana. Lujitteina käytetään jatkuvakuituista mattoa, harvoja kudoksia tai näistä valmistettuja muotonsa paremmin pitäviä aihioita.

Muotin ilmanpoisto on toinen ongelma nopeassa hartsin injektiossa. Ratkaisuina tähän ovat olleet esim. muotin alipaineimu tai muotin ulkoreunoilla käytettävä puoliläpäisevä vaahto, joka laskee ilman läpi, mutta tiivistyy hartsirintaman täyttäessä vaahdon. Osittain saman asian ajaa muotin reunojen väliin puristettu jatkuvakuitumatto.

5.1.8   Ruiskuvalu

Ruiskuvalu on tärkeimpiä kestomuovikappaleiden valmistustekniikoita. Menetelmää käytetään myös lujitettujen kesto- ja kertamuovituotteiden valmistuksessa. Lähtömateriaali on granulaattina tai esimerkiksi BMC:tä (ks. luku 4).

Menetelmäkuvaus

Ruiskuvalutuotteen raaka-aine syötetään syöttösuppilosta ja siirretään ruiskuvalukoneen ruuville. Ruuvin avulla materiaali siirretään eteenpäin samalla kun kestomuovi plastisoidaan tai kertamuovi lämmitetään kontrolloidusti varsinaista ruiskutustapahtumaa varten. Kun yhtä ruiskutuskertaa varten tarvittava materiaalimäärä on kerätty ruuvin eteen, ruuvi liikkuu eteenpäin työntäen sulan tai pehmeän massan muottiin. Ruuvissa oleva sulkurengas estää massan takaisinvirtauksen ruiskutuksen aikana. Ruuvin edessä sylinterissä on suutin, jossa olevalla sulkusuuttimella säädellään massan virtaus ruiskutuskanavistoon. Ruiskuvalun perusvaiheet on esitetty kuvassa 5.27

Ruiskuvalukappale kovettuu muotissa koosta riippuen 20…120 sekunnissa. Ruiskutuspaine vaihtelee 40…200 MPa:n välillä riippuen muovimateriaalista ja kappaleen monimutkaisuudesta. Kestomuoveja käytettäessä muotti on jäähdytettävä ja kertamuoveja käytettäessä lämmitettävä. Korkeista puristuspaineista ja suurista sarjoista johtuen ruiskuvalumuotit on valmistettu korkealuokkaisesta työkaluteräksestä.

MKR 10.22

Kuva 5.27 Ruiskuvalun perustyövaiheet.

Ruiskuvalumuotit ovat rakenteeltaan monimutkaisia ja näin ollen myös kalliita. Ruuvilta tullessaan sula massa kulkee syöttökanavan kautta jakokanavistoon ja edelleen portin kautta muottiin. Ruiskutuskanavisto sisältyy muottiin ja on suunnittelultaan kappalekohtainen. Muotti sisältää myös kiinnitys- ja ohjauselimet sekä kappaleen ulostyöntäjät. Ruiskutuskanavisto voi olla myös lämmitetty, jolloin kestomuovimassa ei kovetu kanavistoon. Näin vältetään kappaleen jälkikäsittely ja säästetään materiaalia. Muotin periaate on esitetty kuvassa 5.28.

MKR 10.23

Kuva 5.28 Ruiskuvalumuotti ja sen osat.

Ruiskuvalukoneiden koot määräytyvät puristusvoiman, annoksen suuruuden ja suurimman mahdollisen muottikoon mukaan. Tavallisesti koneet luokitellaan puristusvoiman mukaan. Suurimpien ruiskuvalukoneiden puristusvoimat ovat tällä hetkellä noin 10 000 tonnia.

Muotin sulkuvoiman aikaansaavan sulkuyksikön toiminta perustuu joko hydrauliikkaan tai polviniveliin. Pääpuristussuunta voi olla horisontaalinen tai vertikaalinen. Muilta osin ruiskuvalukoneet ovat samantapaisia. Käytännössä erot ovat koneiden komponenttien laadussa, rungon jäykkyydessä ja ohjausjärjestelmissä.

Lujitettujen kesto- ja kertamuovien ruiskuvalu voi vaatia erilaiset ruuvit kuin lujittamattomien materiaalien ruiskuvalu. Pyrkimyksenä on minimoida kuitujen pilkkoutuminen siirto- ja puristusvaiheen aikana. Eräänä ratkaisuna on kaksoisruuvien käyttö siten, että materiaali etenee riittävän kaukana toisistaan olevien ruuvien välissä. On myös kehitetty kaksivaiheisia muotteja, joihin ensin ruiskutetaan materiaali varsin pienellä paineella laajojen valukanavien kautta ja toisessa vaiheessa suoritetaan loppupuristus muottiin. Näin on pyritty saamaan lujitteet muottiin mahdollisimman pitkinä ja ehjinä. Ratkaisu lisää oleellisesti muottikustannuksia.

Lujitettujen ruiskuvalutuotteiden ominaisuudet

Ruiskuvalu soveltuu suhteellisen pienten ja muodoiltaan vaihtelevien kappaleiden valmistukseen sarjakoon ollessa suuri. Kuitulujitusta käytetään haluttaessa kappaleilta korkeita kimmo- ja lujuusarvoja, hyvää lämmönkestoa tai alhaista lämpölaajenemista. Lujitus lisää myös oleellisesti pitkäaikaislujuutta sekä staattisessa että dynaamisessa kuormituksessa. Lujitetuissa tuotteissa matriisiaineet ovat tavallisesti teknisiä kestomuoveja.

Ruiskuvalukoneen ruuvissa tapahtuva materiaalin muokkaus katkoo lujitekuidut lyhyiksi alentaen näin lujituksen tehoa. Normaaleilla lujitetuilla ruiskuvalumateriaaleilla on lopullisen tuotteen keskimääräinen lujitepituus vain noin 0,2 mm. Viime vuosina on kehitetty uusia ruiskuvalumateriaaleja, joissa lujitteen pituus saadaan lopputuotteessa keskimäärin noin 3…4 mm:iin. Kuvassa 5.29 on esimerkki lyhyt- ja pitkäkuituisesta ruiskuvalugranulaatista.

MKR 10.24

Kuva 5.29 Lyhyt- ja pitkäkuituisen ruiskuvalugranulaatin kuiturakenne.

