Modelboardmallen en harsinfusie voor snellere, goedkopere prototypes

In de loop van deze 33 minuten durende tutorial leer je het volgende:

• Ontwerpoverwegingen voor de matrijs en het onderdeel.
• De mal bewerken en afdichten.
• Proces selecteren
• Versterkingsstrategieën en Layup.
• Vormen sluiten, Infusie verbruiksartikelen en Vacuümzakken.
• Harsinfusie en initiële uitharding.
• Ontvormen, bijknippen en uitharden.
• Afwerking en schilderen.

Voordat we konden beginnen met het maken van de mallen en het uiteindelijke onderdeel, hadden we een ontwerp voor het chassis nodig. Nadat we met James de vereisten voor het project hadden doorgenomen, ging onze Aerospace Engineer aan de slag met het ontwerpen van de composiet monocoque.

Het uiteindelijke ontwerp is een lange buisvormige structuur die normaal gesproken een gedeelde mal nodig zou hebben en die, vanwege de fijne details, normaal gesproken zou worden gemaakt van prepreg. Daarvoor zou echter een hogetemperatuurgereedschap en een epoxy tooling board nodig zijn, waardoor dit buiten het budget en de tijd voor dit project zou vallen en ook overkill zou zijn voor wat het is. Daarom is het plan om dit zeer complexe onderdeel met hars te maken.

De belangrijkste snelkoppeling in dit proces is dat we, in plaats van een patroon te bewerken en dit vervolgens te gebruiken om een mal te maken, de mal direct zelf gaan bewerken. Dit is mogelijk omdat de mal maar één of twee keer gebruikt hoeft te worden.

Het belangrijkste verschil in ontwerptermen is dat, aangezien het bord als mal wordt gebruikt, het wordt ontworpen en bewerkt als negatief, niet als positief. Dit betekent dus dat de mal wordt gemaakt en het model ervan wordt afgetrokken. Omdat het een gedeelde mal is, wordt dit voor elke kant herhaald, waarbij enkele extra gaten worden getekend voor de deuvels. Een soortgelijk proces wordt gebruikt om de mallen voor het luik en de neuskegel te tekenen. De gereedschapsbanen kunnen dan worden gegenereerd om de mallen te bewerken.

Voor dit project, met het krappe budget in gedachten, is een plaat met een lagere dichtheid, zoals onze PU240, een veel goedkopere optie in vergelijking met gereedschapsblokken van PU of epoxy met een hogere dichtheid. Omdat de dichtheid veel lager is, kan de bewerkingstijd veel sneller worden teruggebracht van een hele dag naar slechts een paar uur. Er kan nog meer tijd bespaard worden door een agressieve opruwstrategie te gebruiken, een grote stap over te doen en de fijne nabewerkingsgangen weg te laten ten gunste van het met de hand schuren van de afwerking.

De afgewerkte mallen kunnen dan met de hand worden geschuurd om de bewerkingssporen van de snellere bewerking te verwijderen. Omdat het een plaat met een lagere dichtheid is, kan het heel gemakkelijk met de hand worden geschuurd, wat vele uren tijd bespaart ten opzichte van machinaal schuren met een fijnere stap over.

Nu we de mallen glad geschuurd hebben, moeten we het oppervlak verzegelen. Door de lagere dichtheid en hogere porositeit van de plaat zal een boardsealer zoals onze S120 niet werken voor deze toepassing. We moeten dus een epoxycoating gebruiken zoals onze XCR-coating. XCR is ideaal omdat het snel uithardt en goed kan worden gepolijst. De snelle uitharding betekent echter wel een kortere potlife, wat betekent dat je misschien meerdere batches moet mengen voor grotere mallen.

Omdat deze mallen gebruikt gaan worden voor harsinfusie, is het essentieel om alle oppervlakken met hars af te dichten, niet alleen het oppervlak van het gereedschap, omdat het erg moeilijk zou zijn om de matrijs los te maken van een niet-afgedichte plaat, zelfs met een lossingsmiddel. De dikte moet tot een minimum beperkt worden, vooral op de tegenvoeters. Meer dan een zeer dunne laag vermindert waarschijnlijk het vermogen om de mal effectief te sluiten en veroorzaakt verdere harsafzetting en slordige naden/scheidingslijnen.

