Kompozitové materiály v leteckém průmyslu v ČR

Kompozitové materiály v leteckém průmyslu v
ČR
Ing. Martin Baumruk
Ústav Automobilů, kolejivých vozidel a letadlové techniky
Září 2006
1.)
Kompozitové materiály v malém letectví v ČR
Kompozitové materiály se díky svým nesporným výhodám stále více používají
v různých odvětvích průmyslu. Kompozitem obvykle nazýváme materiál, který je složen
z dvou a více komponentů, jehož výsledné vlastnosti jsou lepší, než vlastnosti samostatných
částí.
Jedna složka slouží jako matrice (výplň) a další jako výztuha. Výztuha (zpevňující část)
má v aplikacích v sportovního letectví ( tj. kategorie UL – ultralight do vzletové váhy 450kg,
nebo CS-VLA dříve JAR/FAR-23) většinou tvar spojitých vláken a takový materiál je
obvykle nazýván vláknovým kompozitem (fiber reinforced composite). Tato výztuha
poskytuje téměř veškerou pevnost a tuhost.
Čím dál významější podíl kompozitových materiálů v letectví a zejména v malém
sportovním letectví a kategorii UL je dán jednak požadavky na vlastnosti konstrukce a jednak
příznivou výrobní cenou kompozitových dílů pro tuto kategorii v porovnání se standartní
nýtovanou konstrukcí z lehkých slitin, nebo konstrukcí z výběrového dřeva. Materiál a
konstrukce letadla má mít maximální výkon a užitečné zatížení a zároveň minimální váhu při
zachování dostatečné pevnosti a tuhosti, což jsou protichůdné požadavky. Vlaknové
kompozity se vyznačuje vysokou tuhostí a dostatečnou pevností při nízké měrné hmotnosti a
umožnují tak navrhnout hmotově výhodnou konstrukci. Mají příznivé hodnoty E-modulů a
poskytují tak vysokou odolnost proti zborcení při stabilitních úlohách (buckling).
Obr 1. Porovnání charakteristik vybraných materiálů
Další výhody kompozitových materiálů jsou také nízká teplotní dilatace, odolnost proti
korozi, pozvolná propagace trhliny a poruchy, vysoká odolnost proti vibracím a dobrá rázová
pevnost. Důvody pro používání kompozitů nejsou ale pouze tyto dobré materiálové
charakteristiky. Oproti klasickým kovovým konstrukcím umožňují odlišnou filosofii
konstrukce a úspory ve výrobě - menší množství vyráběných dílů, snížení pracnosti, menší
odpad materiálu a jednodušší výroba složitých tvarových dílů.
Kladení vrstev kompozitů umožňuje plynule měnit tloušťku skořepiny, u klasické
konstrukce lze toto provést jen drahým chemickým frézováním. Složité tvary povrchů
s dvěma rovinami křivostí se dají vyrobit mnohem snadněji a s kvalitnějším povrchem. Tyto
technologické výhody bývají často výraznějším argumentem pro použití kompozitů,než jejich
materiálové charakteristiky.
Nevýhodou kompozitů je, že ke konstrukci je nutné od počatku přistupovat s jinou
filosofií, dodatečná změna jednotlivých dílů z kovové konstrukce na kompozitovou není
většinou výhodná. Nevýhodou je také, že výsledné vlastnosti kompozitu jsou velmi citlivé
na technologickou kázeň během výrobního procesu (poměr matrice a výztuže, vytvrzování,
manipulace s prepregy atd.) a je nutná pečlivější kontrola než u kovových materiálu. Další
nevýhodou je, že vlastnosti kompozitů se mění s teplotou a také je ovlivňuje vnější prostředí
(vlhkost, radiace apod.) a je třeba složitější systém zkoušek pro pevnostní průkaz.
Matrice má za úkol vázat výztuhu dohromady, držet ji ve správné orientaci, přenášet
na ni a mezi ni rovnoměrně zatížení, chránit ji před vnějším prostředím, poskytovat odolnost
proti šíření trhlin a poškození a poskytovat mezilaminární smykovou pevnost kompozitu.
Dále matrice určuje některé vlastnosti, jako je smrštivost při vytvrzování,chemická odolnost
atd.. Matrice musí být dostatečně pružná,aby nedošlo při tahovém namáhání k jejímu porušení
dříve než k poruše vlákna.
Jako matrice se používají termosety (polyesterové, vinylesterové, epoxidové
pryskyřice), popř. termoplastické systémy (PVC, polyethylen). Matrice používané v malém
letectví jsou většinou pryskyřice ze skupiny thermoplastů. Nejčastěji se používají epoxidové
pryskyřice (vysoká spolehlivost a životnost), někdy i polyestery a vinylestery. Standartem pro
ruční laminaci v leteckých aplikacích je pryskyřice MGS L285, polyesterové pryskyřice se
vyskytují v menší míře.
V případě použití barvených laminátů je možno předpokádat používání pryskyřice
Bakelite l20 SL s provozní teplotou do 110 stupňů.
• Epoxidové pryskyřice
Epoxidové pryskyřice jsou sloučeniny, které obsahují v molekule epoxidovou skupinu.
Tato skupina je velmi reaktivní s velkým počtem látek a umožňuje zesíťované
makromolekulární produkty. Této vlastnosti se využije pro různá lepidla, zalévací a lisovací
hmoty, pojiva pro lamináty a lakařské pryskyřice. Při vytvrzování se neodštěpují vedlejší
produkty a dochází jen k malému celkovému polymeračnímu smrštění (okolo 2%). Tato
vlastnost je velmi výhodná pro výrobky s požadavkem na přesné rozměry a pro výrobu
kompozitů, kde je v důsledku minimálního smrštění minimalizováno vnitřní pnutí i ve
velkých dílech. Epoxidová pryskyřice má nejlepší přilnavost k povrchově neupravené skelné
výztuži v porovnání s ostatními pryskyřicemi.
Epoxidové pryskyřice jsou na bázi alkalické kondenzace bisfenolu A
s epichlorhydrinem jsou tekuté nekrystalické látky, k jejichž vytvrzení (zesíťování) dochází
polyadicí přidáním tvrdidla. Na druhu a množství tvrdidla závisí výsledné vlastností a
podmínky zpracováni pryskyřic. Pro tyto materiály je charakteristická tzv. teplota skelného
přechodu TG , pod touto teplotou zůstávají jednotlivé makromolekuly pod vlivem vazeb na
svých místech. Při překročení této teploty dochází ke skokovému poklesu modulu pružnosti a
měknutí pryskyřice, které může dále vést až k poruše.
Výhody epoxidových pryskyřic jsou: vysoká statická a dynamická pevnost, tvarová
stálost, výborná přilnavost , odolnost vůči chemikáliím a povětrnostním vlivům,
elektroizolační vlastnosti, nízká hořlavost.
Při práci s pryskyřicí musí být přesně dodržován směšovací poměr mezi pryskyřicí a
tvrdidlem. Rychlost reakce závisí pouze na typu tvrdidla a teplotě, nedodržení směšovacího
poměru vede ke snížení mechanických vlastností systému a nedokonalému vytvrzení. Při
směšování dochází k silné exotermické reakci a při zpracování většího množství pryskyřice
muže dojít ke vznícení. Doba zpracování, než dojde k zatuhnutí pryskyřice, závisí na typu
tvrdidla a teplotě. Zvýšení teploty snižuje dobu zpracování.
K vytvrzení pryskyřice dochází při teplotě v rozmezí 20-25 °C v průběhu 24 hodin. Po
uplynutí této doby je možné díl odformovat a dále zpracovávat. Následným dotvrzením při
teplotě 50-60 °C po dobu cca 15 hodin dochází k další zvýšení pevnosti systému a v důsledku
většího zřetězení makromolekul a ke zvýšení teploty skelného přechodu.
