1. Wprowadzenie

Od połowy dwudziestego wieku w przemyśle jachtowym dominującą pozycje zajęły laminaty. Najpopularniejszym obecnie materiałem jest zbrojenie szklane (mata, tkanina, włókno) spajanie żywicami, czyli laminat poliestrowo – szklany. Dzięki stosowaniu kopyta i wiernemu odwzorowaniu formy można uzyskiwać serie jachtów o pięknych obłych kształtach. Wprowadzenie tworzyw sztucznych miało istotne znaczenie dla popularyzacji żeglarstwa ze względu na łatwość produkcji masowej.

Laminaty

Laminaty to rodzaj kompozytów: tworzywa powstające z połączenia dwóch materiałów o różnych właściwościach mechanicznych, fizycznych i technologicznych, w których składnik wzmacniający (tzw. zbrojenie) jest układany w postaci warstw, między którymi znajduje się wypełnienie, pełniące rolę lepiszcza (rodzaj spoiwa łączącego materiały sypkie w jednolitą masę, jest używane przeważnie w połączeniu z prasowaniem pod dużym ciśnieniem). Warstwy wzmocnienia mogą być w postaci włókien ciągłych ułożonych jednokierunkowo (tzw. rowingu), tkanin lub mat z włókna ciętego. Charakterystyka laminatu:

• wysoka wytrzymałość mechaniczna

• wysoka odporność na warunki atmosferyczne

• wysoka twardość powierzchni

• odporność na zabrudzenia

• odporność na środki chemiczne

• produkt naturalnego pochodzenia

Włókno węglowe

Włókno węglowe jest uproszczonym w wyniku pirolizy polimerem składającym się w prawie całości z węgla. Ma strukturę krystaliczną, przez co utrzymuje wysoką wytrzymałość w stosunku do swojej objętości. Średnica pojedynczego włókna waha się między 5 a 10 mikrometrów. Najważniejszymi właściwościami włókna węglowego jest wysoka sztywność, wytrzymałość na rozciąganie przy niskiej wadze i rozszerzalności temperaturowej. Dodatek włókien węglowych powoduje wzmocnienie żagli jachtowych oraz powoduje polepszenie właściwości materiału. Jest ono jednak stosunkowo drogie w porównaniu z podobnymi włóknami, jak włókno szklane.

Włókno aramidowe

Rodzaj poliamidów włóknotwórczych. Czym więcej w jego strukturze ugrupowań aromatycznych, tym większa odporność mechaniczna, termiczna i pożarowa, ale spada też rozpuszczalność, co powoduje wzrost trudności przy przetwarzaniu. Aramidy jako włókna posiadają znacznie wyższą odporność na rozciąganie niż pozostałe poliamidy. Z aramidów produkuje się pręty, z których konstruuje się maszty jachtów, kije narciarskie i inne elementy wymagające dużej odporności mechanicznej. Wreszcie stosuje się te polimery w formie cienkich folii – które następnie wprasowywuje się między inne materiały, tworząc laminaty o wysokiej odporności mechanicznej.

Włókno szklane

Powstaje ono przez przeciskanie stopionej masy szklanej przez otwory o bardzo małej średnicy. Tkaniny i maty szklane służące do zbrojenia sztucznych żywic czyli produkcji tzw. laminatów. W połączeniu z żywicami poliestrowymi (tańszymi) lub epoksydowymi (droższymi, ale wytrzymalszymi i odporniejszymi) tworzą lekki, wytrzymały i odporny materiał konstrukcyjny powszechnie stosowany w lotnictwie, szkutnictwie, przemyśle samochodowym itp. W wypadku droższych i bardziej wymagających konstrukcji włókna szklane bywają uzupełniane lub zastępowane węglowymi lub aramidowymi.