BMC:tä voidaan myös ruiskuvalaa. Tämä edellyttää joitain modifikaatioita syöttölaitteisiin ja ruuviin. Samoin muotit ovat normaalia ruiskuvalumuottia kalliimmat lämmityksen ja kovempien pintavaatimusten vuoksi. Yleensä ruiskuvaletun BMC:n lujitesisältö on n. 20 p%. Ominaisuudet vastaavat puristamalla valmistettujen BMC-kappaleiden ominaisuuksia.

Ruiskuvalutuotteiden ominaisuuksia tarkasteltaessa on muistettava lujitteiden pyrkimys suuntautua virtauksen suuntaiseksi. Kappaleen muodosta riippuen ominaisuudet voivat näin ollen olla hyvin epäisotrooppiset. Lujitetuilla muoveilla ovat mahdolliset kylmäsaumat vielä ongelmallisempia kuin lujittamattomilla muoveilla.

Ruiskuvalun edut ja haitat

Ruiskuvalu on eräs tärkeimmistä kestomuovituotteiden valmistusmenetelmistä. Tuotevaatimusten kasvaessa on lujitettujen kesto- ja myös kertamuovien ruiskuvalu yleistynyt. Menetelmä on jaksoajaltaan lyhyt ja soveltuu suursarjatuotantoon. Suurten puristuspaineiden ja tästä johtuvan laiteinvestointien kalleuden vuoksi kookkaitten kappaleiden valmistus ruiskuvalamalla ei ole taloudellisesti mielekästä. Taulukossa 5.8 on yhteenveto ruiskuvalun eduista ja haitoista.

Taulukko 5.8 Ruiskuvalun etuja ja haittoja.

5.1.9   Keskipakovalu

Keskipakovalussa lujitteet asetetaan pyörähdyssymmetrisen muotin sisään ja muotti pannaan pyörimään. Tämän jälkeen kaadetaan tai ruiskutetaan hartsi tasaiseksi kerrokseksi muotin sisään. Keskipakovoiman ansiosta lujite kostuu ja ilma poistuu laminaatista. Valmistusvaiheet on esitetty kuvassa 5.30.

MKR 10.25

Kuva 5.30 Keskipakovalun työvaiheet.

Keskipakovalu soveltuu pyörähdyssymmetristen kappaleiden kuten putkien, vaippojen ja painepäätyjen valmistukseen. Kappaleen seinämien on oltava likimain tasavahvat. Lujitteena käytetään katkokuitumattoa tai kudoksia. Kelaamalla valmistettaviin putkiin verrattuna ulkopinta on sileä. Keskipakovalussa ei voida käyttää roving-lujitusta, joka taas kelatuissa putkirakenteissa toimii tehokkaasti.

Keskipakovalussa voi käyttää huomattavia määriä täyteaineita, joilla voidaan nostaa edullisesti seinämävahvuutta ja näin myös seinämän paikallista jäykkyyttä. Menetelmä onkin suosittu viemäriputkien valmistuksessa. Viemäriputkien mitoituksen määrää useimmiten seinämän paikallinen rengasjäykkyys.

5.1.10   Puristusmenetelmät

Kuitulujitettujen tuotteiden valmistuksessa käytettäviä puristusmenetelmiä ovat siirtopuristus ja ahtopuristus erilaisine variaatioineen.

Siirtopuristus

Siirtopuristuksessa raaka-aine annostellaan ja lämmitetään erillisessä siirtosylinterissä, josta se puristetaan männän avulla muottionkaloon kuvan 5.31 mukaisesti. Siirtopuristus soveltuu muodoltaan monimutkaistenkin kappaleiden valmistukseen. Puristuspaine voi nousta 200 baariin. Raaka-aineet voivat olla samoja kuin ruiskuvalussa. Muotti- ja laitekustannukset ovat alhaisemmat, mutta muottiaika pidempi ja raaka-ainehukka suurempi kuin ruiskuvalussa.

Ahtopuristus

Ahtopuristuksessa käytetään suljettuja muotteja ja puristinta. Käytettävä raaka-aine vaihtelee, mutta itse valmistustapahtuma on aina samantapainen. Ensimmäisessä vaiheessa raaka-aine asetetaan avattuun muottiin. Toisessa vaiheessa muotti suljetaan, jolloin kappale muotoutuu muottionkalon mukaiseksi. Kolmannessa vaiheessa kappale kovetetaan. Puristuspaineet ja -nopeudet sekä prosessilämpötilat riippuvat käytettävistä raaka-aineista.

Puristimissa on kaksi puristinlevyä, jotka voivat olla lämmitettäviä. Muottipuoliskot on kiinnitetty näihin levyihin. Puristusvoima aikaansaadaan useimmiten hydraulisesti yhden tai useamman hydraulisylinterin avulla. Puristimien puristusvoimat vaihtelevat 25…5 000 tonnin rajoissa. Muottien koot ovat suurimmillaan noin kaksi neliömetriä. Puristimen kaaviokuva on esitetty kuvassa 5.32.

MKR 10.26

Kuva 5.31 Siirtopuristuksen periaate.

MKR 10.27

Kuva 5.32 Ahtopuristuksessa käytettävä puristin.

Teknisiltä ominaisuuksiltaan puristimet ovat monessa suhteessa erilaisia. Puristusvoima, vapaa puristinlevyjen pinta-ala sekä avautumismatka määrittävät suurimman mahdollisen kappalekoon sekä kyseeseen tulevat materiaalivaihtoehdot. Puristinlevyjen maksimilämpötilat tai jäähdytystehokkuudet vaihtelevat. Muita suunnitteluparametreja ovat mm.

• muotin sulku- ja avautumisnopeudet
• puristuspaineen nousunopeus
• muotin sulkunopeuksien säätömahdollisuudet
• puristusparametrien ohjelmointi ja talletus
• puristinlevyjen yhdensuuntaisuus
• kappaleen poistotekniikka
• muottien vaihtotekniikka
• energian kulutus.