Pro aplikaci v letectví je doporučena pryskyřice L 285 s tvrdidly 285,286,287
vyráběná německou firmou MGS. Tento systém je doporučen německou FAA a užíván
většinou výrobců sportovních letadel v ČR.
•
MGS L 285
Pryskyřice L 285 s tvrdidly 285, 286, 287 je nízkoviskozní epoxidový systém určený
pro výrobu dílů s vysokým statický a dynamickým zatížením. Je vhodný pro ruční laminaci
v kombinaci se skleněnými, uhlíkovými nebo aramidovými vlákny.
Parametry nevyztužené pryskyřice :
Epoxidové pryskyřice jednoznačně převažují nad polyesterovými, které jsou sice 5-6x
levnější, ale mají nevýhody jako nižší tvarová stálost, křehkost a nižší houževnatost, špatná
opravitelnost, nižší kvalita spojů (daná parafínem, který se dostává na povrch laminátů aby
zabránil vypařování styrénu,současně však pokud se neslaminovává čerstvý laminát vytváří
separátor ovlivňující kvalitu spoje).
Vinylestery tvoří cenově i vlastnostmi přechod mezi polyestery a epoxidy,a
nepředpokládá se jejich větší rozšíření v leteckých aplikacích.
Vlákna výztuže rozhodují o tahové,ohybové a tvarové pevnosti kompozitu. Tyto
vlastnosti ovlivňuje nejen materiál vláken (uhlík, sklo, aramid atd.), ale i jejich procentuální
obsah v matrici a jejich orientace. Změnou orientace vláken lze optimalizovat tuto pevnost a
tuhost, ale i odolnost proti únavě, teplotě, vlhkosti apod. . Je tak možné ušít materiál na míru
zatížení a specifickým potřebám konstrukce. Díky této možnosti orientovat vlákna lze
dosáhnout přesně takového modulu pružnosti a pevnosti v daném směru, jaký je potřeba a
oproti isotropním materiálům tak získat mnohem lepší poměr pevnost/váha. Pevnost a tuhost
konkrétního materiálu se významně mění podle směru uložení vláken. Je vysoká ve směru
vláken a podstatně horší ve směrech mimo orientaci vláken. Z technologických důvodů se
většinou používá jen několika základních směrů orientace vláken jako ±0o,90o,45o,30 o atd.
V praxi jsou vlákna nejčastěji uspořádána buď jednosměrně (vzájemně rovnoběžně) ve
formě rovingu nebo jednosměrné tkaniny (tkanina s převládajícími vlákny v jednom směru),
nebo vícesměrně ve formě tkanin.
•
Skelná vlákna
Nejběžnější skelná vlákna, označovaná jako E sklo,se vyrábějí z bezalkalické skloviny
(do 1% alkálií). Základem E skla je soustava oxidů SiO2, Al2O3, CaO, MgO, B2O3 . Vlákna se
vyrábějí tažením z taveniny. Tato vlákna mají průměr nejčastěji od 3,5 do 20 μm . Vytažený
pramenec vláken se navíjí na buben. Ještě před samotným navinutím je vlákno, které je samo
o sobě velmi abrazivní a lámavé, opatřeno lubrikací a apreturou. Samotná lubrikace je
nevhodná, sice by se zlepšila manipulovatelnost s vlákny, ale vlákna by měla prakticky
nulovou adhezi k polymerní matrici.
Komerčně se vlákna charakterizují podobně jako textilní vlákna délkovou hmotností
(hmotnost na jednotku délky), která se udává v jednotkách TEX vyjadřující hmotnost jednoho
kilometru vláken v gramech.
Předností skelných vláken je především nízká cena, nevýhodou nízký modul pružnosti.
Skelná vlákna mají lepší houževnatost než uhlíkové vlákna.
S sklo (vojenské účely , komerční verze označována S2), jehož základem je soustava
SiO2, Al2O3, MgO. Toto sklo má vyšší pevnost v tahu a vyšší modul pružnosti ve srovnání s
E-sklem. Pevnost v tahu je vyšší o 33% a modul pružnosti o 12%. Tato vlákna se používají se
v letecké a raketové technice, největšího využití dosahují pro konstrukci listů rotorů. Jeho
použití pro extrémní podmínky (náhrada uhlíkových vláken) omezuje snižování pevnosti v
tahu při vyšších teplotách (nad 600 oC).
D sklo má mechanické vlastnosti horší než sklo typu E, avšak především se používá pro
svoji nízkou dielektrickou konstantu. Využití je tedy převážně v elektrotechnice, elektronice,
energetice.
C sklo chemicky odolné sklo v soustavě SiO2, CaO, MgO, Na2O2, B2O3, Al2O3. Oproti
sklu E vykazuje vysokou odolnost proti kyselinám, jeho mechanické vlastnosti jsou
v porovnání s E sklem horší.
L sklo je speciální sklo s vysokým obsahem olova. Olovo zvyšuje nepropustnost
vyrobeného laminátu rentgenovému záření. Toto sklo se používá v lékařství, vědeckých
přístrojích a vojenství.
•
Uhlíková vlákna
Uhlíková vlákna mají vysokou pevnost, modul pružnosti, tepelnou odolnost a vysokou
únavovou pevnost současně s nízkou měrnou hmotností. S ohledem na specifickou pevnost a
modul pružnosti je překonávají pouze monokrystaly (whiskery) grafitu. Jsou elektricky
vodivá. Nevýhodou je nízká odolnost proti nárazu, způsobená křehkostí uhlíkového vlákna.
Uhlíková vlákna se vyrábějí z viskózových nebo polyakrylonitrilových (PAN) vláken a nebo
z tzv. anizotropní smoly (pitch) zvlákňované z taveniny (Precursory - akrylová vlákna tesilu
nebo vlákna umělého hedvábí vyrobené destilací ropných olejů). Prvním výrobním krokem
přípravy uhlíkových vláken (C-vlákna) je karbonizace primárního vlákna, při níž se nesmí
surovina roztavit a zreagovat na nedefinované produkty. Proto se např. zvlákněné smoly
zesíťují naoxidováním do netavitelného termosetu. Zvlákňuje se pod napětím, aby se v
případě zvlákňování ze smoly vytvořila orientace molekul ve směru osy vlákna. Čím je tato
orientace dokonalejší, tím má vlákno vyšší modul pružnosti a pevnost . Získaná vlákna jsou
černá a lesklá. Vysoký elastický modul se dosahuje spřádáním za tepla.
Uhlíková vlákna se dělí podle hodnot modulu pružnosti a pevnosti. Vlákna získaná při 900°C až
1500°C jsou pevnější, nazývají se vysokopevnostní uhlíková vlákna (označovaná HS = „high
strength“). Tato vlákna jsou levnější než následující vysokomodulová vlákna. Další karbonizací HS
vláken při teplotě 2000°C až 2800°C se získají vlákna grafitová, která mají menší tahovou pevnost, ale
vynikají vyšším modulem pružnosti v tahu (vysokomodulová vlákna = HM = „high modulus“).
•
Aramidová vlákna
Aromatický polyamid vyvinutý firmou DuPont pod obchodním názvem Kevlar. Vyrábí
se tažením z roztoku polyparafenylového teraftalamidu rozpuštěného v koncentrované
kyselině sírové. Výhodou aramidových vláken je mimo vysokých pevností a modulů jeho
houževnatost. Pro své vlastnosti se užívá k výrobě ochranných balistických prostředků
(neprůstřelné vesty). Kevlar je odolný plameni, je samozhášivý a netaví se. Velmi dobře tlumí
vibrace a má dobrou rázovou houževnatost.
• Bór
Bórové vlákno se nejčastěji vyrábí procesem chemického napařování, spalováním
trichloride boru vodíkem a napařením na pohybující se žhavené wolframové vlákno. Wolfram
slouží současně jako katalyzátor. Proces se uskutečňuje ve skleněném válcovém reaktoru.
