POLITECHNIKA LUBELSKA

WYDZIAŁ MECHANICZNY

KATEDRA INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ

Materiały Kompozytowe

Temat: Projekt deski snowboardowej

Prowadzący: Wykonali

dr inż. Jarosław Bieniaś Krzysztof Lewandowski

Dawid Kołosiński

Adrian Jankowski

Wojciech Kępa

LUBLIN 2015

Spis treści:

1. Budowa deski snowboardowej.

2. Profil deski snowboardowej.

3. Wizualizacja projektu deski snowboardowej.

4. Wybór materiałów.

5. Technologia Wytwarzania

6. Literatura

1. Budowa deski snowboardowej

Sercem deski jest rdzeń, który jest otoczony z dwóch stron warstwą włókna szklanego. Boczną ochronę rdzenia stanowi sidewall. Pod dolną warstwą włókna szklanego umiejscowione są krawędzie, a pod nimi mamy ślizg. Wierzchnią warstwę deski snowboardowej stanowi kompozyt polimerowy, w którym widoczne są otwory montażowe do wiązań czyli tzw. inserty. Schemat podstawowej struktury deski snowboardowej, na której opierają się bardziej skomplikowane rozwiązania:

• Rdzeń :

W większość przypadków rdzenie w deskach snowboardowych wykonywane są z laminowanych pasów drewnianych, które są sklejane, a następnie wycinane przy pomocy obrabiarek CNC. Drewno używane do budowy rdzeni pochodzi z drzew liściastych takich jak buk, brzoza, osika czy bambus. Zaletą drewna jest dobre czucie, dobre tłumienie drgań, zdolność do zachowywania kształtu i sprężystości. Rdzenie drewniane bardzo często są zbrojone innymi materiałami, które wpływają na charakterystykę, sztywność czy wagę deski snowboardowej. Najczęściej spotykanymi materiałami są: Carbon, Kevlar, Aluminium oraz pianka, które umiejscawiane są w różnych miejscach i w różnej postaci - w zależności od właściwości, które chce się uzyskać w desce snowboardowej.

• Włókno szklane:

Włókno szklane pomaga zwiększyć sztywność deski i chroni ją przed deformacją. Warstwa włókna szklanego otaczającego rdzeń może przybierać dwie postacie Bi-axial oraz Tri-axial. Warstwa Bi-axial to podwójny splot włókna szklanego, które jest przeplatane pod kątem 90 względem siebie. Takie ułożenie włókna szklanego zapewnia lekkość, niezawodność i wybacza błędy. Najczęściej warstwę Bi-axial można spotkać w deskach dla początkujących lub miękkich deskach freestylowych. Warstwa Tri-axial to potrójny splot włókna szklanego które są ułożone pod kątem +45°, 0° i -45°. Takie ułożenie włókna szklanego tworzy lekką i wytrzymałą warstwę o większej sztywności poprzecznej i większej reaktywności w stosunku do desek z Bi-axial.

• Sidewall:

Warstwa sidewall umieszczona jest wzdłuż krawędzi deski snowboardowej i może przybierać jedną z trzech postaci w zależności od tego jak końce pozostałych warstw został wykonane. Wyróżniamy tu 3 rodzaje konstrukcji: ABS Sidewall/ Sandwich Construction, Cap Construction, Half-Cap Construction.

• Krawędzie:

Krawędzie w deskach snowboardowych wykonywane są ze stali lub stali nierdzewnej, czasami zdarza się że krawędzie wykonywane są z innych materiałów jak brąz, ale to temat zdecydowanie niszowy. Jeśli chodzi o montaż krawędzi to wyróżniamy tutaj dwa rozwiązania: krawędzie montowane na całym obwodzie deski lub krawędzie montowane po obu stronach. Pierwsze rozwiązanie jest obecnie najczęściej stosowane i jest najbardziej wytrzymałe. Minusem może być problem z wymianą krawędzi w przypadku jej uszkodzenia, ale to raczej zadanie dla serwisanta. Jeśli chodzi o drugie rozwiązanie to plusem może być nieco niższa waga deski, ale nos i tail są bardziej narażone na uszkodzenia.