Poliestr

Poliestry posiadają sztywniejsze i bardziej polarne łańcuchy główne od polimerów winylowych, przez co mają większą tendencję do tworzenia fazy krystalicznej oraz są bardziej kruche, twarde i trudniej topliwe.

a) Żywice poliestrowe

Grupa żywic syntetycznych, których głównym składnikiem są różnego rodzaju poliestry. Nienasycone żywice poliestrowe służą do ręcznego laminowania. Są też stosowane jako składniki kitów, szpachli, klejów.

b) Laminat poliestrowo - szklany (PS)

Laminat przesycany żywicą poliestrową ułożonych w formie krzyżujących się warstw mat i tkanin szklanych. Ulepszeniem tej technologii jest próżniowe odsysanie powietrza w czasie nasycania tkaniny żywicą, co wpływa na jednorodność laminatu. Korzystniejsze jest wygrzewanie laminatu w trakcie utwardzania żywicy. Inną techniką jest natryskiwanie na jednorazowe formy bądź gotowe obiekty mieszaniny żywicy i ciętego włókna szklanego, tworzącej po utwardzeniu kompozyt.

Epoksyd

Materiał kompozytowy zazwyczaj wykonany z paru powierzchni tkanin szklanych, włókniny szklanej, jak i papieru połączonych żywicą epoksydową. Dla potrzeb elektroniki kompozyt pokrywa się jednostronnie, lub z obu stron warstwą miedzi np. 18, 35 lub 70 mikrometrów. Po naniesieniu (nadrukowaniu) ścieżek i punktów lutowniczych płytka zostaje wytrawiona. Tak obrobiony materiał jest obwodem drukowanym (PCB) i może być bazowym elementem konstrukcyjnym. W warunkach amatorskich wykorzystywane głównie do tworzenia mieszanych tworzyw kompozytowych z wykorzystaniem naturalnego drewna. Jest drogie i pracochłonne ale prowadzi do tworzenia jachtów o bardzo wysokich walorach użytkowych, pozbawionych technologicznych wad tradycyjnych konstrukcji drewnianych.

a) Żywice epoksydowe

Rodzaj żywic syntetycznych, które są zdolne do tworzenia nietopliwych i nierozpuszczalnych tworzyw sztucznych. Utwardzona żywica epoksydowa staje się nierozpuszczalna i nietopliwa, bardzo przyczepna do prawie wszystkich materiałów. Stosowane jako lepiszcze laminatów konstrukcyjnych oraz jako surowiec do budowy form twardych.

b) Laminat epoksydowo - szklany (ES)

Wykorzystywane głównie do tworzenia mieszanych tworzyw kompozytowych. Żywice epoksydowe bardzo dobrze łączą się z drewnem, tworząc specyficzny kompozyt lekki, wytrzymały, wyjątkowo odporny na zmęczenie i obciążenia dynamiczne, a także wystarczająco odporny na długotrwałe działanie wody.

Żelkot

To żywica która oprócz podstawowych dodatków jak przyspieszacz i utwardzacz zawiera dodatek krzemionki koloidalnej dzięki czemu nie spływa z nachylonych lub wręcz pionowych powierzchni formy. Zwykle zawiera też pigmenty, dzięki czemu malowanie dekoracyjne gotowego wyrobu nie jest konieczne. Od jego właściwego nałożenia zależy efekt końcowy estetyki wyrobu. Na ogół uzyskuje się to przez dwukrotne nałożenie żelkotu. Najczęściej kupuje się gotowy żelkot, on bowiem zawiera już wszelkie składniki (poza utwardzaczem), zaś samodzielne sporządzanie go wymaga czasu aby mikrobanieczki powietrza jakie dostało się do żywicy wraz z krzemionką zdążyły się ulotnić.