Základní reakce probíhá při 1350°C
2BCl3(g) + 3H2(g) > 2B(s) + 6HCl
Povrch vláken je uzlinatý, s uzlinami orientovanými podél. Struktura krystalů je jemná a
složená z krystalů o velikosti řádu 2 nanometrů.
Jestliže smísíme bórová vlákna s organickou nebo kovovou matricí, vytvoříme kompozit o
vynikajících vlastnostech. Lehký s vysokým modulem a mezí pevnosti.
Kompozit s bórovými vlákny je dražší než např. s vlákny uhlíku, ale má lepší mechanické
vlastnosti. Relativně velký průměr vláken bórového vlákna dává výbornou odolnost proti
ztrátě stability vybočením (buckling) což přispívá k vysoké pevnosti v tlaku kompozitů
s bórovými vlákny.
V malém letectví se tento materiál takřka nepoužívá, nicméně našel velmi dobré uplatnění
při opravách únavových trhlin, poruch a bojových porušení a průstřelů na kovových
konstrukcí vojenských i civilních letadel pomocí lepené kompozitové záplaty. Toto je
výhodná náhrada za dosud používané opravy nanýtovanými příložkami z Al slitiny, kde nýty
oslabují již tak porušenou konstrukci, oprava je zdlouhavá a má řadu dalších nevýhod.
Koeficient teplotní roztažnosti bór/epoxydové kompozitové záplaty se bliží koeficientu Al
slitiny a nezavádí tak do opravy zbytkové pnutí po vytvrzení za zvýšené teploty jako třeba
v případě použití uhlík/epoxidového kompozitu, kde uhlík má ve směru vláken dokonce
záporný koeficient teplotní roztažnosti.
• GLARE
Glare je materiál vzniklý plátováním tenkých vrstev plechů AL-slitiny a skleněného
prepregu.
Laminát je vyráběn vytvrzováním v autoklávu. Různé vrstvy laminátu jsou narovnány na sebe
před vytvrzováním ručním nebo strojním kladením. Vzhledem k vrstvené struktuře materiálu
je možné upravit materiál pro konkrétní použití. Obojí, počet vrstev i orientace vláken může
být měněna v závislosti na použití v konstrukci.
Glare je nejen výborný na únavu, ale má také několik dalších zajímavých materiálových
vlastností. Je odolný proti nárazu, má výbornou vrubovou pevnost, díky vrstvám skla, je
velice odolný proti prohoření a má lepší odolnost proti korozi než samotná AL-slitina.
Pracovní a inspekční postupy jsou jednodušší než u jiných kompozitů a v podstatě stejné
jako u běžné AL-slitiny. V malém letectví se nepoužívá, ve velkém letectví má tento materiál
poměrně velký potenciál.
Pro MKP výpočet kompozitových konstrukcí a definici vlastností ortotropního
kompozitového materiálu je třeba znát 9 složek elastické matice pro 3D model, případně 4
složky ve 2D.
Při výpočtu s použitím 2D skořepinových elementů (shell) je nutná znalost následujících
materiálových parametrů
E1 ...... modul tuhosti v tahu a tlaku ve směru podél vláken
E2..... modul tuhosti v tahu a tlaku ve směru napříč vlákny ve vrstvě
G12.... modul tuhosti ve smyku v rovině vrstvy
μ....... Poissonovo číslo v rovině vrstvy
Orientační mechanické vlastnosti pro vybrané materiály a koeficienty teplotní roztažnosti:
Orientační meze pevnosti vybraných materiálů:
Pro přepočet modulů pružnosti do jiných směrů než 0o a 90 o pro orthotropní materiál platí:
Rovingy jsou pramence tvořené 200-400 (podle TEX) nezkroucenými vlákny
navinutými na cívky. Rovingy (skleněné i uhlíkové) se používají např. na pásnice křídel.
Tkaniny vznikají křížením vláken v podélném a příčném směru tak, že vytvoří
tkaninu. Způsob křížení je označován jako vazba a ovlivňuje vlastnosti tkaniny. Vlastnosti
tkanin lze dále ovlivňovat počtem vláken v jednotlivých směrech. U jednosměrných tkanin
výrazně převažuje počet vláken v jednom směru, v příčném směru jsou vlákna pouze
k vytvoření tkané struktury. Výhody jednotlivých materiálů lze spojovat v tzv. hybridních
tkaninách, utkaných z vláken různých druhů. Tkaniny jsou charakterizovány typem vazby
(např. plátno, kepr, atlas ), tloušťkou a plošnou hustotou.
V malém letectví se nejčastěji používají tkaniny firem Interglass, Hexcel, Porcher a
Vertex. Standartem jsou tkaniny Interglass, které spolu s některými tkaninami Hexcel a
Porcher jsou doporučené pro letectví . S vývojem nových rychlejších letadel s vyšším
zatížením při nutnosti neustále snižovat váhu je snaha stále více používat uhlíkové tkaniny.
Nicméně v poslední době se překvapivě objevuje nutnost hledat alternativní materiály jako
dočasnou náhradu za uhlíkový prepreg, po kterém začala být na trhu taková poptávka, že
výrobci nestačí uspokojovat všechny zájemce. Nedostatek uhlíkového prepregu na trhu je
daný především masivním nasazením kompozitových dílů u velkých výrobců jako Airbus a
Boeing.
Požadavky na bezpečnost posádky při nárazu letounu vedou k využití hybridních
tkanin , především kombinace uhlík kevlar v prostorech kabiny posádky.
Tkaniny a gramáže používané v malém letectví
Jádra sendvičů - Vysoká pevnost kompozitů umožňuje navrhovat konstrukce velmi
malých tlouštěk (desetiny milimetru). Kritické pak není porušení konstrukce lomovou
pevností ale ztrátou stability (buckling). Pro zvýšení ohybové tuhosti dílu se proto využívají
sendvičové konstrukce, kde se mezi spodní a horní vrstvy tkanin vlepí lehká výplň o tloušťce
několika milimetrů (6-10mm).
Materiály těchto výplní jsou většinou pěny (Airex, Conticell, Divinycell, ROHACELL)
o hustotě 50-75kg/m3. Používají se i běžné polystyreny na žebra a výplně. Pěny se dodávají
v deskách různých tlouštěk. Pro zakřivené díly jsou desky na povrchu nařezány, aby bylo
možné jádra v omezené míře tvarovat.
Jsou používány i voštinovy s různými tvary komor (např. Nomex).
2.)
Technologie výroby kompozitových dílů v malém letectví v ČR
Celkové vlastnosti kompozitu závisí na poměru složek pryskyřice ,tužidel a vláken. Při
výrobě laminátových dílů pro velká letadla se používá spíše prepregů (předem nasycená
vlákna). Výrobek je vytvrzován pod tlakem za zvýšené teploty v autoklávu. Ve výrobě
v oblasti malého sportovního letectví je více užívaná metoda ruční laminace.
Obr 2. Skladba kompozitu
Ruční laminace probíhá většinou v negativní formě. Nakladená tkanina se prosytí
pryskyřicí pomocí válečku. V případě použití sendviče je na laminát položena igelitová
plachetka, pod kterou je vytvořen podtlak a sendvič je tak stlačen.
Obr 3. Ruční laminace, prosysování tkaniny pryskyřicí
Při výrobě dílů z kompozitních materiálů se využívá mnoha metod (ruční laminace,
navíjení, lisování, vstřikování, tažení-pultruze a jiné), které se odlišují dosaženými
mechanickými vlastnostmi dílů, kvalitou povrchu, technologickou náročností a náklady. Pro
opakovanou výrobu malých kompozitových letadel je vyhovující metoda ruční laminace do
negativních forem s následným vakuováním sendvičových dílů.
