Module 5L - CEL COMPOSIET
LET OP: AAN DIT ONDERDEEL WORDT NOG GEWERKT
Over dit onderdeel worden 32 vragen gesteld iwaarvoor je maximaal 40 minuten de tijd krijgt om ze te beantwoorden.
5L.1 Structuur - Vezelversterkt plastic (Fibre-Reinforced Plastic, FRP) (niveau 2) (6 vragen)
- Basisbeginselen van bouw met vezelversterkt plastic;
- Kunsthars (Epoxy, polyester, fenol, vinylesther);
- Verstevigingsmaterialen glas, aramide en koolstofvezels, kenmerken;
- Vulstoffen;
- Ondersteunende kernen (balsa, honingraat, schuimplastic);
- Constructies, belastingverplaatsingen (stevig omhulsel van vezelversterkt plastic, sandwiches);
- Vaststellen van schade bij overbelasting van componenten;
- Procedure voor projecten met vezelversterkt plastic (volgens het handboek van de onderhoudsor ganisatie), met inbegrip van opslagomstandigheden van materiaal.
5L.2 Materiaalkunde (niveau 2) (6 vragen)
- Thermoharders, thermoplastische polymeren, katalytische stoffen;
- Begrip, eigenschappen, technologieën voor machinale bewerking, scheiden, binden;
- Harsen voor vezelversterkt plastic: epoxyharsen, polyesterharsen, vinylestherharsen, fenolharsen;
- Verstevigingsmaterialen;
- Van elementaire vezels tot filamenten (losmiddel, afwerking), weefpatronen;
- Eigenschappen van individuele verstevigingsmaterialen (E-glasvezel, aramidevezel, koolstofvezel);
- Probleem met systemen die uit meerdere materialen bestaan, matrix;
- Adhesie/cohesie, diverse gedragingen van vezelmaterialen;
- Vulmaterialen en pigmenten;
- Technische vereisten voor vulmaterialen;
- Wijziging in de eigenschappen van de harssamenstelling door het gebruik van E-glas, microbal lon, aerosols, katoen, mineralen, metaalpoeder, organische stoffen;
- Samenvoegen van verf, separatietechnologieën;
- Ondersteunende materialen;
- Honingraten (papier, vezelversterkt plastic, metaal), balsahout, Divinycell (Contizell), ontwikke lingstrends.
Assemblage van luchtvaartuigconstructies in vezelversterkte composietstructuren (niveau 3)
- Stevig omhulsel;
- Sandwiches;
- Assemblage van aerodynamische profielen, rompen, stuurvlakken.
5L.3 Schade vaststellen (niveau 2) (10 vragen)
- Gedrag van componenten uit vezelversterkt plastic bij overbelasting;
- Vaststellen van delaminatie, losse bindingen;
- Frequentie van buigingstrilling in aërodynamische profielen;
- Belastingsverplaatsing;
- Wrijvingsverbinding en positieve vergrendeling;
- Weerstand tegen vermoeidheid en corrosie van metalen onderdelen;
- Metaalbinding, oppervlakteafwerking van stalen en aluminium componenten bij binding met ve zelversterkt plastic.
5L.4 Standaard reparaties en onderhoudsprocedures (niveau 2) (10 vragen)
- Gipsvormen, keramiek voor vormstukken;
- GFK-vormen, gel-coating, verstevigingsmaterialen, stijfheidsproblemen;
- Metalen vormstukken;
- Buiten- en binnenvormstukken (mannelijk/vrouwelijk);
Uitvoering van praktische werkzaamheden
- Vastzetten van pennen, schroeven, kroonmoeren, kabelspanners;
- Verbindingshulzen;
- Nicopress- en Talurit-herstellingen;Herstelling van bedekkingen;
- Herstelling van stevige omhulsels van vezelversterkt plastic;
- Maken van vormstukken/gieten van een component (bv. rompneus, stroomlijnkap van het lan dingsgestel, vleugeltip en winglet);
- Herstelling van sandwichomhulsels waarvan de binnen- en buitenlaag zijn beschadigd;
- Herstelling van sandwichomhulsels door druk uit te oefenen met een vacuüm rubberzak;
- Herstelling van doorzichtig deel (PMMA) met één- en tweecomponent-kleefmiddelen;
- Binding van doorzichtig deel met het frame van de cockpitkap;
- Harding van doorzichtige delen en andere componenten;
- Herstelling van sandwichomhulsels (kleine herstelling, minder dan 20 cm);
- Afstelling van luchtvaartuigen. Berekening van de massabalans en het bewegingsbereik van de stuurvlakken, meting van de bedieningskrachten;
- 100 uurs/jaarlijkse inspectie van een luchtvaartuigstructuur met vezelversterkt plastic.