Technologia Laminowania

Często poddawana jest w wątpliwości wytrzymałości kadłubów z tworzyw sztucznych, jest to jednak kwestia stosowanej technologii i odpowiedniego projektu. Laminowanie jest czynnością prostą która nie wymaga wielkiego doświadczenia. Znanych jest kilka metod budowy jachtów przy pomocy laminatów. Kilka najpopularniejszych z nich przedstawimy poniżej.

a) HAND LAY – UP

Laminowanie ręczne - polega na ręcznym przesycaniu zbrojenia w postaci, mat, tkanin szklanych, węglowych, aramidowych w otwartych formach. Zazwyczaj przesycanie zbrojenia odbywa sie poprzez wałkowanie specjalnymi twardymi wałkami aluminiowymi, stalowymi bądź teflonowymi. Wałkując nieutwardzony laminat powodujemy odpowietrzenie żywicy (laminatu), zwiększenie udziału zbrojenia w laminacie, a przez to poprawiamy własności wytrzymałościowe.

Komponenty:

żywice: dowolne (poliestrowe, epoksydowe, winyloestrowe, fenolowe);

włókna: dowolne

przekładki: dowolne (coremat, pianki PCV);

Typowe zastosowanie:

-standardowe konstrukcje

-łopaty turbin wiatrowych

-łodzie

Zalety:

- szeroko stosowana metoda od wielu lat

- prosta zasada laminowania

- tanie oprzyrządowanie przy żywicach utwardzanych w temperaturze pokojowej

- szeroki wybór i łatwy dostęp do materiałów

- wysoki udział zbrojenia

Wady:

-przygotowanie żywicy

-jakość laminatu

-niski udział żywicy w laminacie często kosztem takich wad jak pęcherze.

-stosowanie drogiej wentylacji.

-żywica powinna być nisko lepka

-niejednorodność laminatu

b) VACUMM

Technologia worka próżniowego. Rozszerzenie metody ręcznej. Metodę tą stosuje sie w celu zwiększenia jakości (parametrów wytrzymałościowych) laminatu bądź klejenia struktur typu Sandwich. Metoda ta ułatwia usuniecie pęcherzyków powietrza, zwiększenie udziału zbrojenia, uzyskanie bardziej gładkiej powierzchni zewnętrznej laminatu. Po nałożeniu żelkotu, zbrojenia i żywicy całość zamyka się pod folią i tworzy się docisk, poprzez wytworzenia podciśnienia. Wstępnie przesycone żywicą zbrojenie szklane, węglowe, aramidowe układa sie, bądź bezpośrednio laminuje w formie pokrytej środkiem antyadhezyjnym. Na laminat należy położyć antyadhezyjną folie porowatą. Przez malutkie otworki znajdujące sie w tej folii nadmiar żywicy znajdujący sie w laminacie przepływa do kolejnej warstwy tkaniny oddychającej. Tkanina oddychająca ma za zadanie "wypić" nadmiar żywicy. Opcjonalnie pomiędzy laminat a folie porowatą można zastosować specjalną tkaninę (peel ply) zwaną delaminarzem. Tkaninę tą po utwardzeniu laminatu można swobodnie zerwać, a pozwoli ona uzyskać gładką powierzchnię zewnętrzną lub powierzchnie teksturowaną, to dalszego klejenia. Całość pokryta jest elastycznym workiem odpornym na wysokie temperatury podłączonym do pompy próżniowej.

Komponenty:

żywice: epoksydowe i fenolowe

włókna: dowolne

przekładki: dowolne

Typowe zastosowanie:

-wysoko wytrzymałe laminaty węglowo - epoksydowe

-wyczynowe łodzie

-klejenie pianek PCV przy produkcji łodzi.

Zalety:

-wysoki udział zbrojenia w laminacie (wyższy niż w metodzie laminowania ręcznego)

-niski udział pęcherzy w laminacie

-lepsze przesączenie włókien poprzez docisk i przepływ żywicy przez całą strukturę laminatu

- redukuje emisje szkodliwych substancji lotnych podczas utwardzania laminatu

Wady:

-dodatkowy osprzęt podwyższa koszty produkcji

-wymagany wysoki poziom wiedzy

-mieszanie i kontrola udziału żywicy zależna od umiejętności

c) INFUSION

Technologia stanowi połączenie elementów innych metod zamkniętych. Po nałożeniu żelkotu, układa się zbrojenie oraz ew. materiał przekładkowy na sucho, na powierzchni formy. Niezbędnym elementem technologii jest zapewnienie swobodnego transportu żywicy przez strukturę laminatu. Osiąga się to poprzez zastosowanie odpowiednio perforowanego materiału przekładkowego, tkaniny z włókna jednokierunkowego lub specjalnej siatki. Tak przygotowaną formę ze zbrojeniem przykrywa się folią. Żywicę do formy doprowadza się punktowo lub systemem kanałów. Odpowiednie podciśnienie zapewnia dokładne i jednolite przesycenie zbrojenia w całej formie.