Formy jsou základním nástrojem při výrobě kompozitních dílů. Forma slouží k dosažení
požadovaného tvaru a kvality povrchu. Pro výrobu potahu křídel jsou nejvhodnější formy
negativní, to znamená, že povrch formy tvoří vnější stranu potahu. Při výrobě dílů, jako jsou
žebra nebo konzoly, u kterých není kvalita povrchu rozhodující, je možné použít forem
pozitivních.
Formy se vyrábějí z kompozitů a speciálních formovacích pryskyřic, to zajišťuje stejnou
teplotní roztažnost formy a vyráběného dílu. Výhodou je i jejich nižší váha a snadnější
manipulace oproti formám kovovým. Nevýhodou je menší životnost.
• Ruční laminace Jednotlivé vrstvy tkanin se nakladou do formy a ručně se prosytí
pryskyřící. Optimální poměr mezi matricí a výztuží je 40:60, při ruční laminaci lze tohoto
poměru jen těžko dosáhnout, proto se používá v kombinaci s vakuováním, které alespoň
částečně nahrazuje tlakovou komoru autoklávu.
Forma se zbaví nečistot a zbytků z předchozího laminování, nanese se separátor a
rozleští se bavlněným hadrem. Separátor zabraňuje přilepení dílu k formě a umožňuje jeho
vyjmutí. Po naseparování formy následuje nástřik Vorgelatu, což je vnější lak pro
kompozitové díly, který zajišťuje kvalitu povrchu, ochranu před UV zářením a barevný
vzhled.
Do připravených forem jsou pak kladeny tkaniny dle výrobního postupu. Buď se klade
suchá tkanina, která se ve formě prosytí pryskyřicí válečkem nebo štětcem, případně se
použije prepreg. První vrstvu tvoří jemnější tkanina, která se lépe přizpůsobí tvaru formy.
Ostré vnitřní kouty se vyplňují „zahuštěnkou“ - zahuštěnou pryskyřicí např. s bavlněnými
vločkami. Nedostatečně prosycená místa se kontrolují vizuálně. Po vytvoření vnější vrstvy
následuje vlepení pěnového jádra. Pěna se nařeže nožem podle připravených šablon a zkosí se
hrany. Před přiložením do formy na prosycenou tkaninu se pěna propíchá, což umožňuje
vzlínání přebytečné pryskyřice. Po umístění pěny do formy se spáry mezi pěnovými díly
vyplní pryskyřicí zahuštěnou mikroskopickými dutými skleněnými kuličkami
(microballoons). Nakonec se přes pěnu přiloží vnitřní vrstva tkaniny.
Po položení poslední vrstvy se z tkaniny neodstraňuje igelitová fólie. Fólie se
rovnoměrně proděraví a na fólii se přiloží prodyšná látka např. juta. Po obvodu formy se
nanese tmel a celá forma se překryje další igelitovou fólií, která se po okrajích formy
důkladně přitiskne ke tmelu, který slouží jako těsnění. Z prostoru pod fólií se vysaje vzduch
(vakuování) a vnější přetlak stlačí jednotlivé vrstvy sendviče a umožní tak jejich důkladné
spojení. Juta slouží k rovnoměrnému odsátí vzduchu. Přetlak (vakuum) se nechá působit po
dobu přibližně 24 h, kdy dochází k vytvrzení pryskyřice.
Pro dokonalé vytvrzení a dosažení požadovaných mechanických vlastností, je nutné
provést dotvrzení kompozitu (temperace) při teplotě 55°C po dobu 15 h. To je provedeno
v temperační komoře, kterou je možno sestavit z polystyrénových desek spojených dráty a
utěsněných lepící páskou. Uvnitř komory se umístí topné zařízení s regulátory a ventilátory,
které zajišťují cirkulaci vzduchu a rovnoměrnost teplotního pole.
Obr 4. UFM-10 Samba skořepina trupu s přepážkami
S-WING sendvičová skořepina
Obr 5. WING sendvičová skořepina a hlavní přepážka
Sestava křídla Samba
Obr 5a laminátový závěs
laminátová konsola řízení
Ob 5b Kompozitové táhlo řízení
Podvozková noha a disk kola z hybridního kompozitu
Kromě ručního kladení (suché, nebo prepregu) do formy existují další technologické
postupy, které nacházejí uplatnění ve více sériové výrobě, ve velkém letectví a dalších
oblastech průmyslu.
• Automatické kladení kde vlákna (obvykle jednosměrný prepreg) je umísťován v
počítačově řízeném stroji.
• Navíjení - vlákna buď předem ponořená do pryskyřice, nebo z pásku prepregu jsou
navíjena na rotující vřeteno. Navíjecí stroj je podobný soustruhu, kde výkonné zařízění řídí
úhel navíjených vláken. Speciální cylindrický „ježek“ na koncích vřetene umožní dokonce
navíjet vlákna ve směru osy válcového dílu a tím maximalizovat ohybovou tuhost (firma
Compotech Sušice). Tah v navíjedle umožní pevné spojení vláken u válcových dílů, pro
ploché díly je třeba čtvercové vřeteno a rozřezaním navinutého tělesa dostaneme čtyři panely.
Navíjení je velmi ekonomické – výrobní cena dílu je o 50-70% procent levnější, než ruční
laminace z prepregu. Strojní vybavení bývá nicméně poměrně drahé a proto je tato metoda
určena pro větší výrobní série a velké letectví.
• Pultruze - touto metodou lze dosáhnout vysoce výkoných kompozitových dílů, kdy
vlákna prepregu jsou pomalu protaženy skrz zahřátou průtažnici, díky které se vytvoří
konstantní průžez jako např. I nosník. Tento proces je 6-7x levnější, než ruční kladení a
nevyžaduje velké počáteční investice. Není ale použitelný poro složitější geometrii.
• Resin Transfer Moulding (RTM) sycení tkaniny výztuhy a vytvrzování je spojeno
do jedné operace, což vede k znížení nákladů oproti klasickým technologiím z prepregu.
V této technologii je možné zavést vysoký stupeň automatizace, což ještě více umožňuje
zlevnit výrobu. Pryskyřice matrice je injektována skrz otvory do formy, ve které je uzavřen
předlisek tkaniny. Tento postup je přibližně stejně nákladný jako navíjení vláken, ale
umožňuje vytvářet složitější díly bez nutnosti dalších úprav. Výrobní čas je asi 10x menší, než
u ručního kladení.
Obecně lze ale konstatovat, že většina kompozitových částí v zahraničním velkém
leteckém průmyslu jsou velké, ploché díly s nekonstantním průřezem. Tyto vlastnosti vylučují
technologii navíjení a pultruzi. Konvenční RTM vzhledem k velkému poměru plochy dílů
k tloušťce také nebude přiliš cenově efektivní. Proto technologie prepregu zůstává v průmyslu
dominantní. Nicméně poslední trendy ukazují, že průmysl se čím dál více zajímá o RTM,
který vyžaduje jen jednostranou formu. Pro udržení konkurenceschopnosti prepregové
technologie se zavádějí nákladné automatické kladecí stroje, které umožňijí zmenšit výrobní
čas a zlepšit kvalitu výrobků.
Vytvrzování Ve velkém letectví jsou téměř všechny díly vytvrzovány v autoklávu. Díl je
nejprve umístěn do tlakového obalu (vacuum bag). Přetlak umožní spojení nakladených
vrstev a zabrání vzniku byblin z plynů vznikající během vytvrzování. Speciální prodyšná
tkanina (cloth, edge bleeder) odvede pryč přebytek pryskyřice. Autokláv má
předprogramovaný vytvrzovací cyklus teploty a tlaku – viz obr. 6
Obr 6. Proces vytvrzování v autoklávu
3.)