Daarna laat je de hars een nacht rusten om volledig uit te harden. Het oppervlak heeft wat rimpelingen en imperfecties, maar dat hoort bij een sneller proces als dit. Het zou mogelijk zijn om vele uren te besteden aan het schuren en vlak maken van de harsafwerking, maar dan loop je het risico dat je door de plank heen snijdt, waardoor je opnieuw hars moet aanbrengen en meer werk hebt. Daarom wordt in dit geval alleen schuurpapier met een fijne korrel 800 gebruikt om fijne puntjes te verwijderen die als lage plekken op het onderdeel zouden overkomen.

In dit stadium worden 6 lagen CR1 Easy-Lease lossingsmiddel aangebracht op de matrijsoppervlakken, pasvlakken en aangrenzende zijden. RW4 Spray release wax wordt ook aangebracht op de tegen elkaar liggende oppervlakken en zijkanten van de matrijs voor verdere hulp bij het loslaten.

Een onderdeel als dit kan op verschillende manieren worden gemaakt, afhankelijk van de beschikbare apparatuur, ervaring en oplage. Met de complexe splitmal en veeleisende toepassing zou prepreg normaal gesproken het proces zijn voor een onderdeel als dit. Prepregs moeten echter uitharden bij hoge temperaturen, waardoor matrijzen met hoge temperaturen nodig zijn. Deze modelplaat kan niet op deze manier worden gebruikt omdat het geen homogeen materiaal is en dus kan kromtrekken en vervormen. Ook zijn de gebruikte plaat en hars niet geschikt voor de uithardingstemperaturen van het prepreg proces. Tot slot hebben PU-modelplaten bij gebruik bij hoge temperaturen een uithardingsremmende eigenschap met epoxy, waardoor ze niet gebruikt kunnen worden voor het uitharden van prepreg op deze manier.

Hand lay up met vacuümverpakking zou een andere keuze kunnen zijn, maar de complexe aard van het onderdeel en de prestatievereisten betekenen dat het waarschijnlijk erg harsrijk en zwaar zou worden. Het zou ook erg moeilijk zijn om holtes en defecten in de fijne details en contouren te vermijden. Om soortgelijke redenen zou hand lay-up met vacuümverpakking erg moeilijk te realiseren zijn, omdat het moeilijk is om de mallen te sluiten en de contouren in te zakken, wat het erg onpraktisch maakt.

Dan blijft Harsinfusie over als het enige levensvatbare proces dat het gewenste onderdeel van hoge kwaliteit en hoge prestaties oplevert. Deze vorm is echter zeer complex en vereist een zorgvuldige planning en inspanning om de wapening aan te brengen en succesvol te infuseren.

Beginnend met de luikdekselmal is deze, omdat hij eenvoudiger is, beter geschikt om het proces te begrijpen voordat we verder gaan met de complexere mallen. De lay-up begint met twee lagen 210g doek. Om rafelen of overmatige vervorming te voorkomen, wordt Fusion Fix EP-spuitlijm gebruikt om de stof te stabiliseren en aan de mal te hechten. De iets lagere kleefkracht van de EP helpt bij het voorzichtig positioneren van de eerste laag stof. Voor de volgende lagen wordt de Fusion Fix GP2 met hogere kleefkracht gebruikt om die lagen en het kernmateriaal vast te kleven.

Het kernmateriaal wordt gebruikt om de stijfheid van het onderdeel te verhogen zonder overmatig gewicht toe te voegen. In dit geval gebruiken we Lantor Soric van 2 mm dik. Dit bestaat uit kleine hexagonen schuim met openingen eromheen om de hars te laten vloeien. Dit betekent dat de kern na uitharding ook een honingraat van hars heeft die extra stijfheid toevoegt. Hoewel het niet het lichtste kernmateriaal is, maakt het feit dat de hars gemakkelijk vloeit voor infusie en zich goed aanpast aan complexe vormen en contouren, het de ideale keuze. Tot slot wordt er nog een laag van 210 g wapening toegevoegd om de lay-up voor deze mal af te maken.

Voor het gieten van het chassis split wordt vanwege de complexe vorm zo veel mogelijk lay-up gedaan met de mal, waarna de malhelften worden gesloten en de rest van de lay-up wordt voltooid. Door de spray tack te gebruiken om de stof te stabiliseren, is het mogelijk om nauwkeurige vormen te snijden voor de fijne details van de mal. Een laag van het 210g doek kan dan op zijn plaats worden gespoten. Het complexe detail zou normaal gesproken onmogelijk zijn om het carbon zich te laten aanpassen, maar met de spray tack is het mogelijk om reliëfsneden te maken en het gestabiliseerde doek bijna net zo te gebruiken als een prepreg.