Komponenty:

żywice: epoksydowe i fenolowe

włókna: dowolne

przekładki: dowolne

Typowe zastosowanie:

- wysoko wytrzymałe laminaty węglowo - epoksydowe

- wyczynowe łodzie

Zalety:

-skomplikowane struktury przekładkowe mogą być wykonywane jednorazowo

-zredukowanie do minimum emisji styrenu

-jednolita struktura laminatu

-zmniejszone zużycie żywicy i masy całkowitej wyrobu

-zmniejszona pracochłonność i cykl wytwarzania wyrobu

-możliwość formowania dużych elementów

-możliwość formowania dużych elementów

-niższy koszt formy w porównaniu z metodą RTM

Wady:

-relatywnie skomplikowany proces do stosowania,

-długi czas przygotowywania materiałów

-mała wydajność

d) RTM

W metodzie tej kompozycję żywicy wtłacza się pod niewielkim ciśnieniem do szczelnej formy, w której wcześniej umieszczono włókniste wzmocnienie. W pierwszej kolejności nakładany jest żelkot. W kolejnym etapie na formie układane są warstwy nośne (maty szklane, maty syntetyczne) oraz ewentualne wzmocnienia i adaptacje. Wykorzystanie sprężonego powietrza, specjalnych zacisków, siłowniki lub prasy zapewnia odpowiedni docisk części formy. W metodzie RTM ciśnienia stosowane do formowania wyrobów są znacznie wyższe niż przy stosowaniu jedynie próżni a dwustronne formy muszą być znacznie sztywniejsze i precyzyjniejsze. Wpływa to pozytywnie na jakość i powtarzalność wyrobów.

Komponenty:

żywice: dowolne

włókna: dowolne

przekładki: dowolne

Typowe zastosowanie:

-elementy wyposażenia wnętrza

Zalety

-ochrona środowiska

-wysoka powtarzalność

-dokładność wykonanych wyrobów

-obniżenie kosztów produkcji

-zmniejszenie ilości odpadów

-zredukowana pracochłonność

-wysoka jakość produktu

-estetyczna i gładka powierzchnia z obu stron

-automatyzacja produkcji

-niski koszt jednostkowy wyprodukowania elementu

Wady:

-wysoki koszt uruchomienia produkcji

-ograniczona możliwość wprowadzania zmian na formie

-stosunkowo długi czas przygotowania produkcji

-graniczenia co do kształtów

e) ONE – OF

Metoda produkcji kadłuba z przekładki, polega na wyłożeniu ażurowej formy płytkami lub listewkami pianki lub drewna, i oblaminowaniu ich. Jachty wykonywane metodami produkcji jednostkowej mogą znacznie przewyższają te produkowane seryjnie. Co więcej produkcja jednostkowa jachtu, pozwala modyfikować kształty kadłuba przy każdym jego następnym wykonaniu, dając konstruktorowi nie osiągalną w produkcji seryjnej, możliwość ciągłego udoskonalania konstrukcji. Pomimo wspólnej nazwy „one-off” istnieje szereg metod jednostkowego wykonywania jachtów. Niektóre metody, bardziej skomplikowane wykorzystujące techniki podciśnieniowe, nadają się jedynie dla bardziej zaawansowanych szkutników, inne nawet dla amatorów. Przy wyborze metody należy brać pod uwagę, poza umiejętnościami, również liczbę planowanych do wykonania kadłubów oraz ilość przeznaczonego na to czasu. Proponowany na następnych stronach sposób budowy, jest jednym z bardziej uniwersalnych. Pozwala on wykonywać poszczególne elementy jachtu w różnych technikach, włącznie z najbardziej zaawansowanymi, technikami podciśnieniowymi.

