Mallen van papier maken

Op dit moment heb ik 64 verticale en horizontale schotten voor drijvers, interieur en kajuit klaar.
In totaal moet ik 102 gelamineerde onderdelen maken, dit is inclusief de panelen voor de rompen. De onderdelen die nu klaar zijn waren relatief klein en redelijk makkelijk te maken omdat er vrijwel geen kromme lijnen in zitten. Nog een paar kleinere onderdelen, dan kan ik beginnen met de huidpanelen voor de rompen.

De afgelopen dagen ben ik bezig geweest met het maken van de offset tabellen voor de huidpanelen. Een offset tabel is een tabel met daarin de maten van een onderdeel. In mijn geval kan ik deze tabellen laten genereren door Free!Ship, het programma waarmee ik het ontwerp van de trimaran heb gemaakt.
Free!Ship geeft mij een tekstbestand van 115 regels, met op iedere regel een X en een Y coördinaat. Door deze punten op een strook papier te tekenen ontstaat de vorm die ik moet lamineren. 

Het hoekpunt linksonder is moeilijk te vinden in de offset tabel.

Helaas is 115 punten wat te veel van het goede: bij een paneel lengte van 7 meter is dat iedere 12.5 cm een punt. Al deze punten uitmeten op een mal zou veel te lang duren. Aangezien de curven van de huidplaten redelijk flauw zijn kan ik wel met minder toe: ik neem steeds een afstand van ongeveer 30 tot 45 cm tussen de punten.
Het lastige hierbij is dat de hoekpunten, bijvoorbeeld bij de overgang tussen kim en spiegel, niet zijn gemarkeerd. Die moet ik dus handmatig opsporen. Is meestal wel te doen, omdat ze vaak bij een punt liggen waar een van de dimensies een maximum of minimum heeft. Maar in sommige gevallen is dat moeilijker, bijvoorbeeld bij het hoekpunt linksonder in de tekening.
Het tekstbestand uit Free!Ship importeer ik in een Google Docs spreadsheet. Daarin maak ik ook een grafiek (Scatter Chart) van de punten, om te controleren of de vorm klopt. De schaal van de X-as is daarbij overigens niet gelijk aan die van de Y-as, waardoor er een nogal ingedikt geheel ontstaat. 
Vervolgens selecteer ik de punten die ik wil gaan gebruiken in de mal, waarbij ik dus goed oplet dat ik de hoekpunten wel meeneem.

De vorm van het paneel wordt wat ingedikt afgebeeld in de grafiek

Nu is het zaak de mal te maken. Hierbij gebruik ik de lamineertafel van 7.36 als tekentafel. Eerst rol ik een dikke 7 meter papier uit (ik heb een rol plotterpapier van 100m x 92cm gekocht, helaas net 5 cm minder breed dan de Lycell panelen waar ik de onderdelen van maak). 
De X-coördinaten van de ongeveer 40 geselecteerde punten zet ik uit langs de lange kant van het papier. Vervolgens neem ik een aluminium strip van 700 x 20 mm die ik nog had liggen. Daarop plak ik op 1 kant schilderstape, waarop ik de Y-coördinaten uitzet. Aan de beplakte strip bevestig ik een grote haakse driehoek zodat ik daarmee de Y-coördinaten kan overnemen op de mal.

X-coördinaat langs de rand van het papier, Y-coördinaat op de aluminiun strip. Punt 3 (bij de scherpe punt van de driehoek) is reeds op de mal overgenomen.

Rest slechts nog het trekken van de lijnen tussen de punten.
Als alle mallen klaar zijn kan ik de ca. 7m lange panelen gaan lamineren. Daarna kan ik de punten van de mal, door er een punaise of iets dergelijks door te drukken, overnemen op het laminaat. De gaatjes verbinden met lijnen, en vervolgens het onderdeel uitzagen.
  

De kracht van de wind

Eén van de belangrijkste gegevens bij het ontwerp van een zeilboot is de kracht van de wind. Zonder wind kom je niet vooruit, maar te veel wind kan je boot vernielen. Het centrale vraagstuk bij het ontwerpen is hoeveel kracht komt er op dit onderdeel te staan, en hoeveel van welk materiaal is er nodig om deze kracht (ruimschoots) te weerstaan.
Iedere kracht die bij normaal gebruik op een zeilboot wordt uitgeoefend is uiteindelijk afkomstig van de wind (we gebruiken natuurlijk geen buitenboordmotor ;-p ).
We beginnen met de definitie van 'normaal gebruik'. In een eerdere blog 'Eisen aan het ontwerp' heb ik aangegeven dat het beoogde vaargebied het Lauwersmeer en de Waddenzee is. Dit zijn redelijk beschutte wateren, waar een haven meestal binnen een paar uur varen te bereiken is. Ik ga er vanuit dat ik boven windkracht 6 niet ga uitvaren, en dat ik goed op het weerbericht let voordat ik vertrek. Het is derhalve niet te verwachten dat het scheepje meer dan windkracht 7 te verduren zal krijgen.
Hoe groot is nu de kracht van de wind bij windkracht 7? Volgens de schaal van Beaufort op wikipedia heeft de wind bij windkracht 7 een snelheid van 13.9 tot 17.1 meter per seconde. Laten we voor de zekerheid het hoogste getal nemen: 17.1 m/s. De KNMI heeft een formule voor de kracht van de wind op een oppervlak die we kunnen gebruiken om de kracht op het zeil te berekenen

Fw = 0.5 x luchtdichtheid x windsnelheid2 x zeiloppervlak

Voor de luchtdichtheid mogen we een gemiddelde waarde van 1.225 aannemen, voor de windsnelheid hadden we 17.1 bepaald. Blijft over het zeiloppervlak. Stel dat dat 30 m2 is, dan komen we op een totaal van 

5373 Newton, ongeveer 548 kg

Deze kracht gebruiken we later bij het berekenen van bijvoorbeeld het kentermoment en de krachten die de verstaging te verduren krijgt.

Proces: lamineren van een basisplaat

Toen ik ervoor koos om een knikspant ontwerp te gaan maken was de belangrijkste reden dat er bij knikspanten een handige bouwwijze mogelijk is: vrijwel alle onderdelen kunnen uit vlakke plaat gemaakt worden.
Als je dan onderdelen gaat maken kan dat in principe op twee manieren. Eerste manier is door ieder onderdeel apart te maken: juiste vorm uit de plaat zagen, en glasvezel en hulpmaterialen uitknippen. Deze lagen in de juiste volgorde in een vacuümzak leggen en voorzien van epoxy. Een voordeel van deze manier is dat je iets minder epoxy gebruikt, maar daar staat weer tegenover dat je meer vacuümzakken moet maken waardoor het verbruik daar weer wat hoger ligt. Een belangrijker nadeel is dat de doorlooptijd snel oploopt omdat ieder onderdeel ongeveer 24 uur moet uitharden voordat de volgende sessie kan starten.

Perforeren van de Lycell platen

De manier waar ik voor heb gekozen gaat uit van grote platen die in één keer worden gelamineerd, en waar na uitharden de onderdelen worden uitgezaagd. Hierdoor kunnen er veel onderdelen tegelijkertijd gelamineerd worden. Nadeel is dat de ruimte tussen de onderdelen ook gewoon van glas en epoxy worden voorzien, wat dan weer verlies is. Al met al denk ik dat dit toch ook de goedkoopste methode is: je bespaart behoorlijk op de materialen voor de vacuümzakken. Beide methoden hebben ongeveer evenveel glas verlies, bij de ene knip je het voor het vacuümeren af, bij de andere manier zaag je het na afloop af.
Het proces gaat ongeveer als volgt.

1. Plaatmateriaal uit voorraad halen en perforeren. Mijn lamineer tafel heb ik zodanig gebouwd dat het eigenlijk een grote doos is, waarvan het deksel (7.32 x 1.22 m) met een paar takels open gezet kan worden. In de doos bewaar ik mijn voorraad Lycell schuimplaten. Ik neem steeds 3 platen van 216 x 97 cm om daarvan één 'sheet' te maken die ik ineens lamineer. Ik heb dan mallen klaar van de onderdelen die ik uit deze sheet wil halen. Belangrijk: neem per sheet onderdelen die hetzelfde basislaminaat nodig hebben. Zo heb ik de eerste twee sheets gelamineerd met 400 gsm glas aan beide zijden. De drie gepakte platen leg ik klaar op de tafel, en worden voorzien van gaatjes. Deze gaatjes zorgen er o.a. voor dat tijdens de vacuüm injectie niet veel verschil in impregneer snelheid ontstaat tussen onderste en bovenste laminaat. Op de lamineertafel heb ik 2 cm dikke piepschuim platen geplakt waardoor het gemakkelijk is om met het afgebeelde gereedschapje gaatjes in de plaat te prikken. Deze piepschuim platen dienen nog een ander doel waar ik zo meteen op terug kom.
2. Vacuümzak uitknippen. Hiervoor gebruik ik dampremmende folie PE van 0.15 mm. Dit is een behoorlijk dikke folie die daardoor vrijwel nooit lek is. Wordt veel in de bouw gebruikt. De rol die ik heb is anderhalve meter breed, maar de folie is opgevouwen zodat de totale breedte 6 meter is. Ik knip er steeds ongeveer 7 meter af, en knip die vervolgens in de lengte doormidden zodat ik twee stroken van 3 x 7 meter heb. Per sheet gebruik ik één zo'n strook om de vacuümzak van te maken.
3. Lamineertafel prepareren. Ik begin met 

   

   Houdt ruimte tussen het piepschuim voor
    de spiraalslang

   het stofzuigen van de lamineertafel, maar neem de rest van de schuur ook even mee. Vervolgens plaats ik op de tafel de piepschuim isolatieplaten. Deze zijn 100 x 60 cm, ik leg er 7 in de lengte achter elkaar en plak ze aan de tafel vast. De andere zeven idem, zodat ik twee lange stroken van 7 meter heb. Tussen de stroken houd ik een anderhalve centimeter vrij, zodat ik daar straks ruimte heb voor de spiraalslang die de epoxy moet aanvoeren. Overigens haal ik het piepschuim tussen lamineersessies meestal niet weg.
4. Laminaat prepareren. Eerst de plastic folie plaatsen, zo vlak mogelijk, maar wel zo dat de gleuf tussen de piepschuim platen overvloedig ruimte biedt aan de spiraalslang, die vervolgens geplaatst wordt. Door enkele lijmklemmen op het piepschuim langs de rand van de tafel kan ik de slang mooi tussen de platen fixeren. Ook langs de lange kant van de tafel moet genoeg folie overblijven, ik neem ongeveer 20 cm. Nu de onderste folie en spiraalslang geplaatst zijn komt de peel-ply. Dit is een licht polyester weefsel dat niet goed hecht aan epoxy. Het vormt na lamineren een soort beschermlaag waardoor de panelen mooi schoon blijven tot verdere verwerking. Tegen die tijd trek je de peel-ply van je onderdeel af, waardoor er een mooi schoon laminaat tevoorschijn komt, met een prachtig profiel waar verdere glaslagen uitstekend op hechten.
   De rol peel-ply is toevallig 100 cm breed, net iets breder dan de Lycell schuimplaten. Hier hoef ik dus niets van de breedte af te knippen en volstaat het uitrollen en afknippen van 650 cm. Deze en de volgende lagen materiaal leg ik precies in het midden zodat aan beide zijden van de aanvoerslang evenveel materiaal ligt. De laag peel-ply plak ik hier en daar vast aan de folie, zodat ze niet verschuift als ik er straks glasweefsel overheen trek.
   Vervolgens komt de eerste laag glas, bijvoorbeeld 400 gsm biaxiaal weefsel. Mijn rol is 130 cm breed, dus moet ik er over de hele lengte 30 cm af knippen. Tijdens het knippen de schaar iets naar achteren trekken zodat er een soort snijdende beweging ontstaat. Als je dit niet doet kan de schaar haperen: het weefsel loopt dan tussen de bladen door zonder dat het geknipt wordt. Ook de glaslaag op 650 cm afknippen, blijf zo dicht mogelijk bij de maten van de schuimplaat.

   

   Basislayout voor vacuüminjectie. De slangen aan de
   zijkant zuigen de lucht weg, de slang midden bovenop
    en onderop (niet in foto) zorgen voor de aanvoer van epoxy.

   Dan komt eindelijk de schuimlaag. Als het glas precies vlak en goed ligt leg ik de drie platen er precies overheen. Met hot-glue plak ik ze met de korte kanten aan elkaar.
   Vervolgens in omgekeerde volgorde: op het schuim de glasvezel, daarop weer peel-ply, die ik ook weer hier en daar met tape vastplak aan de onderste folie laag.
   Aan weerszijden van de schuimplaat, tussen de overstekende glaslagen, leg ik ook spiraalslangen, deze zijn voor de afvoer van lucht tijdens het vacuüm zuigen en eventueel overtollige epoxy. Tenslotte leg ik een spiraalslang precies in het midden op de bovenste laag peel-ply. Door hier en daar een stukje tape zorg ik ervoor dat de slang mooi recht loopt.
5. Vacuümzak dichtmaken. Begin met het door middel van een vacuümslangetje verbinden van de spiraalslangen

   

   Slangetjes aan zijkanten met elkaar verbinden
   en via t-stuk naar vacuümreservoir en pomp.
   Het groene deel is volgelopen met epoxy, het 
   lichte deel moet nog. 

