Materiał – Tkaniny

Od włókna do materiału

Inżynierowie pracujący przy projektowaniu materiałów żaglowych mają sporo miejsca do popisu. To oni rozpoczynają długą drogę do osiągnięcia większej wytrzymałości, szybkości i sprawności żagla. Przez lata ewolucji włókien, nowych rozwiązań i pomysłów na stworzenie idealnego materiału żaglowego projektanci mocno ograniczyli możliwości powstania jeszcze lepszych rozwiązań. Na tą chwilę doszliśmy do ograniczeń narzuconych przez brak nowych włókien oraz technologii, zważywszy na to, że trzeba zachować pewien złoty środek, pomiędzy kosztami, możliwościami produkcyjnymi, ergonomią użytkowania i żywotnością materiału żaglowego.

  • Tkaniny – materiały produkowane tradycyjną metodą na maszynach tkalniczych – krosnach
  • Laminaty – materiały gdzie włókna tworzące główną warstwę nośną (przenoszącą obciążenia) znajduję się miedzy dwoma warstwami (stabilizującymi) sklejonymi ze sobą.
  • D4 – materiał tworzony na płaskim podłożu z włóknami rozprowadzonymi zgodnie z obciążeniami, następnie cięty jest horyzontalnie i zszywany by nadać kształt żagla.
Budowa żagla D4 – ⓒ Klaus Andrew / DP 
  • 3DL – bezszwowy żagiel zrobiony na kopycie – formie, składający się z włókien przenoszących główne obciążenia zamkniętych po obu stronach warstwą mylaru bądź tafety.
Budowa żagla 3DL – ⓒ Sail World

Nie jest łatwo znaleźć złoty środek i uznać jeden materiał za najwłaściwszy zarówno w regatach jak i w turystycznym żeglowaniu. Oczywiście ostatecznym celem jest stworzenie jak najbardziej wytrzymałej tkaniny przy zachowaniu jak najmniejszej masy a wszystko to przy minimalnych kosztach. Tak jak w życiu i w żeglarstwie spotykamy się z dwoma końcowymi czynnikami, które definiują cenę, czyli kosztami surowca i nakładami pracy.

Najtańszym sposobem na wytworzenie płótna jest tkanie a najtańszym surowcem jest poliester, stąd żagle dakronowe są najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem przy wyborze płótna na nasze nowe żagle. W dalszej kolejności mamy sploty z bardziej egzotycznych włókien. Droższym rozwiązaniem jest stworzenie laminatu i tak jak w przypadku tkania, najtańszym materiałem jest poliester następnie dokłada się włókna droższe – wytrzymalsze np. twaron bądź dyneeme lub węgiel. Celem każdego żeglarza przy wyborze materiału jest dopasowanie go do swoich potrzeb, czyli do sposobu żeglugi, do typu jachtu. Nikt z nas nie chce płacić za coś, czego nie potrzebuję bądź nie wykorzysta na swoim jachcie, choć z drugiej strony nikt nie będzie oszczędzał na materiale, gdy chodzi o żagle do mega jachtu. Z tego samego powodu nie zakłada się magnezowych alufelg do fiata 126p. ani całorocznych opon do bolidu F1.

Gdy poznasz budowę i charakterystykę materiałów żaglowych będziesz znacznie lepiej zorientowany, gdy przyjdzie Ci wybrać odpowiedni materiał do twoich nowych żagli. Oczywiście nie jest to koniecznością, ponieważ projektanci żagli, chętnie doradzą i wskażą najbardziej optymalny materiał do twoich potrzeb.

 

Tkaniny – Dakron”y”

Każdy utkany materiał składa się z wątku i osnowy. Osnowa odnosi się do przędzy biegnącej wzdłuż długości materiału, wątek odwrotnie do przędzy biegnącej po szerokości rolki materiału, czyli w poprzek. I tutaj zaczyna się projektowanie tkanin, ponieważ inżynier może zaprojektować materiał zorientowany na wątek bądź osnowę używając grubszych włókien w którymś z nich, uzyskując zupełnie inną charakterystykę materiału wytrzymałości materiału. Tutaj możemy zdecydować, do jakiego kroju będzie przystosowany materiał – horyzontalnego lub radialnego. Również można zaprojektować tkaninę o identycznym rozkładzie włókien watek / osnowa. Taka tkanina będzie miała identyczną wytrzymałość na szerokości i długości, co pozwoli na użycie jej do dowolnego kroju.