Märkäpuristus

Märkäpuristuksella tarkoitetaan ahtopuristusmenetelmää, jossa lujitteet tai lujiteaihio asetetaan muottiin ja hartsiseos kaadetaan lujitteiden päälle (kuva 5.33). Tämän jälkeen muotti suljetaan ja kappale kovetetaan. Riippuen siitä, käytetäänkö kovetuksen nopeuttamiseksi lämpöä vai ei, puhutaan vastaavasti kuuma- ja kylmäpuristuksesta.

MKR 10.28

Kuva 5.33 Kylmä- ja kuumapuristuksen periaate.

Märkäpuristuksessa käytetään varsin alhaista puristuspainetta, joten muottivaatimukset eivät ole korkeat. Toisaalta kappaleen valmistusaika on pitkä erityisesti kylmäpuristuksessa. Kylmä- ja kuumapuristus soveltuvatkin parhaiten muutaman tuhannen kappaleen sarjakokoihin ja suhteellisen yksinkertaisille muodoille, joissa ei ole jyrkkiä mutkia, jäykisteitä tmv. rakenteita.

Lujitteena käytetään jatkuvakuitumattoa ja sen ohella tarvittaessa kudoksia. Hartsina on normaalisti polyesteri, joka on joko huoneenlämpötilassa (kylmäpuristus) tai korotetussa lämpötilassa kovettuva (yleensä 150 °C). Kovetusajat vaihtelevat 5…15 minuutin rajoissa kappaleen koosta ja kovetuslämpötilasta riippuen. Hartsissa ei käytetä merkittäviä määriä täyteaineita, joten lujuusominaisuudet ovat lähellä mattolujitetun käsinlaminoidun laminaatin arvoja

BMC:n ja SMC:n puristus

Kuumapuristuksesta on useita muunnoksia, joita voidaan käsitellä myös erillisinä valmistustekniikkoina. Tosiasiassa ne ovat vain eri raaka-aineiden ja puolivalmisteiden kuumapuristusta. BMC-puolivalmiste on taikinamainen massa ja SMC muutaman millimetrin paksuisen taipuisa levy (ks. luku 4).

BMC:stä ja SMC:stä puristetaan tuotteita annostelemalla raaka-aine muottiin, muovaamalla kappale muotoonsa muotti sulkemalla ja kovettamalla tuote korotetussa lämpötilassa (kuva 5.34). Tarvittavat puristuspaineet vaihtelevat kappaleen muodosta ja materiaalin virtausmatkasta riippuen SMC:llä 5…10 MPa:n ja BMC:llä 10…15 MPa:n välillä. Puristusprosessi on huomattavasti vaativampi kuin kylmä- tai kuumapuristuksessa. Materiaalin asettelu etenkin SMC:lle on tärkeää. Yleisesti SMC-kerrokset asetellaan hieman pyramidin omaisesti ja ne leikataan niin, että muotti täyttyy pinta-alaltaan noin 70 %:sti. Lisäksi raaka-aineen määrän on oltava oikea. Muotin pintalämpötilan on oltava vakio noin 2 °C:n tarkkuudella. Puristusnopeutta ja paineennousua on pystyttävä säätämään puristuksen aikana. Näistä syistä sekä puristusmuoteilta että puristimelta vaaditaan huomattavasti enemmän kuin märkäpuristusmenetelmissä.

MKR 10.29

Kuva 5.34 BMC:n ja SMC:n puristuksen periaate.

BMC:n ja SMC:n puristuksen tyypilliset jaksoajat ovat 30…150 sekuntia. SMC on vain suursarjatuotannossa taloudellisesti kilpailukykyinen. Sen sijaan BMC:n käyttö voi olla taloudellisesti kannattavaa jo tuhannenkin kappaleen sarjalla.

BMC:tä voidaan myös siirtopuristaa ja ruiskuvalaa. Siirtopuristuksessa käytettävä paine on 15…30 MPa ja muotin lämpötila jopa 170 °C. Ruiskuvalussa vastaavasti paine on 30…80 MPa, lämpötila 140…160 °C ja ruuvin pyörimisnopeus 20…50 1/min. Molemmat yllämainitut BMC:n muovausmenetelmät sopivat parhaiten suurten sarjojen massatuotantoon. Suurin osa normaaleista ruiskuvalukoneista on pienin muutoksin muutettavissa BMC-tuotteiden valmistukseen.

SMC- ja BMC-materiaaleissa on runsaasti täyteaineita ja muita lisäaineita, joilla vaikutetaan fysikaalisiin ominaisuuksiin, juoksevuuteen, pinnan laatuun ja kutistumiin. Kaupallisesti on saatavissa halutunlaisia sekoituksia. Suuret puristajat tekevät puolivalmisteensa itse. Taulukossa 5.9 on tyypillisen low-profile SMC-levyn ja standardi BMC-massan koostumus. SMC-materiaaleja on kehitetty edelleen. Nykyisin on saatavissa mm. pienen puristuspaineen materiaaleja, jotka vaativat vain 4 baarin puristuspaineen. Samoin mikropallolisäyksellä tiheyttä on voitu alentaa normaalista 1,8 kg/cm³:stä 1,4 g/cm³:iin.

Taulukko 5.9 SMC- ja BMC raaka-aineiden tyypillisä koostumuksia.

BMC:ssä lujite on yleensä katkottua lasikuitua. SMC on myös perusmuodossaan katkokuitulujitettua, mutta siitä on saatavissa myös kudos- ja jatkuvalujiteversioita. Hartsit ovat yleensä peruspolyesteripohjaisia, mutta kokeiluja on tehty mm. vinyyliesteri- ja fenolihartseilla sekä kestomuoveilla. Tyypillisiä BMC-tuotteita ovat sähköteollisuuden rasiat ja kotelot. SMC (Sheet Moulding Compound) puolestaan soveltuu nimensäkin mukaan levymäisiin kappaleisiin kuten autoteollisuuden korin osiin ja vastaaviin. Varsinkin huonosti pigmentoituvat matalaprofiiliset SMC-laadut vaativat maalauksen lakka- tai epoksimaalilla. Kappaleen pinnan puhdistaminen liuotteella ja primerin käyttö ovat oleellisia tekijöitä maalauksen onnistumiselle. SMC-kappale voidaan maalata myös muotin sisällä tapahtuvalla jauhemaalauksella.