THEORIEBOEK VOOR ZWEEFVLIEGTECHNICUS HOOFDSTUK 5
Dit hoofdstuk gaat over materialen. blz. 10 t/m 28 gaat over kunststoffen
Samenvatting H. 5 KUNSTSTOFFEN blz. 10 t/m 28 (gemaakt door Enno Lieder)
1. Inleiding Composieten
Composietmaterialen worden vaak gebruikt in de luchtvaart vanwege hun hoge sterkte-gewichtsverhouding, flexibiliteit in vormgeving, en corrosiebestendigheid. Zweefvliegtuigen maken gebruik van materialen zoals glasvezel (GFK), koolstofvezel (CFK), en aramidevezel (Kevlar), gecombineerd met harsen (meestal epoxy) om sterke en lichte structuren te vormen(KNVvL Handboek voor Zwe…).
2. Soorten Composietmaterialen
2.1 Glasvezelversterkte Kunststoffen (GFK)
- Glasvezel is het meest voorkomende composietmateriaal in zweefvliegtuigen.
- Het bestaat uit dunne glasdraden die zijn geweven in verschillende patronen, zoals unidirectioneel (vezels lopen in één richting) en vierkantweefsel (vezels lopen in twee richtingen).
- Voordelen van GFK zijn de lage kosten, relatief eenvoudig te verwerken en goede isolerende eigenschappen (KNVvL Handboek voor Zwe…).
2.2 Koolstofvezelversterkte Kunststoffen (CFK)
- Koolstofvezel is veel stijver en sterker dan glasvezel. Het wordt gebruikt op kritieke delen waar hoge belasting optreedt, zoals vleugels en rompen.
- Voordelen van CFK zijn de hoge sterkte-gewichtsverhouding en uitstekende stijfheid. Dit zorgt voor lichtere vliegtuigen die betere prestaties leveren, vooral in de thermiek (KNVvL Handboek voor Zwe…).
- Nadeel: Het is duurder dan GFK en gevoelig voor schokken, wat kan leiden tot microscheuren die moeilijk te detecteren zijn (KNVvL Handboek voor Zwe…).
2.3 Aramidevezel (Kevlar)
- Kevlar heeft uitstekende schokabsorberende eigenschappen en wordt soms gebruikt in combinatie met andere vezels om bescherming te bieden tegen impact.
- Voordeel: Kevlar biedt goede schokbestendigheid.
- Nadeel: Het is moeilijk te verwerken en te repareren vanwege de vezel-structuur, en het is minder stijf dan koolstofvezel (KNVvL Handboek voor Zwe…).
3. Constructie en Productie van Composietonderdelen
3.1 Productieproces
Composietonderdelen, zoals rompen en vleugels van zweefvliegtuigen, worden vaak gemaakt in een negatieve mal. Het productieproces verloopt als volgt:
- Lossingsmiddel wordt aangebracht in de mal om te voorkomen dat het composiet vastkleeft.
- Gelcoat wordt gespoten om het oppervlak glad te maken en te beschermen tegen weersinvloeden.
- Lagen van glasvezeldoek of koolstofvezel worden in de mal gelegd en geïmpregneerd met epoxyhars. Het gebruik van verschillende vezeloriëntaties zorgt voor optimale sterkte in meerdere richtingen( KNVvL Handboek voor Zwe…).
- Sandwichconstructie wordt vaak toegepast: tussen de lagen glas- of koolstofvezel wordt een kernmateriaal, zoals schuim of honingraat, geplaatst voor extra stijfheid zonder significant extra gewicht (KNVvL Handboek voor Zwe…).
3.2 Vleugelconstructie
- De vleugels van moderne zweefvliegtuigen worden gemaakt van GFK of CFK, waarbij de vleugels worden opgebouwd in een semi-schaalconstructie.
- Een belangrijk onderdeel van de vleugel is de hoofdligger, die de krachten van de vleugel opvangt. Deze hoofdligger is vaak gemaakt van koolstofvezel vanwege de hoge belastbaarheid (KNVvL Handboek voor Zwe…).
- Neuslijsten worden versterkt met schuim of honingraatstructuren om extra stijfheid te bieden en aerodynamisch verlies te minimaliseren(KNVvL Handboek voor Zwe…).
4. Belang van Sandwichconstructies
De sandwichconstructie is een belangrijke techniek in de productie van composietonderdelen. Hierbij wordt een kern van schuim of honingraatmateriaal ingeklemd tussen lagen van glasvezel of koolstofvezel. Deze constructie biedt:
- Hoge stijfheid: Door de afstand tussen de vezellagen wordt een hoge buigstijfheid verkregen, zonder het gewicht significant te verhogen(KNVvL Handboek voor Zwe…).