• Ślizg:

Ślizgi w deskach snowboardowych wykonywane są z polietylenu (P-Tex), który jest oznaczony liczbą (np. sitered 2000). Liczba odnosi się do masy cząsteczkowej polietylenu. Wyższa wartość oznacza wyższą masę cząsteczkową, co wskazuje na lepszy i bardziej trwały ślizg. Rozróżniamy dwa rodzaj ślizgów: tłoczone i spiekane.

• "Laminat":

W tym przypadku jest to kompozyt, który składa się z osnowy - np. żywicy epoksydowej oraz zbrojenia - np. maty z włókna szklanego. Na kompozyt jest naniesiony druk.

2. Profil deski snowboardowej

Profil deski, jej wygięcie to jeden z głównych elementów, który determinuje jej przeznaczenie i charakterystykę. Trzeba od razu powiedzieć, że nie ma idealnego profilu deski, każdy ma jakieś wady i zalety. Wszystko zależy od tego co chcemy robić na desce snowboardowej i na czym najbardziej nam zależy. Generalnie w tym temacie rozróżniamy takie pojęcia jak: camber, rocker, zero camber, hybrid camber, powder rocker.

3. Wizualizacja projektu deski snowboardowej

Tego typu profil deski można najczęściej spotkać w deskach dedykowanych do freeride'u. Setback (przesunięcie insertów na tył deski), camber w tylnej części oraz duży rocker w przedniej części sprawia że deska perfekcyjnie płynie w śniegu, a przy tym umożliwia wykonywanie szybkich skrętów.

4. Wybór materiałów

Na rdzeń materiału wybieramy deskę klejona z balsy - Baltek SB 100. Wybieramy ją ze względu na właściwości. Jest ona idealna jako podstawa do budowy warstwowej. Posiada bardzo wysoką wytrzymałość i sztywność przy bardzo niskiej wadze i posiada doskonałą zdolność do łączenia z wszystkimi rodzajami żywic i klejów. Jest odpowiednia do różnych procesów produkcyjnych i jest odporna na zmiany temperatury lub ekspozycją na ogień lub środki chemiczne, takie jak styren. Jest to idealny materiał przekładkowy do szerokiej gamy zastosowań. Posiada też dobrą izolacje akustyczną i termiczną.

Typowe własności BALTEK SB	SB.50	SB.100	SB.150
Gęstość	kg/m3	94	153
Wytrzymałość na ściskanie prostopadła do płaszczyzny	N/mm2	6,3	12,9
Moduł ściskania prostopadły do płaszczyzny	N/mm2	1993	4005
Wytrzymałość na rozciąganie prostopadłe do płaszczyzny	N/mm2	7,4	13,2
Moduł sprężystości prostopadle do płaszczyzny	N/mm2	2200	3570
Wytrzymałość na ścinanie	N/mm2	1,8	3
Moduł sprężystości poprzecznej	N/mm2	106	160
Przewodność cieplna w temperaturze pokojowej	W/m.K	0,048	0,066

Dodatkowo aby polepszyć właściwości deski snowboardowej użyjemy zbrojenia z Kevlaru, który jest umiarkowanie lekki, wytrzymały, dobrze znosi naprężenia i jest dobrym tłumikiem. Aluminiowe wkładki wzmacnia się poprzez laminację pomiędzy nimi a rdzeniem włókna szklanego.

