2.4.1   Rakennetyypit

Muovikomposiittituote on usein levymäinen rakenne, jossa yhdensuuntaiset lujitekuidut, lujitekudokset, -punokset tai -matot ovat kerroksittain levytasossa (kuva 2.5). Tällaista kerroksista muodostuvaa rakennetta kutsutaan laminaatiksi.Usein nimike täsmennetään lujitteen käyttömuodon, lujitteiden suuntauksen, kerrosten pinoamisjärjestyksen ja laminaatin rakenteen perusteella.

Kuva 2.5 Laminaattirakenteinen jäykistetty levy.

Yleisimpiä lujitteen käyttömuotoja ovat kudokset ja matot. Käyttömuodon määrittelevä laminaatin täsmennetty nimike on tällöin kudos- tai mattolaminaatti.

Lujitesuuntaukseltaan yksinkertaisin laminaatti on yhdensuuntaislaminaatti (unidirectional laminate), jossa kaikki kuidut ovat referenssikoordinaatiston pääakselin suunnassa eli 0°-suunnassa. Ristikkäislaminaatissa (cross-ply laminate) kuidut ovat pääakselin suunnassa ja sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa eli suunnissa 0° ja 90°. Kulmaladotussa laminaatissa (angle-ply laminate) kuitukerrokset ovat pareittain kahdessa suunnassa, jotka eroavat toisistaan vain etumerkiltään. Yksinkertaisimmassa kulmaladotussa laminaatissa on kaksi kerrosta, toinen suunnassa +q° ja toinen suunnassa –q° pääakseliin nähden. Balansoiduissa laminaateissa (balanced laminates) muut kuin pääsuuntiin 0° ja 90° suunnatut kuitukerrokset esiintyvät pareittain niin, että jokaisen +q°-suuntaisen kerroksen parina on –q°-suuntainen kerros. Balansoitu laminaatti voi sisältää myös useita kerrospareja eri suuntakulman itseisarvoilla. Määrittelyjen mukaisesti ristikkäislaminaatit ja kulmaladotut laminaatit ovat balansoitujen laminaattien erikoistapauksia.

Kerrosten pinoamisjärjestyksen perusteella laminaatit luokitellaan symmetrisiksi, antisymmetrisiksi ja epäsymmetrisiksi. Ensiksi mainitut ovat materiaaleiltaan ja kerrossuuntauksiltaan symmetrisiä laminaatin keskitason suhteen. Antisymmetrisissä laminaateissa keskitason molemmin puolin on samassa kohdassa samanlainen kerros niin, että toinen niistä on suunnassa +q° ja toinen suunnassa –q°. Antisymmetrinen laminaatti voi lisäksi sisältää 0°- ja 90°-suuntaisia kerroksia, jotka esiintyvät pareittain sijoittuen symmetrisesti laminaatin keskitasoon nähden. Edellä olevien määritelmien ulkopuolelle jäävät laminaatit ovat epäsymmetrisiä.

Pelkästään kuitulujitetuista kerroksista koostuvaa laminaattia kutsutaan monoliittiseksi laminaatiksi. Toinen yleinen laminaattirakenne on kerroslevy, joka muodostetaan liimaamalla kahden ohuehkon pintalevyn väliin kevyt ydinaine (kuva 2.6). Kerroslevy on kevyt ja jäykkä, minkä lisäksi rakenne on mahdollista suunnitella hyvin ääntä ja lämpöä eristäväksi. Pintalevyt ovat usein kuitulujitettuja laminaatteja. Yleisimpiä ydinaineita ovat solumuovit, balsa sekä alumiinista, muovista tai lujitetusta muovista valmistetut kennolevyt.

Kuva 2.6 Kerroslevyrakenne.

2.4.2 Rakennemäärittely

Kuitulujitettu komposiittirakenne on huomattavasti hankalampi määritellä kuin vastaava homogeenisesta materiaalista valmistettu rakenne. Määriteltäviä seikkoja ovat geometrian ohella materiaalit ja niiden seossuhteet, laminaattirakenne sekä valmistusprosessi.