Kalvopuristus

Kalvopuristuksella voidaan valmistaa varsin monimutkaisia ohutseinämäisiä, tasomaisia kappaleita. Menetelmässä prepreg-lujitteet asetetaan kahden muovikalvon (usein polyimidikalvo) väliin, minkä jälkeen prepregit tiivistetään alipaineella ja lämmöllä. Prepreg-pakka muovataan avomuottiin ylipaineella kuten painesäkkimenetelmässä. Muovikalvojen tehtävänä on estää lujitteiden rypistyminen ja sallia lujitteiden liukuminen hallitusti muovauksen aikana. Kalvopuristuksen periaate ja eri vaiheet on esitetty kuvassa 5.35.

Kuva 5.35 Kalvopuristuksen vaiheet.

Kalvopuristuksen etuja ovat varsin nopea sykliaika autoklaavikovetukseen verrattuna ja edulliset muottikustannukset. Kalvopuristetun tuotteen mekaaniset ominaisuudet ovat hyvät, koska lähtöraaka-aineena käytetään kerta- ja kestomuoviprepregejä. Kalvot ovat kertakäyttöisiä ja varsin kalliita. Menetelmässä on kokeiltu myös monikäyttöisten kalvojen kuten elastomeerien käyttöä, mutta niillä ei ole saavutettu yhtä hallittua lujitteiden muovautumista kuin polyimidikalvoilla.

Pitkäkuitulujitettujen kestomuovilevyjen puristus

Kestomuoveja lujitetaan jatkuvista kuiduista valmistetuilla matoilla ja katkokuiduilla. Materiaali on levymuodossa ja lujitus voi olla määrältään ja laadultaan erilainen. Tavallisin lujitettava muovi on polypropeeni. Muovi voi olla kiinteässä muodossa tai pulverina. Tyypillinen kestomuovipohjainen puolivalmiste on GMT (ks. luku 4).

GMT-tuotteen valmistusprosessi poikkeaa hieman tavanomaisesta kuumapuristuksesta. Lujitettu kestomuovilevy kuumennetaan muovin sulamislämpötilan yläpuolelle, siirretään kylmään muottiin ja muovataan nopeasti korkealla paineella. Kappaleen annetaan jäähtyä muotissa kunnes muoviosa on riittävän kovaa kappaleen irrottamiseksi. GMT:n puristuksen periaate on kuvassa 5.36.

MKR 10.30

Kuva 5.36 GMT-levyn puristuksen periaate.

Nopea jaksoaika sekä korkea puristuspaine vaativat kalliin puristimen, mutta toisaalta se on ainoa tapa hyödyntää kestomuovimateriaalien erityisominaisuuksia. Muotit valmistetaan metallista. Muottikustannukset ovat näin melko korkeat.

Lujitus on ainakin toistaiseksi katkokuitu- tai jatkuvakuitumattoa. Teknisesti on mahdollista käyttää GMT-tuotteissa myös suunnattuja lujitteita. Suunnattu lujitus rajoittaa kuitenkin materiaalin juoksevuutta, mikä asettaa rajoituksia tuotteille.

Oman alueensa muodostaa ns. kehittyneiden, jatkuvilla kuiduilla lujitettujen kestomuovien muovaus. Näissä matriisina on kuumaluja tekninen kestomuovi. 

Puristusmenetelmien prosessiolosuhteet

Puristusmenetelmät eroavat toisistaan materiaalien ja prosessointiolosuhteiden osalta. Taulukon 5.10 prosessiolosuhteet ja jaksoajat pätevät tyypillisille kappaleille, joissa ei ole poikkeavan syviä muotoja tai erityisiä pinnan laatuvaatimuksia ja joissa matriisina on joko tavallinen kertamuovi (polyesteri) tai kestomuovi (polypropeeni). Lujitteena on kaikissa lasikuituinen jatkuvakuitu- tai katkokuitumatto.

Taulukko 5.10 Puristusmenetelmien prosessiolosuhteet.

* Muotin lämpötila, kun materiaali on lämmitetty n. 200 ^°C:een

Puristustuotteiden laatu

Puristustuotteiden mitat, mittapysyvyys, pinnanlaatu ja mekaaniset ominaisuudet vaihtelevat valmistustekniikan, materiaalien ja itse puristustapahtuman myötä. Kylmä- ja kuumapuristuksessa lujitteiden asemat eivät oleellisesti muutu puristuksen aikana. Sen sijaan muilla puristustekniikoilla tapahtuu materiaalin virtausta, johon vaikuttavat oleellisesti muovattavan kappaleen mitat ja muoto sekä puolivalmistemateriaalin asettelu muottiin. Lujitettujen muovien kyseessä ollessa materiaalin virtaus ja erityisesti lujitteissa tapahtuva uudelleenjärjestäytyminen tai suuntautuminen vaikuttavat oleellisesti sekä mekaanisiin ominaisuuksiin että mittapysyvyyteen. Taulukossa 5.11 on esitetty muutamia puristustuotteiden virheitä ja niiden mahdollisia syitä.

Taulukko 5.11 Puristuskappaleiden vikataulukko.

Puristusmenetelmien edut ja haitat

Kylmä- ja kuumapuristamalla tehtävien tuotteiden etuna on molempien pintojen sileys. Työn automaatioaste ja nopeus kasvavat käytettäessä puolivalmisteita (SMC, BMC tai GMT). Samanaikaisesti kuitenkin taloudellisesti kannattavan sarjan koko kasvaa. Eri menetelmistä on löydettävissä vaihtoehto useille eri sarjasuuruuksille ja erilaisille kappaleille.

Menetelmillä on mahdollista valmistaa suoraan kappaleeseen ripoja ja jäykisteitä. Niihin voidaan myös jo puristusvaiheessa yhdistää esimerkiksi metallisia kiinnitysosia.

Kappale voidaan maalata joko suoraan muotissa injektoimalla maali raotetun muotin sisään tai jälkikäteen maalaamalla. Kappaleiden mittatarkkuus on erittäin hyvä avomuottimenetelmillä saataviin tuotteisiin verrattuna.