Een tweede laag 210g doek wordt op ongeveer dezelfde manier aangebracht, waarbij erop wordt gelet dat de reliëfsneden op andere plaatsen worden aangebracht dan bij de vorige laag. Vervolgens wordt er wat Lantor Soric gesneden en op de zijkanten van de monocoque gelegd om stijfheid toe te voegen. Meerdere dunne stroken gestabiliseerde wapening worden gesneden en vervolgens rond de rand van het kernmateriaal gelegd om de dikte van de wapening op die plaatsen op te bouwen. Een volgende laag van 210g weefsel wordt dan bovenop de kern gebruikt. Het overtollige weefsel aan de rand van de mal op de sluitzijden wordt dan afgesneden.

Het proces voor de neuskegel lijkt erg op het plaatsen van een laag 210g stof in elke malhelft. Aan de ene kant wordt de stof gelijk geknipt met de rand van de mal en aan de andere kant wordt een overlap gelaten voor gebruik wanneer de malhelften worden gesloten.

De malhelften zijn nu klaar om aan elkaar geschroefd te worden. Voor de monocoque-mal zijn MDF-verstevigingen toegevoegd om de buiging van de modelplaat te verminderen, omdat deze in delen erg dun is. Dit is niet nodig voor de veel dikkere neuskegelmalhelften.

Om te voorkomen dat hars zich langs de flenzen verspreidt en de bevestigingsbouten zich aan de schroefdraad hechten, wordt de schroefdraad volledig gevuld met vulwas. Op de plek waar de bouten door de flens komen, wordt een beetje meer vullingswas toegevoegd om het vastzetten van de bouten nog minder waarschijnlijk te maken. De malhelften worden dan in elkaar gezet en de bouten worden aangedraaid. Het proces wordt herhaald voor de neuskegelmal, waarbij erop wordt gelet dat de overlappende wapening niet klem komt te zitten tussen de malhelften.

De neuskegel is ontworpen met de overlapverbinding, die je nu kunt zien met de twee malhelften aan elkaar geschroefd. Deze overlapverbinding zorgt voor een sterke verbinding tussen de twee stukken carbon zodra het onderdeel is geïnfuseerd. Bij de mal van het chassis was het carbon echter vlak afgesneden en is het weefsel dus alleen met stootnaden verbonden. Dit zorgt niet voor een sterke verbinding. In dit geval wordt dit opgelost door extra versteviging toe te voegen aan de vloer van de monocoque. Dit wordt gedaan door dikke wapening toe te voegen met een dikte van ongeveer 3 mm. In dit geval hebben we ervoor gekozen om geen kernmateriaal te gebruiken omdat, met het aantal bevestigingsmiddelen dat door de vloer gaat, de extra sterkte en stijfheid van massief laminaat de voorkeur heeft. Een kernmateriaal kan verbrijzelen wanneer een bout stevig wordt vastgeklemd.

De massieve vloer bestaat uit een veel dikkere 650 g koolstofvezel - opnieuw gestabiliseerd met Fusion Fix EP om nauwkeurige en nette mallen te kunnen snijden voor het vloergedeelte. Er zijn vijf lagen nodig om de gewenste dikte te verkrijgen. Er wordt een patch gesneden om de achterkant van de monocoque te versterken en er worden ook dunne stroken gebruikt als tape over de naden om de verbindingen te versterken. Een lichte spray tack wordt gebruikt om de stof op zijn plaats te houden in de mal.

Nu de wapening in de mallen is aangebracht, is het tijd om ze voor te bereiden voor de infusie. We beginnen met de eenvoudigere luikmal en gaan dan verder met de complexere mallen. De eerste stap is om Flash Release tape te gebruiken over de zijkanten van de mal, zodat hars niet aan de mal blijft plakken en gemakkelijk kan worden verwijderd.

Het eerste materiaal in de stapel is ML3, een combinatie van peel ply en infusion mesh. Een normaal infuusgaas zou de neiging hebben om op te veren, waardoor het zich moeilijk aanpast aan de vormen en contouren. De ML3 is in dit opzicht flexibeler. Er worden een paar reliëfsneden gebruikt om te helpen in de krappere gebieden en het is geen probleem als deze sneden elkaar overlappen, maar je wilt geen openingen laten. De ML3 kan op zijn plaats worden gehouden met sprayspijkers met een hogere kleefkracht, zoals de Fusion Fix GP2.