Celem zwiększenia sztywności deski snowboardowej i ochrony jej przed deformacją zastosujemy tkaninę z włókna szklanego o splocie płóciennym, ponieważ jest tańsza od innych. Do produkcji deski snowboardowej, która jest wyrobem płaskim nie potrzeba stosowania tkanin o splocie satynowym lub rządkowym, ponieważ tkanina o splocie płóciennym też idealnie będzie się układała. Tkaniny o takim splocie mają też większy wybór gramatury. Włókna szklane dzieli się na typ S, E oraz kwarc. Zastosujemy tkaninę o kierunku włókien 90°, 0°.

włókno	gęstość [g/cm3]	moduł Younga [GPa]	wytrzymałość na rozciąganie [MPa]	wydłużenie [%]	współczynnik rozszerzalności cieplnej [10^-6/K]	średnica włókna [µm]
typ E	2,54	76-79	3100-3800	4,8	5	5-20
typ S	2,48	88-91	4400	5,7	2,9	5-10
kwarc	2,15	69	3400	5	0,5	9

Wybieramy włókna typu S ze względu na optymalne ich własności. Posiadają one najlepszą wytrzymałość na rozciąganie i maja optymalną gęstość. Charakteryzują się też najlepszym wydłużeniem co przenosi się na lepszą udarność.

Rodzaj Sidewalla jaki wybraliśmy to ABS Sidewall / Sandwich Construction - przy tej konstrukcji każda warstwa deski snowboardowej ułożona jest płasko jedna na drugiej a ABS Sidewall tworzy boczną ochronę rdzenia. Taki typ dobrze przenosi siły na krawędzie. Tworzywem stosowanym w tego rodzaju Sidewalla jest ABS - tworzywa sztuczne otrzymywane w procesie polimeryzacji butadienu oraz kopolimeryzacji akrylonitrylu ze styrenem wraz z jednoczesnym szczepieniem powstałego kopolimeru na polibutadienie. Jest to tworzywo amorficzne o gęstość 1,05 g/cm3. Posiada dużą udarność, twardość, odporność na zarysowania oraz dobre właściwości izolacyjne.

Na krawędzie deski zastosujemy stal nierdzewną, ponieważ środowisko w jakim pracuje sprzyja występowaniu korozji.

Ślizg jest to warstwa głównie odpowiedzialna z prędkość jaką możemy osiągać na desce snowboardowej. Materiałem, który wybraliśmy jest polietylen dużej gęstości zwany P-tex. Ślizgi mogą być tłoczone, spiekane lub grafitowe. Ślizg spiekany jest najbardziej optymalny, ponieważ jest szybki oraz dość wytrzymały, a tym samym nie potrzebuje, aż tak częstej pielęgnacji jak grafitowy. Materiał bazowy jest w pierwszej kolejności rozdrabniany i mielony na proszek, następnie spiekany, prasowany i wycinany do wymaganego kształtu. Struktura ślizgu spiekanego jest porowata dzięki czemu bardzo dobrze absorbuje smar. Ślizgu spiekany nieposmarowany bardzo traci na swoich własnościach. Jest również trudniejszy w naprawie. P-tex składa z wielu mikroskopijnej wielkości cząstek, dwóch typów wymieszanych ze sobą. Pierwsze to twarde nie absorbujące praktycznie nic kryształki, drugie to bezpostaciowe, amorficzne twory wchłaniające z chęcią podawane im środki (np. smary). Różnica pomiędzy polietylenem spiekanym a wytłaczanymi polega na różnej proporcji wyżej wymienionych cząstek w ślizgu. P-tex spiekany zawiera ok. 60% składnika amorficznego i 40% krystalicznego.