Märkäpuristusmenetelmiä lukuun ottamatta ei valmistusprosessissa haihdu haitallisia määriä liuotteita. Samoin puolivalmisteita käytettäessä laatuvaihtelut eivät ole oleellisesti työntekijöiden ammattitaidosta riippuvia. Kylmä- ja kuumapuristus edellyttävät useimmiten varsin tasomaisia kappaleita (BMC:tä lukuun ottamatta), joiden seinämien paksuusvaihtelut ovat suhteellisen pieniä. Tämä rajoittaa menetelmien käytettävyyttä. Normaalisti käytetty katkokuitulujitus antaa vaatimattomat mekaaniset arvot verrattuna suunnattuun jatkuvakuitulujitukseen.

Puristusmenetelmien laite- ja muotti-investoinnit ovat suuret verrattuna kaikkiin avomuottimenetelmiin.

5.1.11   Suulakeveto ja sen muunnokset

Suulakeveto eli pultruusio on jatkuvatoiminen profiilien ja putkien valmistusmenetelmä. Prosessi on pitkälle automatisoitavissa. Tuotantonopeus voi parhaimmillaan olla useita metrejä minuutissa tyypillisten arvojen liikkuessa välillä 0,5…2 m/min.

Menetelmäkuvaus

Suulakevedossa kostutetut lujitteet vedetään muottina toimivan lämmitetyn suulakkeen läpi. Muotissa kappale saa muotonsa ja hartsi kovettuu. Muotin loppuosassa tai sen jälkeen suoritetaan tarvittaessa kappaleen jäähdytys. Tuotteen on oltava niin pitkälle kovettunut, että se kestää vetolaitteiston voiman. Vetolaitteen jälkeen tuote voidaan katkaista halutun mittaiseksi. Suulakevetolaitteiston pääkomponentit ja toimintaperiaate on esitetty kuvassa 5.37.

MKR 10.31

Kuva 5.37 Suulakevetolaitteisto.

Lujitteet kostutetaan joko avoaltaissa tai hartsi injektoidaan muotin sisään. Lujitteiden tulisi olla mahdollisimman tasaisesti jännittyneitä ja usein myös ennen muottia esimuotoiltu lähelle lopullisia kappaleen mittoja. Raaka-aineita voidaan lämmittää ennen muottia. Näin saadaan nopeampi ja tasaisempi kovetus. Etenkin paksujen profiilien esilämmitys mikroaalloilla helpottaa hallitsemaan kovettumiskutistuman aikaansaamia halkeamia, sillä mikroaaltolämmitys vaikuttaa koko poikkipintaan samanaikaisesti, kun taas muottilämmitys kuumentaa vain pinnan, jolloin kovettumisreaktio on epätasainen.

Muotit ja onttojen kappaleiden valmistuksessa tarvittavat sisätuurnat on valmistettu kovapintaisista työkaluteräksistä tai ne on pinnoitettu esim. kromaamalla. Muotin lämpötilaa voidaan säätää vyöhykkeittäin, jolloin kullekin hartsisysteemille löydetään sopivin kovetusnopeus. Muotin pituus on yleensä 500…1 200 mm ja se on useimmiten kaksi- tai useampiosainen.

Tuotteen vetoon käytetään joko telaketjuperiaatteella tai vuorottelevilla tarraimilla toimivia vetolaitteita. Tarraintyypeissä on profiilin muotoon sopivat, esimerkiksi kumista tehdyt tarraintyynyt, joilla saadaan suurempi vetovoima ja varmempi tartunta kuin telaketjuilla. Profiili katkaistaan normaalisti linjan nopeuteen synkronoidulla laikalla.

Raaka-aineet

Suulakevedon peruslujite on lasikuituroving. Muista vaatimuksista riippuen voidaan lujitukseen käyttää myös katkokuitumattoa, kudottuja lujitteita ja pintahuopia. Nämä lisälujitteet voidaan kostuttaa erikseen, mutta kohtuullisina määrinä käytettynä ne voidaan syöttää muottiin kostuttamattomina, jolloin rovingien ylimäärähartsi kostuttaa kuivat lujitteet. Suulakevedossa käytetään jonkin verran ns. spunrovingia, joka lujittaa laminaattia myös poikittaissuunnassa. Tätä käytetään etenkin profiilien nurkissa ja muissa vastaavissa paikoissa, joihin on vaikea saada muuten poikittaislujitusta. Lasikuidun ohella suulakevetoon soveltuvat myös hiili- ja aramidikuidut.

Tyypillisin hartsi on polyesteri, joka on hinnaltaan edullinen ja jolla saavutetaan suurin linjanopeus. Erityisominaisuuksia haettaessa voidaan käyttää epokseja (lujuuskriittisissä osissa), fenoleja (korkean lämpötilan tai palo-ominaisuuksien takia), metakrylaattihartseja (linjanopeuden nosto) tai myös kestomuoveja. Kestomuovit ovat yleensä prepregejä, mutta kehitteillä on myös kestomuovisysteemejä, joissa polymerointi tapahtuu vasta muotissa. Tällöin kestomuovien korkea viskositeetti ei rajoita linjanopeutta ja lujitteiden kostutusta. Mikäli hartsi injektoidaan muottiin, voidaan käyttää reaktiivisempia hartseja ja näin nopeuttaa valmistusta. Samoin ympäristöhaitat ovat huomattavasti vähäisemmät kuin avoallaskostutuksessa.

Suulakevedetyn profiilin valmistus vaatii hartsin lisäaineistuksen mm. kunnollisen pinnanlaadun aikaansaamiseksi, kovettumiskutistuman eliminoimiseksi ja tuotteen irrottamiseksi muotista. Pinnanlaatua voidaan parantaa mm. mineraalitäyteaineilla kuten kalkilla ja savella tai pintahuopien käytöllä. Hallittu kutistuma saavutetaan puolestaan sopivalla kestomuovilisäyksellä. Täyteaineilla voidaan myös pienentää raaka-ainekustannuksia tai parantaa mm. palonkesto-ominaisuuksia. Profiilien värjäys tehdään useimmiten prosessin yhteydessä sekoittamalla väripigmenttiä suoraan hartsiin.

Ominaisuudet ja sovellutukset

Suulakevedolla valmistettavien profiilien koot voivat vaihdella millimetrin halkaisijaisesta umpitangosta parin metrin levyiseen onteloprofiiliin. Kappaleen koolle ei ole teknistä ylärajaa. Tangoissa ja umpiprofiileissa käytetään puhdasta roving-lujitusta. Onttoihin ja leveisiin profiileihin lisätään matto- tai kudoslujitteita. Lujitesisältö on korkea, joten saavutettavat mekaaniset ominaisuudet ovat erittäin hyvät etenkin aksiaalisuunnassa.