Použití kompozitových dílů leteckém průmyslu v ČR
Zatímco ve velkém letectví v ČR (na rozdíl od velkých světových výrobců) je použití
kompozitů minimální (kanály přívodu vzduchu k motoru na L-159 a různé kryty, trubka
torzního náhonu klapek na Ae270 z uhlíku vynucenná tuhostními požadavky, dále kryty a
sendvičový zavazadlový prostor Ae270, Raven - zadní odklopná část trupu a různé kryty,
nedokončený projekt lehkého vrtulníku BONGO s kompozitovými listy rotoru a trupem),
v oblasti malého letectví a UL dochází k masivnímu využití kompozitových materiálů v
konstrukci, především díky pokračujícímu velkému rozvoji výroby v této oblasti. Svůj vliv
májí i zjednodušené předpisy a schvalování v kategorii UL. Následuje stručná historie
postupného zavádění kompozitů v dílech primární konstrukce u malých letadel vyráběných
v ČR.
Obr 7. Orientační přehled kompozitových dílů na déle vyráběných typech (typy okolo roku 2000)
Obr 8 Déle vyráběné typy letadel (konstrukce kolem roku 2000)
V grafu jsou uvedeny hlavní sériový výrobci malých letounů používající kompozity na
pevnostní díly, pro srovnání jsou k nim přiřazeni dva další výrobci výkonných kovových
dolnoplošných UL, používající kompozity pouze na kryty. Z předcházejících čísel vyplývá ,že
se v ČR vyrábí ročně přes 300 malých letadel používajících pevnostních kompozitních dílů a
zpracovává se přes 32 tun kompozitů.
Podíl jednotlivých firem na celkovém objemu výroby malých letadel uvádí následující graf.
Podíl firem na vyrobených letounech v ČR
BVL
1%
H+H
5%
S-WING
1%
URBAN AIR
7%
TL ULTRALIGHT
14%
SCHEMPPHIRTH
32%
FANTASY AIR
7%
ATECO
8%
PROFE
3%
TEST
6%
KAPPA
5%
AEROTECHNIK
11%
Zajimavé srovnání přinaší i graf porovnávající produkci pouze malých laminátových
letadel.
Podíl firem na vyráběných letounech používajících kompozity
na pevnostní díly
BVL
S-WING
1%
1%
H+H
6%
URBAN AIR
9%
TL ULTRALIGHT
17%
SCHEMPPHIRTH
38%
FANTASY AIR
9%
PROFE TEST
7%
3%
ATECO
9%
V obou případech vidíme dominantní postavení firmy Schempp-Hirth CS produkujících
ovšem čistě licenční výrobu pro zahraniční trh.
Na následujících graf je porovnána produkce pod dozorem LAA a UCL.
Počet kompozitových letadel vyrobených za měsíc pod dozorem
UCL a LAA
UCL
45%
Hmotnost zpracovávaných kompozitových materiálů pod dozorem
LAA a UCL
LAA
41%
LAA
55%
UCL
59%
Vidíme zde značný podíl letounů UL kategorie, jedná se o u původní české konstrukce
produkované českými firmami s vlastním vývojem.
Pro další využití kompozitů u malých sportovních letadel je možné předpokládat
následující vývoj.
V oblasti kluzáků vyráběných u nás vzhledem k potížím Letu Kunovice se výroba
celokompozitových kluzáků stane naprosto dominantní, vzhledem k dalším požadavkům na
zvyšování výkonnosti a aerodynamiku není cesta s použitím jiných materiálu prakticky
možná.
V oblasti UL je další vývoj silně závislý na možných změnách legislativy u nás.
Současný vývoj UL dospěl u nás i v Evropě do stavu kdy je v této kategorie provozována
značná část sportovního létání.Z toho plynou požadavky na tuto kategorii letounu,vysoké
výkony dané požadavky na vysokou cestovní rychlost a velké dolety při nízké spotřebě a
nízkých provozních nákladech. To je možné pouze za předpokladu dokonalé aerodynamiky
letounu , dané čistými tvary ,použitím moderních profilů a perfektním povrchem letounu,
dosažené při nízké ceně . Kompozity toto umožňují, tvarování povrchu letounu,dodržení
přesnosti tvarů profilu křídla a kvalita povrchu je u kompozitních konstrukcí na kvalitativně
vyšší úrovni než u plechových klasických konstrukcí byť se zapuštěnými nýty.Způsob výroby
ve formách umožňuje minimalizovat počet technologických celků a pevnostní charakteristiky
kompozitů nám umožňují zvládat zvyšující se zatížení letounů bez zbytečného navýšení
váhy.Kovové konstrukce v této kategorii sice nevymizí ,protože pro ně existuje poptávka
určitého segmentu trhu daná především nedůvěrou části uživatelů ke kompozitním
konstrukcím, ale je možné sledovat značný nárůst nových kompozitových konstrukcí v této
kategorii oproti klasickým plechovým konstrukcím.
Tento trend je vidět i v ČR u nových konstrukcí plně nebo částečné kompozitových např.
prototypy letounů AIROX a LARUS.
Obr 9 Airox
Larus
Z hlediska dalšího vývoje konstrukcí je trend vzhledem k požadavkům na výkony UL
doprovázené tlakem na minimální prázdnou váhu více využívat sendvičové konstrukce
s použitím uhlíkových tkanin. Toto je nutno očekávat spíše v oblasti konstrukce trupů, pro
křídla se vzhledem k tloušťce potahů jeví použití uhlíku neefektivní. Sílí i požadavky na
bezpečnost a snaha konstruovat tzv. bezpečné kokpity s použitím hybridních tkanin.
V oblasti jednotlivých konstrukčních uzlů dnes nedostupnost a cena kvalitních kovových
materiálů vede k používání kompozitů na prvcích, pro které bylo dříve typické spíše použití
duralu a oceli.
3.1) Konstrukce od 1990 – 2000 (stále ve výrobě):
• Větroň VSO-10 (1976, Orličanu Choceň) smíšená konstrukce - přední část trupu a
kokpit je vyrobena jako čistá skořepina ze skelného laminátu
• Větron DISCUS firmy Schempp –Hirth v licenční výrobě Orličan Choceň (je
zavedena nová technologie a organizace výroby pro kompozitní materiály a moderní
konstrukčními řešení jako sendvičová konstrukce křídel, uhlík v exponovaných dílech,
způsoby zavádění osamělých sil do laminátu, kování …
• Kluzák G304CZ vyvinuté firmou Glassflugel vyráběbý firmou HPH, Kutná hora
Obr 10. Discus II
Duo Discus
Jora
V kategorii UL:
• D-7 Straton Mini (1990), kokpit ze skelného epoxidového laminátu
• Straton D-8 Moby Dick (1991), PROFE — // ―
• JORA (1993) celokompozitový trup je ze skelného laminátu, který tvoří skořepinu
v přední části trupu vyztuženou překližkovými a polystyrénovými přepážkami, v zadní části
je poloskořepina. Je použita levnější polyesterová pryskyřice s nevýhodami jako vyšší
křehkost, horší opravitelnost a nezaručitelná kvalita slepů při lepení více než několik dní
starých laminátových dílů.
• PEGASS, Delta Air - celokompozitová sendvičová konstrukce trupu
• Cora, Fantasy air — // ―
• S-WING (1995), České Budějovice, Ing. J.Sadílk. Letoun překvapil svou neobvyklou
konstrukcí s naklápěcími křídly místo křidélek a zajímavým designem. Koncepce naklápění
křídel vedla k zajímavému pevnostnímu schématu křídla, jehož základ tvořil sendvičový
trubkový nosník ze skleněného laminátu přenášející jak krut, tak ohyb křídla. Na nosníku byla
navlečena pěnová žebra.Trup je vytvořen jako skořepina s bohatým využitím sendviče v zadní
části. Pro sériovou výrobu byl přepracován na klasický vzpěrový hornoplošník s pevnými
ocasními plochami. Z hlediska kompozitů byla konstrukce upravena a přepočtena na použití
standardních tkanin Interglass a vypuštěny veškeré dřevěné prvky. Plovoucí ocasní plochy
jsou též kompozitové se sendvičovým potahem.
