Det tekniske hjørne: Kulfiber-kompositter

Den første kulfiber-monocoque i Formel 1 blev skabt af McLaren i 1981. Dengang havde de forskellige teams naturligvis ikke faciliteter til fremstillingen selv, og John Barnard fik derfor hjælp af Hercules Aerospace luftfartsselskab.

I dag fremstiller alle teams selv al kulfiberkomposit.


Hvad er en fiberkomposit?
Fiberkompositter er defineret ved en polymer (plast) matrix med fiber armering. Fibre har en stor trækstyrke og stivhed, men kun i retning af fibrene. Desuden er fibre utroligt sprøde, og slås der knude på disse, skærer de gerne sig selv over.

Ved at tilføre en polymer, kan fibrene arrangeres i flere lag med forskellige vinkler, således at et flerakset materiale dannes.
Når fibre og matrix blandes, svækkes de specifikke egenskaber for begge, men i stedet fås et langt mere brugbart materiale med næsten samme styrke.

Den helt store fordel ved at benytte kulfibre er, udover deres høje stivhed og trækstyrke, deres meget lave densitet, der ligger på 1,8 g/cm^3. Til sammenligning er densiteten for stål 7,85 g/cm^3.

Uden maskiner og pre-preg klippes der i hånden
Copyright Nadia Enevoldsen, DTU Risø


Teknisk om kulfibre
Fibrene laves primært ud fra termoplasten PAN (PolyAcryloNitrile), der stammer fra et petrokemisk biprodukt. PAN polymeren bliver sprøjtet gennem nogle små dysser, således at molekylerne arrangerer sig i en masse tynde fibre.

Disse fibre sendes da gennem en oxidationsovn med kontrolleret atmosfære og høje temperaturer. Den kontrollerede atmosfære skal sikre, at fibrene ikke antændes under behandlingen.

Processen fjerner størstedelen af sidegrupperne i polymeren, netop fordi bindingen mellem kulstof og sidegrupperne er langt svagere end den kovalente kulstof-kulstof binding. Herved fås en fiber af over 95 % linjerede kulstof atomer.

Disse fibre får oftest påført et beskyttende lag af semi-tværbunden epoxy på overfladen efter den ovenstående behandling. Herefter er fibrene klar til at blive benyttet.

Grundet den komplicerede fremstillingsproces samt kontrol heraf er kulfibre gerne dyre. Jo finere fibre, desto dyrere komposit. De bedste af kompositterne bliver til dags dato endnu kun benyttet i de større motorsportsklasser som Formel 1, samt i rumteknologi.

I nogle tilfælde benyttes en blanding af glasfibre og kulfibre (Kevlar). Disse har en højere vægt og lavere styrke, men til gengæld er de lettere at få til at afbrække i meget små stykker, således at sandsynligheden for en punktering er mindre. Derfor benyttes denne blanding gerne forskellige steder nær frontvingen.

Et eksempel på crash tests og denne splitring kan ses her


Splitres kulfibrene ikke til uigenkendelighed fungerer de som knive
Copyright Ikke sat!


Vævemønstre
Der findes tre former for vævninger: Ensrettede (UD), bi-aksede og fleraksede. UD og biax kaldes også Non-Crimp tekstiler, hvor materialet kan gøres exceptionelt stærkt i hhv. én eller to retninger.

Ved at væve fibrene sammen, fås en lavere volumen fraktion, men samtidigt dårligere mekaniske egenskaber grundet den bølgede form af de vævede fibre.
Eksempler på væve-stile er:

Eksempler på plain, twill, basket og satin vævninger
Copyright netcomposites.com/Kim Kristensen

De forskellige væve-stile har selvfølgelig også forskellige egenskaber. Twill weave (øverst højre) er gennemsnitligt den bedste, og derved også den, man ser flest steder på en Formel 1 bil. Plain weave (øverst venstre) er til gengæld den mest symmetriske og stabile, og denne ses ligeledes ofte på bilerne.

De to sidste benyttes hovedsageligt udenfor motorsport, hvor der lægges vægt på et særpræget, æstetisk udseende.


Lag på lag
Som nævnt benyttes altid flere lag for at opbygge styrke i forskellige retninger. Jo flere lag, desto bedre styrke, men dette er på bekostning af vægt. En Formel 1 bil har gerne op til 12 lag, og som Hamilton demonstrerer i en video, er resultatet utroligt holdbart:

Hamilton hopper på frontvinge

For at få en endelig tykkelse på 1 mm benyttes ca. 4 lag vævet kulfiber.
Kulfiber er desuden naturligt meget glat og har let ved at smutte rundt.

Teamene benytter derfor såkaldt pre-preg kulfiber, der allerede er påført et tyndt lag resin (flydende plast fungerende som harpiks) inden brug. Herved klistrer hvert lag nemt til det forrige, og arbejdet bliver derfor mere præcist. Til gengæld kræver det utrolig præcision:

Der fås kun ét forsøg, fordi de er umulige at skille ad igen uden at forstyrre vævningen. Rykkes én enkelt fiberrække bare den mindste smule, så svækkes hele laget og derved hele opbygningen i den pågældende retning.