Tyypillisiä suulakevedon sovellutuksia ovat vakiopoikkipintaiset profiilit. Rakennusteollisuuden käyttöön etenkin korrodoiviin olosuhteisiin on tarjolla valmiita profiilisarjoja kantavien palkistojen, hoitotasojen, tikkaiden, seinien ymv. valmistamiseksi. Urheiluvälineet kuten mailojen varret ja suksisauvat sekä jäykisteprofiilit, koneiden osat ja sähköteollisuuden eristävät profiilit ovat muita tyypillisiä suulakevetotuotteita.

Edut ja haitat

Suulakeveto on erikoismenetelmä tietyntyyppisten tuotteiden valmistamiseen. Tuotteen kysynnän on oltava riittävä (esim. profiileilla tyypillisesti satoja metrejä), jotta prosessin käynnistyskustannukset pysyvät kohtuullisina suhteessa valmistusmääriin. Suulakevetolinjan investointikustannus on varsin korkea ja vaatii normaalisti kannattaakseen korkean käyttöasteen ja pienen hukkamäärän. Menetelmän eduista ja haitoista on yhteenveto taulukossa 5.12.

Taulukko 5.12 Suulakevedon etuja ja haittoja.

Suulakevedon muunnokset

Suulakevedosta on kehitetty muunnelmia, joilla pystytään valmistamaan myös kaarevia ja poikkipinnaltaan vaihtelevia profiileja. Tällöin on käytössä kaksiosainen muotti, jonka toinen puolisko on kiinteä ja toinen liikkuva. Liikkuva puolisko on kiinnitetty pyörivään pöytään esim. kuvan 5.38 mukaisesti.

MKR 10.32

Kuva 5.38 Kaarevan profiilin valmistuslaitteisto.

Toisena menetelmän muunnoksena on Exel Oyj:n kehittämä teippipultruusio, jossa ”ulkomuottina” toimii muovikalvo. Sisämuottina on ontelomaisilla kappaleilla stationäärinen lämmitettävä tuurna. Kappale esikovetetaan tuurnan päällä ja jälkikovetetaan linjalla olevassa uunissa. Muilta osin valmistuslaitteisto on kuten suulakevedossa. Poikittaiskelauksella varustetun laitteiston toimintakaavio on kuvassa 5.39.

MKR 10.33

Kuva 5.39 Teippipultruusiolaitteisto.

Kestomuovipultruusio on kehityksensä alkuvaiheessa. Lujitteet ovat joko esi-impregnoituja rovingeja tai impregnointi tapahtuu muotin sisällä. Oleellisimmat erot kertamuovien pultruusioon verrattuna ovat muottikonstruktioissa. Esi-impregnoidut lujitteet ovat varsin jäykkiä ja vaativat esimuotoiluosan ennen varsinaista muottia.

5.1.12   Suulakepursotus eli ekstruusio

Suulakepursotus eli ekstruusio on ruiskuvalun tavoin lujittamattomien kestomuovien perusvalmistusmenetelmä, jossa käytetään myös lujitteita sisältäviä raaka-aineita. Menetelmässä raaka-aine plastisoidaan jatkuvana prosessina ja muotoillaan suulakkeella halutun muotoiseksi tuotteeksi.

Raaka-aine syötetään syöttösuppilosta ruuville, joka siirtää ja tiivistää sekä lopulta plastisoi ja homogenisoi sen. Ruuvin eri vyöhykkeet on esitetty kuvassa 5.40. Ruuvin geometria valitaan käytettävän raaka-aineen mukaan. Rakenne voi koostua myös kahdesta ruuvista.

MKR 10.34

Kuva 5.40 Suulakepursotusruuvin eri osien toiminnot.

Suulakepursotusta käytetään putkien, profiilien, kalvojen ja letkujen valmistukseen. Ainakin toistaiseksi lujitettuna raaka-aineena on lyhytkuituinen kestomuovigranulaatti. Suulakepursotettujen tuotteiden mekaaniset ominaisuudet ovatkin selvästi alhaisemmat kuin suulakevetotuotteilla.

5.1.13   Valssaus

Valssauksessa lujitteet ja hartsi syötetään kalvojen väliin, minkä jälkeen suo­ritetaan tarvittaessa levyn muotoilu. Lopuksi muotoiltu tuote kovetetaan lämmöllä. Menetelmän periaate on esitetty kuvassa 5.41.

MKR 10.35

Kuva 5.41 Valssauksen periaate.

Valssaamalla valmistettavia tuotteita ovat erityisesti rakennusteollisuuden paneelit, kerroslevyt, suorat laminaatit ja muut vastaavat stan­dardoidut tuotteet. Tuotantomäärien on oltava suuria, jotta investoinnit ovat kannattavia.

Tuotteiden lujitus on etenkin rakennusteollisuuden sovellutuksissa katkokuitua. Muissa laminaateissa käytetään myös suunnattuja lujitteita ja kudoksia.       

5.1.14   Kerroslevyjen valmistus

Kerroslevyt soveltuvat moniin rakenteisiin keveytensä, jäykkyytensä ja hyvien eristysominaisuuksiensa ansiosta. Kerroslevyjen valmistukseen voidaan käyttää valmiita ydinaineita. Vaihtoehtoisesti ydinaine voidaan valmistaa lopputuotteen valmistuksen yhteydessä.

Valmiiden ydinaineiden käyttö

Suosituimmat ydinaineet ovat solumuoveja. Näiden raaka-aineita ovat mm. uretaani-, PVC-, fenoli- ja PMI-muovit. Ydinaineen va­linta kuhunkin käyttötarkoitukseen perustuu vaadittaviin lu­juusominaisuuksiin, lämmön- ja palonkestoon, hintaan ja muihin vastaaviin ominaisuuksiin.

Äärimmäistä keveyttä ja hyviä lujuusarvoja haettaessa tulevat kyseeseen erilaiset hunajakennoydinaineet, joiden perusmateriaalina voi olla esim. alumiini tai hartseilla impregnoidut huovat.