Obr 11. Peggas
S-WING
Ufm-13 Lambáda
• UFM-13 Lambáda (1996) Urban –Air. Na letounu jsou důsledně použity kompozitní
materiály na celý pevnostní systém. Křídlo je jednonosníkové s uhlíkovými pásnicemi se
sendvičovými potahy bez jediného žebra. Trup je skořepina ze skelného laminátu
• QUALT200 (1997) BVL Lomnice nad Popelkou celokompozitový skořepinovým
trup, dřevěný křídlo
• ZEPHYR, ATECO — // ―
• TL-96 Star, TL-Ultralight s.r.o., Hradec Králové. Letoun je komerčně velice úspěšný, dosud
bylo vyrobeno přes 75 ks. Letoun se z hlediska použití kompozitů se řadí do stejné kategorie jako Lambáda.
Křídlo je jednonosníkové se sendvičovým potahem, bez žeber. Díky menšímu rozpětí byly použity pásnice ze
skleněného rovingu. Plovoucí ocasní plocha má obdobnou konstrukci. Trup je proveden z důvodu hmotnostních
úspor jako sendvičová skořepina.
Obr 12. Qualt200
Zephyr
Tl-96 Star
• UFM-10 SAMBA, (1999), Urban air s.r.o., Dolní Libchavy, Tímto typem firma
reagovala na vývoj trhu požadující výkonné motorové letouny, původní Lambáda se svou
koncepcí spíše blížila motorizovanému větroni. Jedná se o stejná konstrukci jako UFM-13
Lambáda. Vzhledem k vyšším zatížením došlo k většímu využití sendviče na některé díly
trupu. Kompozitní materiály jsou využity v celém pevnostní systému, pásnice jsou ze
skleněného rovingu.
• Flamingo, Z hlediska použití kompozitů je zajímavé řešení rámové konstrukce kolem
kabiny, která přenáší síly a momenty mezi samononosným křídlem a trupem, tedy bez použití
obvyklých vzpěr.
Obr 13. UFM-10 Samba
Flamingo
3.2) Nové konstrukce od roku 2001 do současnosti:
• Allergo 2000, Fantasy Air, s.r.o, Písek. Jedná se o upravený typ letounu Cora,
polyesterový kompozitový trup je nahrazen lehčím sendvičovým trupem z epoxidového
skelného laminátu, nový je i laminátový podvozek.
Letoun má celokompozitový trup, kovové křídlo a ocasní plochy.
Obr 14. Allegro 2000
• TL 2000 Sting a TL 2000 Sting Carbon, TL-Ultralight, s.r.o., Hradec Králové
TL 2000 Sting Carbon je nejnovějším modelem firmy TL ULTRALIGHT, který představuje
letadlo kvalitativně nové generace. Výrobce uvádí, že celý letoun je vyroben z carbonových
vláken.
Obr 15. TL 2000 Sting
• VL3 (2005) Karel Klenor – KLN, Choceň
Aerodynymicky čistý dolnoplošník z kompozitních materiálů, konstrukce bohatě využívá
moderních uhlíkových a hybridních materiálů, převážně formou sendvičů Použití těchto
konstrukčních materiálů umožnilo dosažení maximální pevnosti a tuhosti celé konstrukce, při
současném zachování požadované nízké hmotnosti letounu. Letoun má hydraulicky ovládaný
zatahovací podvozk, cestovní rychlost je až 270 km/h CAS.
Letoun byl počátku vyvíjen 3D CADu, kde digitální model letounu je s výhodou využit pro
výrobu laminovací formy. Hmotnost prázdného vystrojeného letounu 301 kg včetně
zatahovacího podvozku. Vyrábí se i varianta s pevným kompozitovým podvozkem, která
mimo finanční úspory přináší i nižší hmotnost prázdného letounu (291 kg).
Trup je tvořen laminátovou sendvičovou skořepinou s příčnými přepážkami. Motorový
prostor přední části trupu je oddělen od prostoru pro posádku sendvičovou protipožární
stěnou, na které je přichyceno motorové lože. Motorové kryty jsou vyrobeny z uhlíkové
tkaniny. Přední část trupu a dvoumístný pilotní prostor je postaven z hybridní tkaniny kevlaruhlík, která dostatečné chrání posádku v případě poškození trupu. Za pilotními sedadly je
zavazadlový prostor. Uhlíkový rámeček nese překryt kabiny z čirého plexiskla, který v
kombinaci se zadními okny zajišťuje posádce vynikající výhled z kabiny. Zadní část trupu
tvoří uhlíková sendvičová skořepina. Křídlo je zkonstruováno jako dvoudutinová nosníková
sendvičová skořepina z uhlíkových tkanin bez jakýchkoliv žeber. Řízení je kombinací
lanového řízení a řízení pomocí táhel. Ovládání křidélek, vztlakových klapek a výškovky je
řešeno pomocí uhlíkem vyztužených táhel.
9.10.2005 tento letoun překonal světový rekord v rychlosti na přímé trati v kategorii R AL2 (
UL letoun řízený aerodynamicky se dvěma osobami). Překonán byl světový rekord z roku
1999 (Johanes KESSLER, Německo) dosaženou rychlostí 274,78 km/h o téměř 10 km.
Obr 16. VL-3
• Zephyr a Faeta, Atec, v.o.s
ATEC 321 FAETA je dvoumístný dolnoplošník celokompozitové konstrukce s vysokým
podílem uhlíkových vláken.
Obr 17. Faeta, Atec
•
•
VL – 7 Fantasy air, Nový vyvíjený typ firmy Fantasy air s kompozitovou kabinou
Vannesa air, Návrh kompozitových plováků
Obr 18.MKP výpočet kompozitvého plováku
3.3) Kompozitové díly větších letadel vyvinutých v ČR:
•
L159 Alca Aero Vodochody a.s., Odolena Voda
Obr 19. L159 Alca
Příklady kompozitových dílů na letounu L159 Alca:
Schránka nouzové dávky - která současně slouží jako zádová opěrka ve vystřelovací sedačce
pilota. Tato nová schránka je oproti původní duralové anatomicky tvarovaná a vykazuje
hmotnostní úsporu.
Obr 21. Schránka nouzové dávky
Kompozitové záplaty
Vyvijí se metodika oprav únavových trhlin, provozních a bojových poškození kovových
konstrukcí pomocí lepené kompozitové (Bor/epoxid) záplaty .
Obr 22. MKP výpočet lepené kompozitové opravy na únavové trhlině kovového potahu křídla
Kompozitové křidélko
Obr 23. MKP výpočet kompozitového křidélka
•
Aero Ae-270 "IBIS"
Interiérové panely nového letounu z produkce AERO a.s. Vodochody, dále např. okenní
panely, spoilery
Obr 24 Interiérové kompozitové prvky Ae-270 Ibis
•
VZLÚ a.s. Praha
Vrtulové listy (epoxid/uhlík)a kryty vrtulových hlav a sedák vystřelovacího sedadla.
Obr 25. Kompozitové díly z VZLÚ Praha
Protipožární kryt dveří pro dopravní letouny AIRBUS třídy A3XX.