ⓒ Contender Sailcloth

Wątek i osnowa

Każdy utkany materiał składa się z Wątku i Osnowy. Osnowa to włókna biegnące wzdłuż długości tkaniny, podczas gdy watek odnosi się do włókien  biegnących w poprzek długości tkaniny czyli wzdłuż jej szerokości. Inżynier projektujący materiał żaglowy może przygotować wątek do przenoszenia głównych obciążeń. W takim wypadku będzie to materiał do żagli horyzontalnych.

W przypadku zaprojektowania materiału tak by to osnowa przenosiła główne obciążenia będziemy mieli do czynienia z materiałem do cięcia radialnego.Materiały poliestrowe przygotowane do kroju radialnego przeważnie mają tą samą charakterystykę dla wątki i osnowy, czyli de facto są materiałami zbalansowanymi.

Trzecią możliwością są tkaniny zbalansowane czyli takie, które posiadają dokładnie taka sama ilość włókien wzdłuż i w poprzek materiału. Taka tkanina będzie wykazywała taką samą wytrzymałość na rozciągnie w obu kierunkach.

Gęstość liniowa włókna – Denier

Podążając za Wikipedią 1 denier – „den” to jednostka gęstości liniowej włókien syntetycznych. Włókno o długości 9000 metrów i masie 1 grama ma gęstość 1 deniera. Dacron w swej podstawowej postaci to zbiór włókien z poliestru, które po skręceniu z innymi włóknami stają się przędzą. Liczba skręceń na cal oraz grubość każdego włókna ma wpływ na masę i wytrzymałość każdej przędzy, a przez to na wytrzymałość tkaniny. A jasno odzwierciedlić strukturę materiału producenci posługują się właśnie oznaczeniem DEN – denier na cal – DPI – Denier per Inch. Gdy chcemy określić wytrzymałość kierunkową tkaniny możemy spojrzeć na informację DPI

Sztuka tkania sięga wieków, a najnowocześniejsze krosna – bardziej wyrafinowane wciąż stosują ten samą proces tkania. Najpierw włókna przędzy – osnowa rozciągana jest pod dużym obciążeniem wzdłuż  przyszłego materiału. Co drugie jej włókno jest kierowane powyżej i poniżej osi tkania tak by stworzyć „pułapkę dla przyszłego wątku. Wątek przechodzi prostopadle między osnową raz z lewej raz z prawej strony. Po każdym przejściu włókna wątku z lewej do prawej są dociskane przez ubijacz a włókna osnowy zmieniają swoją pozycję góra/dół zamykają go nie pozwalając na jakiekolwiek przesunięcie. Wątek znowu przechodzi z prawej do lewej.  Przy każdym przejściu wątku rośnie długość przygotowanego materiału. To wszystko dzieje się z niesamowitą prędkością a z każdym rokiem producenci tkają coraz większą ilość materiału.

ⓒ Challenge Sailcloth

Szerokość rolki materiału uzależniona jest od szerokości krosna. Większość nowoczesnych maszyn ma panel tkalniczy szerokości 60 cali co przekłada się na maksymalną szerokość rolki równą 54 cali czyli 136 cm. Czasami możemy spotkać się z szerokością rolki do 150 cm. To akurat jest podyktowane szerokością ramienia większości ploterów rysujących/wycinających bryty na przyszły żagiel

Długość rolki materiału podyktowana jest tylko ilością przędzy oraz zdrowym rozsądkiem wagi takiej rolki. Dla tego zwykle rolki materiału maja po kilkaset metrów, następnie są przycinane do krótszych odcinków.

Ustawienie krosna jest niezwykle czasochłonne, więc producenci tkanin starają się wytwarzać długie odcinki płótna żaglowego za każdym razem, gdy wykonują określony styl tkaniny. Oczywiście, sposób, w jaki przygotowuje się krosno, ma duży wpływ na to, jak będzie wyglądał gotowy produkt, dlatego producent musi dokładnie wiedzieć, czego chce od samego początku procesu.