Komponenty:

żywice: dowolne

włókna: dowolne

przekładki: dowolne

Typowe zastosowanie:

- elementy wyposażenia wnętrza

- elementy kadłuba

Zalety:

-nie potrzeba kosztownych form

-względnie niskie koszty przy produkcji jednostkowej

-niewielkie wymagania technologiczne

Wady:

-duża pracochłonność

-problemy z wykończeniem powierzchni

-pracochłonne przygotowanie formy

Podsumowanie

Laminowanie jest czynnością prostą, dzięki czemu tworzywo to jest tanie w produkcji seryjnej. Konserwacja i przygotowanie kadłuba do sezonu wymaga minimalnych czynności obsługowych. Jeżeli podczas laminowania, intensywnie wałkując, dokładnie wyciśnięto wszystkie banieczki powietrza z żywicy to nie będziemy mieli problemów z pęcherzami osmotycznymi.

Sztywność i wytrzymałość konstrukcji są następnymi czynnikami decydującymi o trwałości kadłuba z laminatem poliestrowo szklanym. Gdy laminat jest mocny i dobrze usztywniony (grubość poszycia, wzmocnienia, przekładka) to zachowuje swoje parametry podczas wieloletniej eksploatacji.

Gdy jacht zbudowano zbyt delikatnie to na skutek ciągłych odkształceń dochodzi do rozklejania elementów i delaminacji. Włókno szklane przestaje być związane z żywicą, laminat staje się miękki. Skokowo spada wytrzymałość. Takich kadłubów nie należy eksploatować, mogą ulec np. złamaniu na fali.

Połączenie kształtek kadłuba i pokładu. Dobre rozwiązania to grube i szerokie przylaminowanie lub sklejenie + skręcenie + przylaminowanie. Rozwiązaniem tanim i nietrwałym jest sklejenie klejem elastycznym z jednoczesnym skręceniem kształtek.

Połączenie balastu z kadłubem. Bywa słabym punktem wielu jachtów. Awaryjność cechuje zwłaszcza głębokie płetwy bezkołnierzowe o niewielkiej powierzchni styku z kadłubem. Najtrwalszym rozwiązaniem są balasty integralne oraz płetwy kołnierzowe przykręcane do odpowiednio dużej powierzchni mocnego kadłuba.

Laminaty, jako materiały na kadłuby jachtów to szereg technologii, z których każda ma pewne wady i zalety. Projektant musi odpowiednio dobrać Technologie wykonania, zależnie od warunków, jakimi dysponuje stocznia, wielkości serii, czy wymaganych konstrukcji. I tak, jeśli np. szkutnik amator wykonuje pojedynczy egzemplarz jachtu turystycznego, to najwygodniej, i najwyższą, jakość uzyska przy technologii ONE of, będzie to dla niego technologia najtańsza i najmniej pracochłonna.

Niewielka stocznia jachtowa, jakich pełno jest na mazurach, z racji ograniczeń technologicznych oraz niewielkich serii jachtów sięgnie po laminowanie ręczne. Za to większe stocznie, które budują jachty w dużych seriach skorzysta z technologii worka próżniowego (np. Delphia jachts). Z kolei, kiedy mamy do wykonania lekki kadłub, który musi spełnić wysokie wymagania technologiczne, ale nie budujemy wielkich serii warto skorzystać z technologii infuzji, która gwarantuje nam najwyższą, jakość laminowanej skorupy, kosztem zwiększonej pracochłonności.

I wreszcie przy wielkich seriach, wysokiej wymaganej, jakości zastosujemy RTM, jako oferującą wysoka, jakość laminatu, i do tego najwydajniejszą. (stocznia Laser).