- Impactbestendigheid: De schuimkern helpt schokken op te vangen, wat de kans op doorboring of scheuren vermindert.
- Gewichtsbesparing: Omdat minder materiaal nodig is voor dezelfde stijfheid, draagt dit bij aan een lager totaalgewicht van het zweefvliegtuig (KNVvL Handboek voor Zwe…).
5. Inspectie en Onderhoud van Composieten
Composietmaterialen vereisen speciale inspectie- en onderhoudstechnieken om hun structurele integriteit te waarborgen. De belangrijkste methoden zijn:
- Visuele inspectie: Het opsporen van zichtbare schade zoals scheuren, delaminatie, en impactschade.
- Niet-destructieve testen (NDT): Technieken zoals ultrasoononderzoek, wervelstroomonderzoek en thermografie worden gebruikt om interne schade op te sporen die met het blote oog niet zichtbaar is( KNVvL Handboek voor Zwe…).
- Ultrasoononderzoek is de meest gebruikte methode om delaminatie in composieten op te sporen (KNVvL Handboek voor Zwe…).
6. Reparatie van Composietonderdelen
Reparaties aan composieten vereisen grote precisie en specifieke methoden om de oorspronkelijke sterkte te herstellen:
- Lokale reparaties: Voor kleine beschadigingen kunnen lagen glasvezel of koolstofvezel worden aangebracht, gecombineerd met epoxyhars. Het oppervlak moet zorgvuldig worden voorbereid voor een goede hechting (KNVvL Handboek voor Zwe…).
- Grotere reparaties: Voor grote schade moet het beschadigde gebied worden uitgesneden en worden vervangen door een nieuw stuk laminaat. De hechting van het nieuwe laminaat moet gelijkwaardig zijn aan de originele structuur (KNVvL Handboek voor Zwe…).
- Het is belangrijk dat de gerepareerde delen goed uitharden om hun sterkte en duurzaamheid terug te krijgen.
7. Gezondheid en Veiligheid
Bij het werken met composieten komen risico's kijken, vooral door de verwerking van harsen en vezels:
- Beschermende kleding: Het dragen van handschoenen, een veiligheidsbril en een ademhalingsmasker is noodzakelijk om blootstelling aan gevaarlijke stoffen te voorkomen (KNVvL Handboek voor Zwe…).
- Ventilatie: Het werken in een goed geventileerde ruimte is cruciaal om schadelijke dampen van harsen te vermijden (KNVvL Handboek voor Zwe…).
8. Voordelen en Nadelen van Composieten
Voordelen:
- Lichtgewicht en hoge sterkte
- Flexibiliteit in vormgeving, wat aerodynamische optimalisaties mogelijk maakt
- Corrosiebestendig
- Hoge vermoeidheidsweerstand (gaat langer mee zonder structurele degradatie)( KNVvL Handboek voor Zwe…).
Nadelen:
- Kwetsbaarheid voor impact: Composieten zijn gevoelig voor inslagbeschadiging die intern kan zijn zonder direct zichtbaar te zijn.
- Kosten: Composieten, vooral koolstofvezel, zijn duurder dan traditionele materialen zoals aluminium (KNVvL Handboek voor Zwe…).
- Reparatiecomplexiteit: Reparaties aan composieten vereisen gespecialiseerde technieken en vakmanschap, wat tijdrovend en duur kan zijn(KNVvL Handboek voor Zwe…).
Conclusie
Composieten vormen een essentieel onderdeel van de moderne zweefvliegtuigconstructie vanwege hun uitstekende eigenschappen. Een grondige kennis van materialen zoals GFK, CFK en Kevlar, hun productiemethoden, inspectie- en reparatietechnieken is cruciaal voor technici die werken onder de EASA Part 66- regels. Veiligheid en precisie spelen een centrale rol in het werken met deze geavanceerde materialen.
Wat is curing van epoxyhars?
Curing verwijst naar het chemische proces waarbij de vloeibare epoxyhars wordt omgezet in een vaste, sterke structuur door middel van een uithardingsreactie. Dit proces vindt plaats wanneer de epoxyhars wordt gemengd met een verharder (meestal een amine) en vervolgens wordt blootgesteld aan warmte om de reactie te versnellen. De uithardingsreactie veroorzaakt cross-linking (verknoping) tussen de moleculen van de hars, wat zorgt voor de sterkte en stijfheid van het materiaal.
Fasen van het uithardingsproces
- Gelering: In dit stadium verandert de vloeibare hars in een gel-achtige substantie, wat het begin markeert van de uitharding. Tijdens de gelering ontstaat de eerste binding tussen de moleculen.
- Curing (Temperen): Het volledige uithardingsproces waarbij de epoxy zich ontwikkelt tot een vaste, rigide structuur. Tijdens dit proces wordt de maximale sterkte en stijfheid bereikt.
- Post-curing: In sommige gevallen wordt het composiet na de initiële uitharding verder verwarmd om extra cross-linking te stimuleren. Dit verhoogt de thermische en mechanische eigenschappen van het eindproduct (KNVvL Handboek voor Zwe…).
Invloed van Temperatuur
- Koud uitharden: Epoxy kan uitharden bij kamertemperatuur, maar dit kan enkele uren tot dagen duren en levert een relatief lage mechanische sterkte op. Deze methode wordt vaak gebruikt voor niet-structurele onderdelen.
- Warme uitharding (Post-curing): Voor structurele onderdelen zoals vleugels en rompen van zweefvliegtuigen wordt de epoxy vaak verwarmd in een oven tot temperaturen van 60-100°C. Door te temperen versnelt het uithardingsproces, en worden sterkere en stijvere composietdelen gevormd (KNVvL Handboek voor Zwe…).
- Hoge temperatuur curing: Voor sommige high-performance composieten kan de temperatuur tijdens het curing-proces oplopen tot boven 100°C om nog betere thermische en mechanische eigenschappen te verkrijgen (KNVvL Handboek voor Zwe…)(KNVvL Handboek voor Zwe…).
Waarom is curing belangrijk?
- Mechanische eigenschappen: Zonder een correcte curing van de epoxy zou het composietmateriaal niet de benodigde sterkte en stijfheid hebben. Dit is van essentieel belang voor de structurele veiligheid van het vliegtuig.
- Bestendigheid: Curing zorgt ervoor dat het materiaal bestand is tegen externe factoren zoals UV-licht, chemicaliën, en hitte.
- Vermoeidheidsweerstand: Een goed uitgeharde epoxy heeft een hogere weerstand tegen vermoeiing, wat betekent dat het composiet minder snel zijn mechanische eigenschappen verliest door herhaalde belastingen (KNVvL Handboek voor Zwe…).
Belang voor Zweefvliegtuigen
In zweefvliegtuigen is curing cruciaal om de structurele integriteit van de vleugels, rompen en andere composietonderdelen te garanderen. Een onvolledig of verkeerd uithardingsproces kan leiden tot delaminatie of scheuren in het composiet, wat de prestaties en veiligheid van het vliegtuig in gevaar brengt (KNVvL Handboek voor Zwe…).
Wat is een laminaat?
In de context van de composietbouw van bijvoorbeeld zweefvliegtuigen, is een laminaat een composietstructuur bestaande uit meerdere lagen versterkende vezels die met een hars worden gebonden. Elke laag kan verschillende vezelrichtingen hebben, waardoor de sterkte en stijfheid in meerdere richtingen wordt verbeterd. Dit is essentieel voor luchtvaartuigen die krachten uit verschillende richtingen moeten weerstaan, zoals vleugelbelastingen.
Opbouw van een laminaat
Een laminaat is opgebouwd uit de volgende componenten:
- Versterkingsmateriaal: Meestal glasvezel (GFK), koolstofvezel (CFK), of aramidevezel (Kevlar). Deze vezels geven het laminaat zijn sterkte en stijfheid.
- Hars: Meestal epoxyhars of polyesterhars. De hars bindt de vezellagen samen en zorgt voor de uiteindelijke vorm en structurele integriteit van het laminaat(KNVvL Handboek voor Zwe…)(KNVvL Handboek voor Zwe…).
Fabricageproces van een laminaat
Het fabricageproces van een laminaat bestaat uit meerdere stappen, die nauwkeurig moeten worden uitgevoerd om een sterk en duurzaam composietmateriaal te verkrijgen:
1. Voorbereiding van de mal:
- Een mal wordt voorbereid waarin het laminaat zal worden gevormd. De mal bepaalt de uiteindelijke vorm van het composietdeel, zoals een vleugel of romp van een zweefvliegtuig.
- Een lossingsmiddel wordt aangebracht op de mal om ervoor te zorgen dat het laminaat na uitharding gemakkelijk kan worden verwijderd(KNVvL Handboek voor Zwe…).