Kerroslevyn valmistuksessa on oleellista hyvän liimasauman aikaansaaminen pintakerrosten ja ydinaineen välille. Tähän tarvitaan riittävä puristuspaine ja sopiva määrä liimaa. Lisäksi ydinaineen on oltava tasalaatuista. Ydinaineet voidaan liimata laminaattiin laminoinnin yhteydessä laminointihartsilla tai erikseen joko pastaliimalla tai liimakalvolla. Kun lujitemuovipinnat kovetetaan ennen ydinaineen liimausta, on ennen liimausta syytä suorittaa pinnan mekaaninen karhennus tai käytettävä laminaatin valmistuksessa karhennuskangasta.

Ydinaineen liimauksessa tarvittava puristuspaine aikaansaadaan alkeellisimmillaan painoilla. Tasaisempi ja korkeampi puristuspaine saadaan aikaan alipainesäkillä. Suorien kerroslevyjen valmistuksessa käytetään etenkin sarjavalmistuksessa monikerrospuristimia, joilla voidaan liimata useita kerroslevyjä kerrallaan.

Kaarevien kerroslevyjen liimaus vaatii joko ydinaineen esitaivutuksen tai korkean paineen sekä usein myös korotetun lämpötilan. Painetta voidaan nostaa autoklaavimuovauksessa useisiin baareihin, joka on useimmiten riittävä ja ylittää jo heikoimpien ydinai­neiden puristuslujuuden. Suljettujen muottien menetelmistä paineinjektio soveltuu hyvin myös kerroslevyjen valmistukseen.

Ydinaineet ovat periaatteessa valmiita liimattaviksi. Usein kerroslevyn ydin kootaan useasta palasta ja mahdollisesti eri tiheyksisistä ja vahvuuksisista materiaaleista. Jatkosaumat on aina liimattava toisiinsa sopivalla liimalla, esimerkiksi vaahtoutuvalla hartsilla tai hartsi/mikropallo-seoksella. Sauman muoto (viistetty/suora jatkosauma) riippuu tuotteen kriittisyydestä. Toisinaan ydinaine joudutaan suojaamaan kokonaan laminointihartsin kemiallista vaikutusta vastaan. Esimerkiksi polystyreeniydin on aina suojattava polyesterihartsilta.

Ydinaineen taivuttaminen loiville pinnoille onnistuu yleensä helposti mm. alipainesäkkiä käyttäen. Sen sijaan jyrkät taivutukset vaativat ydinaineen esitaivutuksen korotetussa lämpötilassa. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää uritettua ydinainetta, paloista tehtyä balsaa tai taipuisia hunajakennolaatuja. Laajojen pintojen valmistuksessa ydinaine voidaan rei’ittää ilmataskujen synnyn estämiseksi. Alipaineinjektioon on saatavilla valmiiksi rei’itettyjä ja uritettuja levyjä, joissa urat toimivat injektoinnissa hartsikanavina.

Ydinaineen valmistus kappaleen valmistusprosessin osana

Valmiiden ydinaineiden käyttö on etenkin sarjavalmistuksessa aikaavievä ja suhteellisen kallis tapa. Markkinoilla onkin erilaisia soluuntuvia materiaaleja, jotka voidaan suoraan kaataa tai ruiskuttaa muottionkaloon. Paisuessaan ne täyttävät onkalon muodostaen samalla rakenteen ydinaineen. Pinnat voivat olla valmiiksi kovettuneita tai prepregiä, jonka paisuntapaine tiivistää laminaatiksi.

Suosituin valmistuksen yhteydessä solustettava ydinaine on polyuretaani. Sen tiheyttä voidaan säädellä 15…150 kg/m³:n rajoissa. Perusmateriaalin hinta on kohtuullinen.

Soluuntuvia epokseja käytetään erikoiskohteissa. Eräänä valmis­tustapana on käyttää hieman alimittaista, soluuntuvasta epoksista muotoiltua ydinaineaihiota, jonka ympärille lujitteet kääritään. Tämä aihio asetetaan muottiin ja muotti suljetaan. Muottia lämmitetään, jolloin ydinaine soluuntuu ja laajenee kostuttaen samalla lujitteet hartsilla. Lopputuloksena on valmis kerroslevytuote.

5.1.15   Valmistusmenetelmien teknistaloudellinen vertailu

Muovikomposiittien useat erilaiset valmistustekniikat ovat kehittyneet ja kehittynevät tulevaisuudessakin kapea-alaisemmiksi. Tietyt menetelmät soveltuvat entistä harvempien kappaleiden valmistukseen, käyttävät omia puolivalmisteitaan tai materiaalejaan ja ovat taloudellisia vain tietyllä sarjakoolla.

Seuraavassa esitettävän valmistusmenetelmien teknisen vertailun avulla voi alustavasti valita sopivan valmistustavan erilaisille tuotteille. Yleensä mitkään rajoitukset eivät kuitenkaan ole ehdottomia, vaan käytännössä löytyy keinoja ylittää rajat. Normaaleista poikkeavat ratkaisut vaikuttavat sekä kustannuksiin että toimitusaikoihin.

Taloudellisuuden tarkka vertailu ei onnistu kuin tietylle kappaleelle, jonka dimensiot, laatuvaatimukset ja sarjakoko on tunnettu. Monissa menetelmissä muottien vaatima investointi vaihtelee huomattavasti tarvittavan sarjakoon ja kappaleen vaikeusasteen mukaan. Tämän takia myöhemmin esitettyihin kustannustasoihin eri menetelmien välillä on suhtauduttava varauksin ja vain suuntaa-antavina.

Tekninen vertailu

Tavallisimmat kappaleen suunnittelussa huomioon otettavat mitta- ja muotorajoitukset eri valmistustekniikoita vastaten on koottu taulukkoon 5.13. Taulukossa 5.14 on puolestaan esitetty yhteenveto taloudelliseen sarjakokoon ja kustan­nuksiin vaikuttavista tekijöistä. Nämä auttavat valmistustekniikan perusvalinnassa. Lopulliseen valintaan vaikuttavat usein myös tuotteelle asetetut erityisvaatimukset.

Taulukko 5.13 Eri valmistustekniikoiden asettamat mitta- ja muotorajoituk­set.