Så meget af arbejdet som muligt laves derfor på maskiner, så præcisionen øges. Dog laves meget forsat manuelt, da maskiner endnu ikke er i stand til at forme og udglatte kulfiberlagene i samme grad som menneskeligt håndarbejde kan.

Arbejderne udstyres ofte med en hårtørrer og en skalpel for at få lagene til at passe omkring kurvede kanter og hjørner.

Studerende ved DTU former kulfiber
Copyright Nadia Enevoldsen, DTU Risø

Sandwich materiale
Flere steder på en Formel 1 bil vil man gerne have mere styrke og lettere vægt end hvad kulfiber kan give alene – Dette gælder især hele chassiset omkring køreren, der er specielt designet til at beskytte.

Derfor benyttes en plade af aluminium som kerne. Den mest optimale struktur i forhold til styrke og vægt er en honeycomb (bikage) struktur, som lægges i midten af kulfiberlagene som en sandwich.

Ved at indsætte en kerne øges styrken dramatisk i forhold til vægten:
Øges tykkelsen af laget til den dobbelte størrelse via en honeycomb, så øges vægten kun 3 %. Derimod stiger stivheden med 700 % og bøjningsstyrken 350 %.
Øges tykkelsen derimod til den firdobbelte via en højere honeycomb struktur, så øges vægten nu kun med 6 % - Til gengæld øges stivheden med 3700 % og bøjningsstyrken med 920 % .

Omvendt steder med honeycomb er front og bagende af bilerne lavet uden, netop fordi disse skal kunne gå let i stykker under et eventuelt uheld. Dét, at opbygningen slås i stykker, absorberer energien fra sammenstødet, så påvirkningen på køreren bliver langt mindre end hvis hele bilen var forstærket med sandwich materiale.

Se en Formel 1 bil skåret over her

Teknisk om matricer – Den bindende polymer
Der findes to former for polymerer - termohærdende og termoplastiske, men det er oftest den termohærdende plast epoxy, der benyttes til kulfiberkompositterne.

Epoxy fungerer som en meget stærk lim, men er ligeså ideel til coating af overflader på fx metal eller gulve. Til gengæld er epoxy skadeligt ved kontakt med huden, så sikkerhedstøj og -handsker er påkrævet.

Epoxy-resin kan hærde helt ved stuetemperatur på ca. en uges tid. Ofte ønskes denne tid grundet produktionsmæssige omkostninger reduceret. Derfor stilles mindre komponenter i en autoklave ved en tilpasset temperatur for resin-typen, og større komponenter bliver tildækket med et elektrisk varmetæppe.

Ved at tilføre varme fremskyndes hærdningsprocessen og eventuel fugt fordamper.
Netop fordi resinen har en levetid på ca. en uge, opbevares pre-preg kulfiberen på køl, således at levetiden inden brug forlænges.

Kulfiber vædet med resin
Copyright Nadia Enevoldsen, DTU Risø


Autoklavering
Som nævnt hærdes epoxyen i en autoklave under vacuum. Dette gøres for at eliminere lufthuller og få pre-preg resinen til at fylde disse huller ud. For at den endelige kulfiberkomposit skal kunne komme uskadt ud af formen, benyttes et lag såkaldt peel ply, der tages af efter processen.

Herudover lægges en perforeret film for at al luft har mulighed for at slippe ud under vacuum, og sidst lægges et plastlag, der forsejles i kanten for vacuum. Dette plastlag er naturligvis tilsluttet en slange, så der kan suges vacuum til et tryk på op til 5 atomsfære på laminatet.

Fordelen ved at benytte pre-preg og autoklavering er især den nemme arbejdsmetode. Der er ikke nær så store helbredsrisici, og den allerede spredte pre-preg resin gør det nemmere at undgå huller.

Benyttelsen af en autoklave sker af flere gange ved opbygning af en enkelt komponent til Formel 1 bilen. Dette skyldes risiko for buler, hvis for mange lag behandles på én gang.

Kulfiberdel til DTU's økobil. Autoklaven ses i baggrunden
Copyright Nadia Enevoldsen, DTU Risø

Sidste hånd på værket
Når resinen er hærdet og kulfiberkompositten er færdig mangler blot den sidste finpudsning. Her slibes alle kanter og huller bores, således at alt er klar til samling. Når alt er samlet, sendes flere dele til test, hvor der især bliver testet sikkerhed.

Fx var det i 2008 krav, at siden af en Formel 1 bil skulle kunne klare sammenstød med 780 kg ved en hastighed på over 50 km/t. Siden da er reglerne blevet endnu strengere, og kravene til kulfiberdelene øges derfor fortsat til fordel for kørernes sikkerhed.

Fernando Alonso slap næsten uskadt fra uheldet i Melbourne 2016
Copyright abc.net.au


Slutteligt, når alt er klar til samling og brug, lægges en film over, så kulfiberen dækkes med reklamer og de velkendte farver fra hvert team. Som en ekstra ting at tænke over her, er 20 % af vægten af monocoque denne bemaling.

Det siger lidt om, hvor lette disse enormt stærke strukturer i virkeligheden er.