2. Aanbrengen van vezellagen:
- Vezellagen (zoals glasvezel of koolstofvezel) worden in de mal gelegd. Deze lagen kunnen in verschillende richtingen worden geplaatst om de gewenste mechanische eigenschappen te bereiken. Bijvoorbeeld: een laag met vezels in de lengte van de vleugel voor buigstijfheid, en een laag met vezels in een hoek van 45° voor torsiestijfheid (KNVvL Handboek voor Zwe…)(KNVvL Handboek voor Zwe…).
3. Impregneren met hars:
- Nadat de vezellagen zijn aangebracht, worden deze geïmpregneerd met hars. De hars wordt aangebracht om de vezels volledig te doordrenken en zorgt voor de binding tussen de lagen(KNVvL Handboek voor Zwe…).
- De hars is vaak epoxy vanwege de goede mechanische eigenschappen en uitstekende hechting. De hars dient om de vezels te binden en zorgt ervoor dat het laminaat stijf en sterk wordt(KNVvL Handboek voor Zwe…).
4. Lamineren (aanbrengen van meerdere lagen):
- Dit proces wordt herhaald totdat het vereiste aantal lagen is aangebracht. De richting van de vezels in elke laag kan variëren, afhankelijk van de belastingseisen van het eindproduct (KNVvLHandboek voor Zwe…).
- Het aanbrengen van vezels in verschillende oriëntaties (bijvoorbeeld 0°, 45°, 90°) zorgt ervoor dat het laminaat sterkte heeft in meerdere richtingen.
5. Uitharding (Curing):
- Na het aanbrengen van de vezels en hars moet het laminaat uitgehard worden om zijn definitieve mechanische eigenschappen te verkrijgen. Dit proces wordt ook wel curing genoemd.
- Tijdens de uitharding wordt de hars uitgehard (chemisch verhard), waardoor een sterke binding ontstaat tussen de vezellagen. Dit kan bij kamertemperatuur, maar vaak wordt dit proces versneld door verhitting (temperen) in een oven. De temperatuur ligt meestal tussen 60 en 100°C( KNVvL Handboek voor Zwe…).
6. Post-curing en afwerking:
- Na het uitharden kan een post-curing fase volgen, waarbij het laminaat verder wordt verwarmd om de mechanische eigenschappen zoals hardheid en sterkte te optimaliseren.
- Zodra het laminaat volledig is uitgehard, wordt het uit de mal gehaald en kunnen eventuele nabewerkingen, zoals snijden en schuren, worden uitgevoerd om het gewenste eindproduct te verkrijgen (KNVvL Handboek voor Zwe…).
Sandwichconstructies
Laminaatconstructies worden vaak gecombineerd met een kernmateriaal in een zogenaamde sandwichconstructie. Hierbij worden twee dunne lagen laminaat (bijvoorbeeld glas- of koolstofvezel) aan weerszijden van een lichte kern van schuim of honingraat geplaatst. Dit type constructie biedt:
- Hoge stijfheid: Doordat de laminaatlagen verder uit elkaar liggen, wordt de buigstijfheid verhoogd zonder veel gewicht toe te voegen.
- Lichtgewicht: De kernmaterialen, zoals schuim of honingraat, zijn zeer licht en voegen nauwelijks gewicht toe aan de structuur, terwijl ze de stijfheid vergroten(KNVvL Handboek voor Zwe…).
Eigenschappen van een laminaat
- Hoge sterkte-gewichtsverhouding: Een laminaat is sterk maar licht, wat essentieel is voor luchtvaarttoepassingen zoals zweefvliegtuigen.
- Flexibiliteit in ontwerp: Door het aantal lagen en de oriëntatie van de vezels aan te passen, kunnen de mechanische eigenschappen van het laminaat worden geoptimaliseerd voor specifieke toepassingen (KNVvL Handboek voorZwe…).
- Corrosiebestendigheid: Laminaatmaterialen zoals glas- en koolstofvezel zijn bestand tegen corrosie en chemische aantasting, wat zorgt voor een lange levensduur (KNVvL Handboek voor Zwe…).
Samenvatting
Een laminaat is een gelaagd composietmateriaal dat wordt gevormd door meerdere vezellagen die zijn geïmpregneerd met een hars zoals epoxy. Het wordt gemaakt door vezellagen in een mal te leggen, deze te doordrenken met hars, en vervolgens uit te harden door middel van een curingproces. Laminaatconstructies bieden uitstekende sterkte-gewichtsverhoudingen, flexibiliteit in ontwerp, en duurzaamheid, wat ze ideaal maakt voor de constructie van zweefvliegtuigen en ander luchtvaarttoepassingen.
Zie ook de PowerPoint Composiet 5L (gemaakt door Harm Lezwijn).