Vervolgens wordt de infusiespiraal over de lengte van één kant van de mal geplaatst en op zijn plaats gehouden met duct tape. De siliconen infusieconnector wordt aan één kant geplaatst. Aan de andere kant wordt een lengte MTI gebruikt, die aan één kant wordt afgedicht, met de PVC-slang erin en afgedicht aan het andere uiteinde. Dit wordt op zijn plaats gehouden op de mal met duct tape.

De volgende stap is het vacuümzakken van de mal - dit is het verschil met een conventionele infusie omdat er een envelopzak wordt gebruikt - in wezen wordt de hele mal in de vacuümzak geplaatst. Je moet heel voorzichtig zijn om te voorkomen dat je de zak doorprikt. Je moet op een gewatteerde ondergrond werken en de techniek is om de mal op te tillen en te kantelen en de zak voorzichtig in stappen te verplaatsen. Werk niet zonder gewatteerd oppervlak en probeer de zak niet over de mal te slepen, want dan is de kans groot dat de zak beschadigd raakt. Aan het uiteinde van de zak wordt afdichtband om de vacuümslang gewikkeld en meer afdichtband gebruikt om het uiteinde van de zak af te dichten. Bij de harsaansluiting wordt de zak doorboord, de PVC-slang erin gestoken en meer gomtape gebruikt om de zak af te dichten.

De vacuümleiding wordt afgeklemd en de pomp wordt aangesloten op de harstoevoerleiding. Dit is gedaan omdat de MTI de luchtstroom sterk beperkt en het dus veel sneller is om de eerste pull-down via de harsaanvoerlijn uit te voeren. De pomp wordt weer teruggeplaatst voor het infuus zelf. Het vacuüm wordt langzaam en in stappen opgebracht, zodat er tijd is om de zak zorgvuldig in alle uitsparingen, hoeken en details van de mal te plaatsen.

Voor de complexere chassismal wordt ML3 weer uitgesneden en op zijn plaats gespoten, zodat er geen gaten ontstaan die problemen kunnen veroorzaken. Flash Release-tape wordt ook aangebracht op de niet-afgedichte randen, net als bij de mal van het luik. Vervolgens wordt boetseerklei aangebracht en over alle blootliggende boutkoppen gegoten om het oppervlak glad te maken en ervoor te zorgen dat de boutkoppen de vacuümzak niet doorboren. In dit geval wordt de MTI in een hoefijzervorm rond de bovenkant van de mal geleid, afgedicht aan de ene kant, met de vacuümslang aan de andere kant. Om de harsstroomafstand onder 500 mm te houden, wordt de infusiespiraal langs de bodem van de mal geplaatst. Extra ducttape wordt gebruikt om het medium op zijn plaats te houden zodat het niet van de verticale zijkanten valt tijdens het opzakken. Er wordt een zeer grote vacuümzak gemaakt en de mal wordt er voorzichtig in geplaatst. De overtollige folie moet in de zeer grote holte van de mal worden gedrukt. Net als voorheen wordt het vacuüm door de harslijn getrokken, waarbij nog meer zorg nodig is om ervoor te zorgen dat het opvulmateriaal goed in de matrijsholte wordt geplaatst.

De neuskegel wordt op ongeveer dezelfde manier voorbereid, met de MTI rondom en de harsinvoer aan de voorkant van de neuskegel. Ook hier moet ervoor worden gezorgd dat de vacuümzak het uiteinde van de neuskegel volledig bereikt wanneer het vacuüm geleidelijk naar beneden wordt getrokken.

Normaal gesproken zou voor een infusie als deze onze IN2 infusiehars de beste keuze zijn. Maar omdat dit een auto met straalaandrijving is, kunnen sommige onderdelen erg heet worden, dus in dit geval is de EL160 High Temp-hars gekozen vanwege de betere prestaties bij hoge temperaturen.

Om te beginnen wordt de hars afgemeten en gemengd volgens de instructies in de TDS, dan wordt de harsinvoerlijn door de mengstaaf gelust en de mengstaaf met tape vastgezet zodat hij niet beweegt. Je kunt dan de lijnklem openen en de infusie starten.