Obr 26. Kompozitové díly z VZLÚ Praha
•
CompoTech, s.r.o., Sušice
Pásnice kormidla pro sportovní jachty SWAN45, SWAN601 a T10. Táhla řízení, náhony,
Obr 27. Kompozitová pásnice, Compotech
•
Corvus (Raven 257), Wolfsberg Aircraft a Letov air, Praha, Evektor
Kompozitový konec trupu, konce křídel, přední část trupu, dveře pilotů
Obr 28. Corvus
•
VUT 100, Evektor s.r.o., Kunovice – kovový letoun klasické konstrukce, kompozitová
(sklo/epoxid) vana sedačky, sendvičová přepážka zavazadlového prostoru, prvky
v interiéru
Obr 29. VUT 100
•
EV-55, Evektor s.r.o., Kunovice – projekt 9 místného letounu s využitím kompozitů,
např. sendvičové přepážky trupu
Obr 30. Model EV-55
Nedokončené projekty:
•
L610 Let Kunovice, dopravní letoun vyvýjený v 90 letech. Rozsáhlé použití
sendvičových prvků s voštinovým jádrem a kompozitových dílů vyrobené z prepregů.
Bohužel seriová výroba nebyla zahájena.
Obr 31. Prototyp L610
•
Kompozitový vrtulník Bongo
NA 40 Bongo je českým projektem velmi lehkého, dvoumístného, dvoumotorového
vrtulníku bez ocasního vyrovnávacího rotoru. Cílem projektu je zaplnění mezery na trhu
dvoumotorových vrtulníků, kde v současné době neexistuje vrtulník s méně než sedmi
sedadly a cenou menší než 1,9 mil. USD. Bongo by mělo být cenově přijatelné řešení pro
doplnění vrtulníkové flotily profesionálních uživatelů, jako jsou organizace veřejné
bezpečnosti, lékařská služba první pomoci, tréninková střediska a mediální společnosti.
Současně by Bongo mělo plnit roli "sportovního vozu" mezi malými vrtulníky, případně
se dá díky jeho užitným vlastnostem a možnostem definovat nová kategorie vzdušného
dopravního prostředku.
NA 40 Bongo je dvoumístný kompozitový velmi lehký vrtulník poháněný dvěma
turbohřídelovými motory. Ocasní rotor je nahrazen patentovaným systémem kompenzace
reakčního momentu (COCOMO) Trup je vyroben z polyamidu, nomexu, hliníku,
skleněných a uhlíkových vláken a jiných kompozitních materiálů. Kokpit, pohonná
jednotka a palivová nádrž jsou umístěny v primární kompozitové skořepině, která je
zhotovena vakuovou technologiií za vysokých teplot, stejně jako ostatní kompozitové
díly. Zavazadlový prostor má objem 230 dm3 a je umístěn mezi motorovým prostorem a
palivovou nádrží, takže vytváří další bezpečnostní zónu mezi dvěma požárními
přepážkami. Gumotextilní nádrž pro 210 litrů paliva je umístěna ve spodní části trupu.Tři
kompozitové rotorové listy jsou připevněny k elastomerické rotorové hlavě a jsou
konstruovány podle zásady "bezpečný při poruše". Elastomerická rotorová hlava je
konstruována jako bezúdržbová a její koncepce je podobná systému Starflex. Nad rotorem
může být namontován unikátní raketový padákový systém. Ocasní část je také
kompozitová včetně stabilizačních a kompenzačních prvků.
Obr 32. Technologický demonstrátor, vrtulník Bongo
4.)
Zkoušky a průkazy kompozitových dílů v malém letectví
Certifikace kompozitních dílů je obecně složitější než u klasických konstrukcí.
Problémem je že v ČR neproběhla doposud kromě UL, žádná certifikace celokompozitového
letounu a s danou problematikou tedy nejsou praktické zkušenosti.
V UL předpisech se vyskytují různé odkazy na zvyšující bezpečnostní koeficienty
používané při výpočtech a zkouškách.Tyto praktiky jsou přejímány z předpisů vyšší
kategorie,kde jsou postupy lépe zpracovány (JAR-VLA,JAR-22 a JAR-23,FAR-23).
•
Certifikační požadavky dle JAR-VLA kompozitní konstrukce se posuzují podle
předpisu ACJ VLA572 určují kritické části konstrukce z hlediska bezpečnosti. Minimálně
hlavní nosník, vodorovná ocasní polocha a její uchycení k trupu musí být zkontrolovány, aby
jejich hladiny napětí nepřekročily hodnoty dané tabulkou, dále je požadavek na kvalitní
konstrukci bez koncetrátorů napětí s přiměřenou životností
Vyšší hladiny napětí vyžadují další vyšetření z hlediska únavy buď únavovou
zkouškou založenou na reálných provozních spektrech, nebo únavovým výpočtem s použitím
hodnot pevnosti, které byly prokázány jako dostatečné únavovými zkouškami vzorků nebo
součástí, případně kombinace těchto metod.
Dalším parametrem je zkušební teplota - pro bíle natřené povrchy a kolmé slunce
o
54 C. Když zkouška nebude provedena za této teploty musí být použit přídavný koeficient
1,25. Pro jinak natřené povrchy musí být zkušební teplota určena podle křivek v normě.
Přídavné koeficienty pro průkaz kompozitových konstrukcí jsou doporučeny: 1,2 na
podmínky vlhkosti pro vzorek zkoušený při maximální provozní teplotě vyrobený v zavedené
výrobě s použitím kvalitní kontroly a 1,5 pro vzorek zkoušený při nespecifikovaném rozpětí
vlhkosti a teploty
•
Certifikační požadavky dle JAR-22 (větroně) Používané komponenty materiálu
(pryskyřice, skelná vlákna, uhlíková vlákna atd) musí být dostatečně specifikovány a musí být
schváleny. Výběr a kontrola těchto komponentů se provede dle odpovídajících leteckých
norem. Průkaz o vhodnosti je nutno provést pro rozsah teplot od -55 oC do + 75 oC. Fyzikální
a chemické vlastnosti pojiv a technologie je třeba zjistit na zkušebních vzorcích (lamináty,
sendviče atd.). Je třeba zohlednit vlivy, které mohou vzniknout při provozu (např. zvlášť
výrazná a krátkodobá změna klimatu, vliv vody apod.). Všeobecně je toto možné pouze skrz
pokusy/zkoušky.
Norma dále určuje zátěžové zkoušky pro průkaz doby životnosti, zkoušky pro zjištění vlivu
stárnutí (skladovací podmínky apod.) a statickou zátěžovou zkoušku atd.
•
Certifikační požadavky dle FAR-23 závazné jsou požadavky Advisory Circular
No:20-107A. Poradní oběžník se vztahuje především k předpisům FAR Pt23,25,27 a 29 a
konstrukcím podle těchto předpisů certifikovaným, pokud obsahují kompozitní materiály
s výztužnými vlákny, tj. uhlíkovými, bórovými, Kevlarovými a skelnými vlákny.
Musí být stanovena kritéria vlivu prostředí, zahrnující nejhorší expozici za teploty a
vlhkosti, kterým může být materiál vystaven v provozu. Návrhové výpočtové hodnoty, platné
pro materiálový systém, jsou získány zkouškou laminátu, nebo výpočtem běžně uznávanou
analytickou metodou, nebo z výsledků zkoušek jednosměrných vzorků. Úroveň napětí
v konstrukci musí být dostatečně nízká k tomu, aby konstrukce byla schopna přenést i
poškození nárazem v provozu. Prokazuje se statická pevnost konstrukce programem zkoušek
až do početního zatížení, případně početním průkazem s dílčími zkouškami. Dále následuje
únavová zkouška konstrukce, zjištění citlivosti konstrukce k šíření únavových trhlin, včetně
údajů o vlivu vnějšího prostředí na růst defektů, inspekční metody apod. Speciální požadavky
jsou také na dynamiku nárazu při havárii, aby osoby na palubě měly rozumné šance vyhnout
se vážnému zranění a přežít. Dále se zkouší hořlavost, odolnost proti ohni, ochrana proti
blesku, působení povětrnostních vlivů, abraze, eroze, ultrafialového záření a chemické
vlastnosti prostředí (glykol, hydraulická kapalina, palivo, čistící prostředky,atd.) atd.
5.)