Materiaalimäärittelyjen tulee yksikäsitteisesti selvittää, mistä raaka-aineista tuote valmistetaan. Oleellista on lisäksi määritellä raaka-aineiden seossuhteet valmistuksessa ja lopputuotteessa. Nämä voidaan ilmoittaa vaihtoehtoisesti paino-osuuksina tai tilavuusosuuksina. Osuudet ilmoitetaan tavallisesti prosentteina. Käytettävä suure on aina määriteltävä, koska raaka-aineiden tiheydet ovat erilaiset. Yleisin ja tässäkin kirjassa sovellettu tapa on käyttää paino-osuudelle merkintää p% (paino) ja tilavuusosuudelle merkintää t% (tilavuus). Vastaavat merkinnät englanninkielisessä kirjallisuudessa ovat paino-osuudelle w%  (weight) ja tilavuusosuudelle v% (volume).

Laminaattirakenne kuvataan kerros kerrokselta määrittelemällä kunkin kerroksen materiaalit ja suuntaus kerrosten pinoamisjärjestyksessä. Määrittelyssä käytetään kahta koordinaatistoa. Jokaiseen kerrokseen kiinnitetään lokaali kerroskoordinaatisto, jonka akselit tavallisesti numeroidaan (123). Kerrostason akselit 1 ja 2 yhtyvät kerroksen pääsuuntiin. Yhdensuuntaiskerroksessa akseli 1 on tavallisesti lujitekuitujen suuntainen, kudoskerroksessa kudoksen pituussuunnassa. Akseli 3 suuntautuu alaspäin. Koordinaatiston origo on kerroksen keskitasossa. Määrittelyn mukainen ja kirjassa systemaattisesti käytetty kerroskoordinaatisto on esitetty kuvassa 2.7.

Kuva 2.7 Kerroskoordinaatisto.

Laminaatin ominaisuudet kuvataan globaalissa xyz-koordinaatistossa, jota kutsutaan laminaattikoordinaatistoksi. Sen xy-taso on laminaattitasossa. Akseli z yhtyy laminaatin muodostavien kerrosten 3-akseleihin. Koordinaatiston origo on laminaatin keskitasossa. Määrittelyn mukainen ja kirjassa systemaattisesti käytetty laminaattikoordinaatisto on esitetty kuvassa 2.8.

Kuva 2.8 Laminaattikoordinaatisto.

Laminaatin yläpinnaksi määritellään pinta, jonka z-koordinaatin arvo on negatiivinen. Kerrokset numeroidaan juoksevasti yläpinnasta alapintaan (kuva 2.9). Rakennemäärittelyssä kuvataan jokaisen kerroksen materiaalit ja kerroksen suuntaus. Suuntaus määritellään laminaattikoordinaatiston ja kerroskoordinaatiston välisen kulman q arvolla. Kulman positiivinen suunta määritellään yleisimmin kuvan 2.10 mukaisesti. Määrittelyä noudatetaan systemaattisesti myös tässä kirjassa.

Kuva 2.9 Laminaatin kerrosnumerointi.

Kuva 2.10 Laminaatti- ja kerroskoordinaatiston välinen kulma q.

Laminaattirakenne kuvataan usein niin sanotulla laminaattikoodilla. Koodi on standardoimaton ja esiintyy eri lähteissä hieman eri muodoissa. Kirjassa käytettävässä koodissa kerrosten suuntakulmat merkitään hakasulkuihin kauttaviivoin erotettuina yläpinnasta alkaen. Päällekkäin pinottujen samansuuntaisten kerrosten lukumäärä määritellään kyseisen kuitusuunnan kertoimella. Jos laminaatti on keskitasonsa suhteen symmetrinen, koodataan vain puolikas laminaattia ja osoitetaan symmetria hakasulkujen perään sijoitettavalla kirjaimella S (Symmetric). Täsmällisemmässä esitystavassa käytetään kirjainparia SO (Symmetric Odd) tai SE (Symmetric Even) ilmaisemaan, onko keskimmäinen kerros pariton vai parillinen (eli onko laminaatissa pariton vai parillinen määrä kerroksia). Jos laminaatti muodostetaan useista erityyppisistä kerroksista, kerrostyyppi esitetään suuntakulman alaindeksillä (a,b,c,…). Kunkin indeksin merkitys eli indeksiä vastaava kerrostyyppi esitetään erikseen.  Esimerkkejä laminaattikoodin käytöstä on kuvassa 2.11.

Kuva 2.11 Laminaattikoodin käyttöesimerkkejä.