De iets hogere viscositeit van de EL160 betekent dat het ongeveer 20 minuten duurt om de luikmal te infuseren, maar dit valt nog steeds ruim binnen de 5 uur durende potlife. Eenmaal volledig geïnfuseerd wordt de vacuümleiding afgeklemd en kan de pomp worden uitgeschakeld. Een paar minuten later wordt de harsaanvoerleiding afgeklemd. Vervolgens wordt het proces herhaald voor de mal van het hoofdchassis. Met een vergelijkbare vloeiafstand duurt dit ook ongeveer 20 minuten. De kleinere neuskegel heeft ongeveer 10 minuten nodig om te infuseren.

Nu de infusie klaar is, worden de mallen in een oven geplaatst voor de eerste uitharding. Bij gebruik van de normale IN2 infusiehars zou dit niet nodig zijn en zouden de onderdelen normaal gesproken bij kamertemperatuur uitharden. Maar vanwege de speciale aard van de EL160 is een eerste uitharding bij verhoogde temperatuur nodig. De onderdelen worden eerst uitgehard bij 40 °C gedurende 24 uur.

Nu de eerste uitharding voltooid is, kunnen de onderdelen uit de mal worden gehaald. In dit stadium is iets meer voorzichtigheid geboden omdat deze mallen iets kwetsbaarder zijn. De ML3 is gemakkelijker te verwijderen dan een typische mesh en peel ply, maar is nog steeds vrij moeilijk te verwijderen in sommige krappe details, waardoor dit deel van het ontmallen ongeveer 20 minuten duurde. De gespleten mallen kunnen worden losgeschroefd en de onderdelen kunnen worden verwijderd.

Nu de onderdelen ontvormd zijn, is de hoge kwaliteit te zien. Ondanks de complexe aard van de infusie is het gelukt om zelfs rond de complexe details en contouren een void- en pinhole-vrije afwerking te krijgen. Door het snelle toolingproces en de afwerking van de mal met hars heeft het oppervlak van de onderdelen een lichte textuur. Dit is echter geen probleem en zou tijdens het afwerken gemakkelijk moeten verdwijnen. De mallen zelf hebben zich goed gehouden. Er is wat schade te verwachten van de ontvorm wiggen door de zachte aard van het karton, maar het is redelijk te verwachten dat deze mallen nog twee of drie keer gebruikt kunnen worden.

De basisvorm wordt bijgesneden met een Perma-Grit snijschijf op snijlijnen die zijn gemarkeerd met krijtstreeptape voor betere zichtbaarheid. De knipperende lijnen en details worden bijgesneden en teruggeschuurd met een Perma-Grit schuurblok voordat ze worden afgewerkt met schuurpapier.

De onderdelen worden dan terug in de oven geplaatst voor de volledige nabehandeling bij hoge temperatuur die de EL160 hars nodig heeft om de maximale hittebestendigheid en prestaties te bereiken.

De laatste fase is het blank lakken van de onderdelen. Op dit punt kunnen we de textuur corrigeren die is veroorzaakt door het verkorte gietproces dat we hebben gebruikt om de onderdelen te maken. Met een DA-schuurmachine met een zachte tussenpad en schuurschijven met korrel 240 en 400 wordt de textuur zeer snel van het oppervlak verwijderd. Over het oppervlak vegen met water of alcohol is een goede manier om eventuele lage plekken te accentueren, omdat ze dan glanzend tevoorschijn komen.

Het verven gebeurt met onze Fantom Clear koolstofvezel blanke lak. Ondanks de goede pinhole filling en high build eigenschappen, duurt het schilderen van een ruw afgewerkt carbon onderdeel meerdere verfbeurten, uitharding in een oven en het vlak maken van het oppervlak. Uiteindelijk wordt de verf gevlakt en gepolijst voor een perfect gladde hoogglansafwerking. Na het lakken wordt de vloer geboord voor de ophanging.

Nu dit deel van het project voltooid is, heeft het gebruik van deze methode om een tijdelijke mal te maken veel tijd en materiaalkosten bespaard. Door het harsinfusieproces te gebruiken, konden we een onderdeel met hoge prestaties en geschikt voor hoge temperaturen maken zonder dure hogetemperatuurgereedschappen nodig te hebben.

Het hele proces van ontwerp tot afgewerkt onderdeel verliep erg snel en nam slechts 3 dagen in beslag. Het was ook relatief goedkoop en kostte minder dan £1000, wat in vergelijking met epoxygereedschap, prepreg mallen en prepreg onderdelen 3 of 4 keer zoveel kon kosten.

De laatste stap was het afleveren van de auto bij de werkplaats van Project Air, waar hij kon worden afgebouwd voor de wereldrecordpoging.