Diagnostika kompozitových dílů, optická vlákna, „chytré“ kompozity
Hodnocení napětí v kompozitových konstrukcích je možné provádět pomocí
standartních zavedených metod s zohledněním specifických vlastností kompozitu – např.
tenzometrií s nutností teplotní kompenzace tenzometrů. Někdy se používá výrazně delších
tenzometru pro zprůměrování hodnot přes vlákna, kde u krátkého tenzometru by hrozilo, že se
chytne jen lokální hodnata napětí.
Velmi zajímavou rozvíjející se oblastí je využití optických vláken jako snímačů v
kompozitových dílech. Specifickou aplikací je užití tkzv. chytré výztuhy kompozitu (smart
composite reinforcements), kdy se do výztuhy přidají optická vlákna jako senzory, které
umožní neustálé monitorování stavu a provozuschopnosti konstrukce. Optická vlákna zde
fungují jako snímače a zároveň přenašeče dat. Umožňují měřit řadu parametrů, jako tlak,
teplota, vlhkost, mechanická deformace (napětí), vibrace ale i hodnotit únavové
charakteristiky, detekovat vnitřní poruchy, trhliny v matrici, delaminaci, kontrolovat šíření
poruch, akustické emise, creep, analyzovat chemické změny (např. stárnutí), monitorovat
proces vytvrzování apod. .
Optická vlákna mají řadu výhod v porovnání s klasickými tenzometry, nehrozí ztráta
dat při elektromagnetické interferenci a proto je možné je použít tam, kde by elektrické
senzory nefungovaly, nebo vyžadovaly drahou ochranu. Jsou malá a lehká, nedochází ke
korozi, minimalizuje se potřeba připájených vodičů a drátů, je možné měřit absolutní
deformaci apod. .
Běžné optické vlákno se skládá z dvou částí – jádra a obalu. Jádro má vyšší index
lomu než obal a světelná vlna se šíří vnitřním odrazem v průřezu jádra. Průměr běžných
telekomunikačních optických vláken je 125 μm a průměr 1 režimového okolo jádra 7-12 μm,
pro více režimové (multi-mode, kdy na optické vlákno je připojeno více snímačů) je průměr
jádra okolo 50 μm.
Relativně malé rozměry a konstantní průměr umožňuje optická vlákna jednoduše
připevnit buď na povrch, nebo během výroby dovnitř dílu. Je možné využít i technologie
bezdrátového přenosu dat.
Obr 12. Schéma optického vlákna
Čidla z optických vláken a chytré kompozitové materiály se zdají mít potenciál
nahradit v řadě aplikací tradiční materiály a tenzometry, přesto stále přetrvává řada oblastí,
kde je nutný podrobný výzkum - jako např. dlouhodobé chování optických vláken během
života dílu (vliv okolního prostředí, teploty, vlhkosti a mechanickému zatížení ). Celkový
výkon optických vláken je silně závislý zda je senzor na povrchu, nebo vložený do dílu.
Vložený senzor je mnohem lépe chráněn před prostředím a mechanickým požkozením.
Teplota, vlhkost a další parametry prostředí mají vliv nejen na vlastní optické senzory, ale
také příslušný obal. Bylo zjištěno, že při zvýšené teplotě je ohrožena celistvost mnoha
polymerních materiálů užívaných jako obal optických vláken, např. akrylátový obal nevydrží
teplotu vyšší 85°C, zatímco polyimidový obal 385°C.
Na trhu je dostupný široký výběr optických vláken spolu se světelnými zdroji,
světelnými detektory a optickými komponenty. Optická vlákna je tak možné vybrat, aby byla
co nejvhodnější pro konkrétní aplikaci a provozní teploty. Vlákna jsou poměrně křehká, je
proto nutná adekvátní ochrana. Obecně taková ochrana může být poměrně velká
v porovnáním s průměrem vlákna (125 μm). Pokud se optický senzor vloží do výztuhy
kompozitu je nutné zajistit aby zkroucení výztužných vláken (průměr 8-14) bylo co nejmenší.
Toho lze dosáhnout umístěním optického senzoru rovnoběžne s výztuhou.
Běžná ochrana je z polymerového obalu (akrylát, polyimid, fluorohydrocarbon). Když
je třeba další ochrana použije se vyztužující vlákna v polymerickém opláštění. Ochrana
snímané oblasti je složitější, je nutné zajistit aby nedošlo k izolování a oddělení toho co
chceme měřit.
Interpretace dat se senzorů nemusí být také jednoduchá, výstup může být ovlivněn
řadou parametrů jako axiální, radiální a příčná deformace, teplota, teplotní roztažnost
konstrukce, vlhkost apod.
Nově vyvinutý senzor o malém průměru vlákna se speciální mřížkou (Bragg grating,
FBG) umožňuje detekovat delaminaci kompozitů (např. uhlíkový, kompozit z křížovou
skladbou „cross-ply“), vlákna s velmi malým průměrem se jednoduše vloží do 0o vrstvy podél
vláken výztuže a měří se odrazové spektrum, které se mění s zvětšující se délkou delaminace.
Delaminace obecně způsobuje snižení tuhosti a často vede k závážné poruše. Včasná detekce
delaminace je v provozu velmi důležitá a dosud byly používány poměrně zdlouhavé inspekční
metody jako rentgen, nebo ultrazvukový C-scan. Chytré kompozity zde poskytují možnost
monitorování „zdraví“ konstrukce v reálném čase.
6.)
Závěr
Závěrem lze konstatovat, že kompozitní materiály a technologie s nimi spojené se stále
více uplatňují v různých oborech průmyslu a i v letecké výrobě a lze očekávat nárůst tohoto
trendu. Je zřejmé, že s rozvojem aplikací kompozitních materiálů musí jít ruku v ruce rozvoj
ve vědě a výzkumu a že budou průmyslem vyžádovány podrobné analýzy vlastností a chování
kompozitů nejen z oblasti materiálové, konstrukční (např. pevnost, stráta stability, únava,
životnost, vliv vnějšího prostředí) a technologické (nové výrobní metody), ale také v oblasti
zpracování, recyklace a likvidace vysloužilých výrobků.
7.)
Použitá literatura
1. JANČÁŘ, J. : Úvod do materiálového inženýrství kompozitů, FCH VUT, Brno, 1999
2. Jones, R. M., Mechanics of composite material, 1998
3. Dominguez, F.S. (1989) Engineering Materials Handbooks: Composites, vol.1. ASM
International, Metals Park, OH.
4. L. T. Tenek amd J. Argyris Finite Element Analysis for Composite Structures, Kluwer
Academic Publishers 1998
5. Kábrt, Vanessa Air, Kompozitní materiály v konstrukci letounů, Národního výzkumné
centrum pro letectví a kosmonautiku, 2000
6. Gerard F. Fernando, Fibre optic sensor systems for monitoring composite structures,
University of Birmingham, UK
7. A.L. Kalamkarov*, H.Q. Liu and D.O. MacDonald, Department of Mechanical Engineering,
Technical University of Nova Scotia 1997)
8. F.J. Johnsona, W.M. Crossa, D.A. Boylesb, J.J. Kellara, “Complete” system monitoring of
polymer matrix composites, Department of Materials and Metallurgical Engineering, South
Dakota School of Mines and Technology, Department of Chemistry and Chemical
Engineering, South Dakota School of Mines and Technology, Rapid City, USA, 2000
9. A.L. Kalamkarov *, D.O. MacDonald, S.B. Fitzgerald, A.V. Georgiades, Reliability
assessment of pultruded FRP reinforcements with embedded fiber optic sensors, Department
of Mechanical Engineering, Dalhousie University, Canada
10. Diplomová práce, Tomáš Hozák, ČVUT, Fakulta Strojní, odbor Letadel, 2002
11. Diplomová práce, Martin Baumruk, ČVUT, Fakulta Strojní, odbor Letadel, 2003