MKR taulukko 10.23

Taulukko 5.14 Eri valmistustekniikoiden tuotantoteknisiä vertailuarvoja.

Taloudellinen vertailu

Komposiittituotteiden hintavertailu yleisellä tasolla on aina epätarkkaa. Kunkin kappaleen erityispiirteet ja -vaatimukset sopivat aina eri tavalla eri tuotantotekniikoille. Näin tekniikkojen keskinäinen vertailu on tuotekohtainen eikä koskaan täysin tasapuolinen.

Seuraavassa taloudellisessa vertailussa on selvitelty kustannuksiin oleellisesti vaikuttavia tekijöitä eli suoria materiaali- ja työkustannuksia sekä laite- ja muotti-investointeja. Muut tuotantoprosessin ja pääoman kustannukset ovat materiaalista riippumattomia ja yhteisiä kaikelle tuotantotoiminnalle.

Muovikomposiittituotteiden raaka-aineiden ja puolivalmisteiden kilohinnat ovat selvästi korkeammat kuin perinteisillä konstruktiomateriaaleilla. Toisaalta materiaalitiheyksien ollessa alhaisia on tilavuushinta kilpailukykyisempi. Lukuisat käytännön esimerkit osoittavat kuitenkin muovikomposiittien olevan kilpailukykyisiä halvimpiin metallikonstruktioihin verrattuna vain, jos kappaleen suunnittelussa pystytään hyödyntämään muovikomposiittien erityisominaisuuksia. Tällaisia ovat esimerkiksi osien integroinnista johtuva kokoonpano-, työstö- tai viimeistelytyön vähenemin­en. Niiden merkitys on yleensä suuri ja eräs merkittävimmistä tekijöistä komposiittien käytön puolesta.

Taulukoihin 5.15 ja 5.16 on koottu suuntaa-antavat hintatiedot lujitteista, puolivalmisteista ja matriisimateriaaleista. Hinnat on annettu teollisuusmittakaavaisille tilauserille.

Taulukko 5.15 Matriisimateriaalien hintoja.

Taulukko 5.16 Lujitteiden ja puolivalmisteiden hintoja.

Materiaalien hintakehitys on ollut varsin rauhallista. Vakiintuneet laadut ovat säilyttäneet reaalihintansa ja uusimmat lujitteet ja muovit ovat jopa halventuneet. Taulukossa 5.15 mainittujen raaka-aineiden suhteelliset hinnat tullevat olemaan myös lähitulevaisuudessa likimain oikeita.

Suoran työn suhteellinen osuus vaihtelee kappaleen koon ja vaikeuden mukaan etenkin työvaltaisissa menetelmissä. Sen sijaan suljettujen muottien menetelmissä muottikonstruktiot kallistuvat eikä työn osuus kasva merkittävästi. Taulukossa 5.17 on annettu suuntaa-antavia arvoja eri menetelmien tuotantonopeuksista ja suoran työn suhteellisesta osuudesta. Kappaleiden vaikeusaste on oletet­tu keskinkertaiseksi ja materiaalit tyypillisiksi. Tuotantonopeus on ilmoitettu yhtä muot­tia kohden.

Taulukko 5.17 Eri tuotantomenetelmien tuotantonopeuksia ja suoran tuotetyön suhteellisia osuuksia.

Taulukossa 5.18 on arviot tyypillisistä laite- ja muotti-in­ves­toinneista eri valmistusmenetelmillä. RTM:ssä ja RRIM:ssä hartsinsyötön kapasiteetti on suuri ja mahdollistaa useiden muottien täyttämisen peräkkäin. Myös kelauksessa laminaatin kovetus tapahtuu usein eri työvaiheena, jolloin kelauskonetta voidaan työllistää koko ajan. Kapasiteetin käyttöasteen maksimointi vaatii näillä menetelmillä joko useita muotteja samalle tuotteelle tai useita eri tuotteita. Taulukossa on annettu yhdenmukaisuuden vuok­si vain yhden muotin hintataso.

Taulukko 5.18 Eri valmistusmenetelmien muotti- ja laitekustannukset.

Sarjakoon vaikutus taloudellisuuteen

Levymäisten ohutkuoristen kappaleiden valmistukseen on olemassa useita käyttökelpoisia valmistustekniikoita. Niiden keskinäinen kannattavuus riippuu sarjasuuruudesta ja kappaleen koosta. Suursarjamenetelmien muotti- ja konekustannukset tulevat kilpailukykyisiksi vasta useamman tuhannen kappaleen vuosituotannolla.

Yleensä kannattavuuskäyrät leikkaavat noin 5000 kpl/a tuotannon kohdalla. Mikäli kappaleiden tarve ei ole tasainen, vaan tarvitaan suuria määriä lyhyessä ajassa, tulevat suursarjamenetelmät suh­teellisesti hieman edullisemmiksi. Kuvassa 5.42 on esitetty karkeasti sarjakoon vaikutus kappaleiden hintoihin keskikokoisille kappaleille ilman erityisvaatimuksia.

MKR 10.36

Kuva 5.42 Sarjakoon vaikutus keskisuurien muotokappaleiden hintoihin, kun kappaleilla ei ole erityisvaatimuksia.

Kappaleen koon kasvaessa suursarjamenetelmien muottikustannukset kohoavat jyrkästi. Samoin koneiden puristuskapasiteetti loppuu muutaman neliömetrin kappalekoossa. Tämä rajoittaa käytettävissä olevat valmistustekniikat vain muutamaan.

Kelattujen tuotteiden hintataso on kohtuullisilla sarjasuuruuksilla 2… 3 kertaa raaka-aineen hinta. Vastaavassa hintatasossa ovat pultruusiolla valmistetut standardiprofiilit.

Muovikomposiittikappaleiden valmistukseen on olemassa useita perusmenetelmiä. Niitä on lisäksi muunneltu tai yhdistelty toisiinsa. Tässä luvussa käsitellään yleisesti tunnetut perusmenetelmät ja tavallisimmat yhdistetyt menetelmät. Tarkastelussa rajoitutaan lujitemuovituotteiden valmistustekniikoihin täydennettynä reaktiovalulla (RIM), joka perusmuodossaan luetaan seostettujen muovituotteiden valmistustavaksi.

Seuraava luku: 5.1    Valmistusmenetelmät