Kolejnym materiałem jest żywica.

typ osnowy - żywicy	charakterystyka
epoksydowa	wysokie właściwości mechaniczne, dobra odporność na czynniki środowiskowe, prosty proces wytwarzania, temperatura użytkowania: 100ºC, 130-150 ºC, wysokie właściwości kompozytów zbrojonych włóknami ciągłymi stosowanych na części główne, wyższe właściwości w podwyższonych temperaturach niż dla żywicy poliestrowej i winyloestrowej
fenolowa	dobra odporność temperaturowa, odporna na dym i ognioodporna, szybko utwardzalna, proces trudny ale ekonomiczny, szeroko stosowana na elementy w wewnątrz samolotów
Bismaleimide BMI (i polyimide)	wysoka odporność na podwyższone temperatury (BMI 180 ºC, polyimide 300 ºC ), dobre właściwości mechaniczne, dobra odporność na czynniki chemiczne, ogień i promieniowanie, trudny proces wytwarzania
poliestrowa	stosowana z zastosowaniach handlowych, stosunkowo niedrogi i elastyczny proces wytwarzania, może być wykorzystywana dla kompozytów zbrojonych włóknem ciągłym i nieciągłym
winylestrowa	wykazuje podobne właściwości do żywicy poliestrowej, większa wytrzymałość i wyższa odporność na wilgoć

W przypadku deski snowboardowej zastosowanie żywice epoksydowej wydaje się być najlepszym rozwiązaniem. Posiada wysokie właściwości mechaniczne, dobrą odporność na czynniki środowiskowe oraz prosty proces wytwarzania.

5. Technologia wytwarzania

Technologia wytwarzania deski snowboardowej polega głownie na laminowaniu oraz frezowaniu, a także obróbce wykańczającej.

Po wybraniu rdzenia i nadania mu odpowiedniego profilu poprzez frezowanie następuje proces laminowania.

Technologie tą możemy głownie podzielić na technikę laminowania ręcznego, infuzji oraz autoklawową. Najlepsze rezultaty daje technika autoklawowa. Uzyskujemy wysokiej jakości kompozyt, o minimalnej porowatości oraz wysokie właściwości mechaniczne. Niestety ta technika jest droga, a deska snowboardowa nie należy do struktur tzw. primary structur. Technika infuzji daje trochę gorsze efekty niż autoklawowa, lecz jest tańsza. Mimo to wybraliśmy laminowanie ręczne, ponieważ deska snowboardowa nie wymaga, aż takich wysokich właściwości mechanicznych. Laminowanie ręczne przy doświadczonym wykonaniu powinno być odpowiednie. Celem tego procesu w desce snowboardowej jest głownie nadanie odpowiedniej sztywności deski oraz ochrona rdzenia przed czynnikami środowiska.

W procesie laminowania ręcznego wkłada się do formy warstwę odpowiadającą za ślizg, następnie matę nasączoną żywica epoksydowa, rdzeń oraz drugą warstwę maty szklanej. Usuwa się nadmiar żywicy i wyciska pęcherzyki powietrza aby kompozyt był jak najmniej porowaty. Następnie nakłada się druk na górną powierzchnię deski i zamyka formę, która potem trafia pod prasę. Gorąca prasa nadaje odpowiedni kształt desce oraz utwardza żywicę epoksydową.

Po utwardzeniu jest czas na obróbkę wykańczającą, czyli odcięcie naddatku powstałego kompozytu oraz wygładza się krawędzie deski. Kolejnym procesem jest lakierowanie bezbarwnym lakierem. Następnie wierci się otwory we wkładkach do zamocowania wiązań. Na końcu wygładza się warstwę lakieru i szlifuje ślizg.

6. Literatura:

1. Anna Boczkowska, Jerzy Kapuściński, Zdzisław Lindemann, Danuta Witemberg-Perzyk, Stefan Wojciechowski, Kompozyty, Wyd. Politechniki Warszawskiej Warszawa 2003

2. http://deskisnowboardowe.info/, dostęp 17.12.2014r.

3. http://e-snowboard.info/pozostale-artykuly/1197-budowa-deski-snowboardowej.html, dostęp 03.01.2015r.

4. http://e-snowboard.info/pozostale-artykuly/1197-budowa-deski-snowboardowej.html, dostęp 10.01.2015r.

5. http://www.kompozyty.milar.pl/strona-balsa-4, dostęp 10.01.2015r.