   aan de zijkanten. In het midden van deze slang een t-stukje plaatsen, zodat vandaar een slang naar het vacuümreservoir en de pomp gelegd kan worden. Vervolgens de bovenste en onderste spiraalslangtjes een beetje in elkaar draaien, en aan het einde daarvan een vacuüm slangetje dat gebruikt wordt voor de aanvoer van de epoxy.
   Plak nu langs de beide korte kanten van de plaat een strook Terostat tape. Dit is een soort kauwgom-achtige rubber strip met flinke plakkracht, de zwarte strook in de foto. Zorg ervoor dat er geen kreukels of vouwen in de folie zit, omdat daar vaak lekken ontstaan. Let ook op dat je de tape goed rond de drie buisjes die de zak verlaten aanbrengt, en tape tot voorbij de plek waarbij je de folie dubbel gaat vouwen. Als beide korte kanten zijn voorzien van tape kan de lange kant gedaan worden. Laat overigens in eerste instantie de beschermlaag op de tape zitten zodat je de folie er overheen kan vouwen zonder dat direct alles aan elkaar plakt.
   Vouw de zak dubbel, let er op dat er

   

   Moeilijk te verwijderen epoxy richel als de vacuümzak
   te strak over de plaat ligt.

   geen vouwen en kreukels in zitten. Belangrijk: er moet in de bovenste folie genoeg speling zijn om deze losjes over de spiraalslang te kunnen draperen. Als de folie te strak zit blijft er een grote ruimte over die zich vult met epoxy. Op deze plaats is de peel-ply moeilijk te verwijderen, bovendien is het jammer van het verlies.
   Als de zak goed ligt kan de beschermlaag van de tape gehaald worden. Begin bij de vouw van de zak en werk naar de lange kant toe. Probeer de bovenkant van de folie zo weinig mogelijk op te tillen terwijl je de beschermlaag van de tape trekt. Te veel optillen leidt tot vouwen in de folie. Tenslotte kan de lange kant dichtgeplakt worden.
6. Vacuümzak testen. Nu de zak helemaal dichtgeplakt is kan deze getest worden. De twee spiraalslangen aan weerszijden van de plaat zijn via een t-stukje met elkaar en met de vacuümpomp verbonden. Beide aanvoerslangen in het midden boven en onder de plaat zijn aan elkaar gedraaid en verbonden aan een vacuümslang die de zak verlaat. Het eind van dit slangetje dat de epoxy moet opzuigen kan nu tijdelijk met een stoppertje dicht worden gemaakt.
   De pomp stel ik zo in dat 90% van de lucht weggezogen wordt. Als alles goed is zal de zak steeds strakker rond het laminaat gezogen worden. Wellicht is dat nog niet direct het geval omdat er ergens een lekje zit. Dat hoor je vanzelf. Los dit op door ter plaatse een stukje terostat tape aan te brengen.
   Nadat alle lekjes zijn gedicht ontstaat er een mooi vacuüm. De pomp draait maar 3 à 4 seconden per 3 à 4 minuten. Laat de pomp een half uurtje aan staan en kijk of er dan inmiddels een lek is ontstaan, bijvoorbeeld doordat de terostat ergens is weggezogen.
7. Injectieproces. Als de vacuümzak goed is bevonden kan het injectieproces starten. Let op de volgende zaken: Alle benodigdheden moeten klaarliggen: als het proces eenmaal loopt is het moeilijk om tijd vrij te maken. Genoeg handschoenen. Roerstaaf of mixer aan boormachine. Mengbekers met het juiste volume. Tabelletje met hoeveelheden hars en harder. Oude lap om je handen en spullen mee schoon te vegen. Genoeg hars en harder in een gemakkelijk gietende kan of fles. Zorg ervoor dat de bouwruimte tijdens het uitharden tenminste 20 graden Celsius is. Bereken eerst hoeveel epoxy er nodig is, en maak steeds batches aan van 1 kg. Stel de pomp in op 0.9 bar vacuüm tijdens het aanzuigen van de epoxy. Wanneer alle glas is volgezogen met epoxy kan het vacuüm iets minder hard, ik houd meestal ongeveer 0.5 bar aan.
8. Uitharden. Tijdens het uitharden moet de vereiste minimum temperatuur zoals aangegeven in de datasheet van de epoxy worden aangehouden. Bij mij duurt het uitharden een uur of tien. Meestal doe ik echter de ene avond injecteren, en pas de volgende avond de boel uitpakken.