ⓒ Challenge Sailcloth

Każda partia materiału jest badana pod względem zachowania wzorcowych parametrów. Niezmiernie ważne jest utrzymanie wzorcowych warunków w których tkany jest materiał. Wilgotność i temperatura mają tutaj kluczowy wpływ. Podyktowane jest to parametrami technicznymi poliestru z którego robiony jest dakron. Przy nie przestrzeganiu tych parametrów przędza straci swoje właściwości wytrzymałościowe i może skurczyć się a z tego powstanie pofałdowany materiał.

ⓒ Challenge Sailcloth

Gdy przygotowujemy horyzontalnego grota na Bavarię 50 potrzebujemy ciężkiego materiału przystosowanego do stawiania czoła dużym obciążeniom występującym na tak dużym żaglu. Możemy użyć przędzy 500 DPI dla osnowy i 1000 DPI dla wątku. Z takie połączenia powstanie dakron do kroju horyzontalnego o wadze 10.4 o.z. czyli ok. 420 g/m2

Do produkcji grota na moje Mini 6.50 producent przygotuję w krośnie 600 DPI w osnowie i 600 w wątku, to pozwoli stworzyć materiał Contender Fibercon Competition 6.05o.z. czyli ok 285 g/m2 do kroju radialnego.

tabela techniczna materiału Contender Fibercon Competition RSQ
Tabela charakterystyki odporności na rozciąganie materiału Contender Fibercon Competition RSQ 6.55 – 313 g/m2

Jak widzimy na tabeli wątek i osnowa są przygotowane w takiej samej ilości jednak wątek charakteryzuję się większą wytrzymałością. Przyczyna tego leży w procesie tkania, a sam materiał może być użyty do kroju radialnego.

Jak czytać tabelę ? Pierwsze cztery rzędy informują nas o wydłużeniu materiału do przyłożonego obciążenia. Ostatni rząd informuję nas jakie obciążenie musimy przyłożyć by rozciągać materiał o 1% jego długości.
W laboratoriach, inżynierowie „rozbijają” próbkę materiału. Ma to symulować częściowe zużycie takiego materiału. O tym jak będzie rozciągał się częściowo zużyty materiał informuję nas szereg „Flutter”

Znając te podstawy możemy już świadomie patrzeć na proces produkcji materiałów żaglowych. Przejście z materiałów organicznych na syntetyki pozwoliło na zmianę charakterystyki żeglowania i projektowania jachtów / statków. Stabilniejsze materiały znacznie obniżyły koszty eksploatacji jachtów, rzadziej zachodzi potrzeba wymiany „wydmuchanych” żagli. W nowej erze materiałów coraz częściej zaczęły dominować „nowe”kształty kadłubów oraz ożaglowania które teraz są standardem, mowa tu o sztakslach i żaglach trójkątnych bądź gaflowych. Projektanci żagli dostali materiały do produkcji nowych żagli, które pozwoliły na coraz ostrzejszą żeglugę.

ⓒ Contender Sailcloth

Współczesny świat regatowy wciąż pędzi do przodu, na naszych oczach narodziła się nowa era żeglarstwa. Mówię tu o przejść z żeglowania wypornościowego do ślizgowego. Nowe materiały konstrukcyjne pozwalają na konstruowanie takich jachtów, są one dostępne do coraz szerszego grona żeglarzy.  Zmiana tej ery wprowadza duże zapotrzebowania na nowe materiały żaglowe – potrzeba jest coraz stabilniejszych i lżejszych materiałów. Na jachtach ślizgowych żagle projektuję i produkuję się z dbałością o coraz to większą precyzję jego kztałtu. Tego wymaga specyfika jazdy w ślizgu. Stabilność materiału ma zapewnić coraz to dłuższe trzymanie kształtu przeciążanego żagla, który jednak ma bardzo dynamicznie przekazywać moc z wiatru przez takielunek na kadłub i …. wygrywać regaty.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *