EN
Rozvíjení přípravy rolí z uhlíkových vláken a postupů jejich uložení vrstev
Přesné uložení vrstev – rozvinování, stříhání a zarovnání rolí z uhlíkových vláken
Správné nastavení procesu odvíjení je klíčové pro úspěch celého systému. Systémy řízení napětí pomáhají zabránit deformaci a poškození vláken při jejich průchodu strojem. Pokud jde o řezání, ultrazvukové řezání – na rozdíl od řezání nůžkami – umožňuje vytvořit čisté, nezvlněné a bez tepelného poškození okraje. Laserové vodítky zajišťují zarovnání jednotlivých vláken s maximální odchylkou pouze 0,5 stupně. Proč je to důležité? V nejnovějším vydání časopisu Composites Journal poznamenali výzkumníci, že podle jejich analýzy by jednostupňová nesouosost vedla ke snížení pevnosti v tahu o 7 %. Pokud má uložení složitou geometrii, například trojrozměrný kontur, provádějí aplikaci lepidla specializovaní roboti tak, aby bylo během přenosu na další pracovní povrch zachováno správné zarovnání vrstev. Existuje několik dalších faktorů, které je třeba řídit, například potlačení elektrostatického náboje v systémech, aby se zabránilo tomu, aby se vlákna stala volně vznášejícími se částicemi ve vzduchu, a regulace relativní vlhkosti na úrovni nižší než 40 %, aby nedošlo k předčasnému nasáknutí pryskyřic vlhkostí.
Pracovníci prohlížejí osvětlený tkaninový vzor zezadu, aby zkontrolovali jeho shodnost před tím, než do forem nalijí jakékoli materiály.
Odhad nákladů na ruční lámání (WET Lay-Up) vs. předimpregnované materiály (Prepreg) vs. vstřikování pryskyřice (RTM): přizpůsobení techniky typu válcového tvarování uhlíkových vláken a úrovni výroby
Nejvhodnější metoda konsolidace se liší podle kritérií výkonu, objemu a nákladů.
Vyžaduje tuhnutí v autoklávu
Při mokré laminaci se používá pryskyřice, která se manuálně aplikuje na suché role uhlíkových vláken, což ji činí nejvhodnější pro tvary vyžadující složitou konstrukci. Objem však bývá obvykle nízký. Průměrné náklady na nástroje pro takové procesy jsou typicky o 80 % nižší než u metod RTM. Předimpregnované materiály (prepregy) jsou z obou metod výhodnější díky vyšší konzistenci konečných dílů a celkově lepším mechanickým vlastnostem těchto dílů. Tato konzistence je způsobena tím, že pryskyřice je již předem nasáknuta do vláken během výrobního procesu prepregů. Výroba prepregů však vyžaduje speciální chladné skladování a po celou dobu výrobního procesu také zvláštní a poněkud komplikované zacházení s materiálem. Přesto i u RTM čelí výrobci složitosti metody, neboť polymery jsou tlakem nuceny proudit skrz suchá vlákna (vlákna nasáknutá pryskyřicí) uvnitř uzavřené geometrie forem, což vede k nadměrnému obsahu vzduchových dutin v nasáknutých vláknech a extrémně nízké konzistenci nasáknutých vláken mezi jednotlivými šaržemi. To znamená, že jedním z nejvíce omezujících faktorů je – po samotných formách – investice přesahující půl milionu dolarů na získání sad forem. Právě tato vysoká investiční hranice také zajišťuje, že většina menších provozů RTM nepoužívá a místo toho upřednostňuje techniky s nižší složitostí.
Výběr systémů pryskyřic a optimalizace tuhnutí pro integraci rolí z uhlíkových vláken
Proč jsou epoxidové pryskyřice zlatým standardem pro zpracování konstrukčních rolí z uhlíkových vláken
Neporazitelná adheze, tepelná stabilita a kontrola procesu činí epoxidové pryskyřice zlatým standardem pro konstrukční aplikace s rolemi z uhlíkových vláken.
Mezivrstvová smyková pevnost:
- kritická pro nosné vrstvy, přesahuje 65 MPa.
- provozní teplota umožňuje použití v leteckém průmyslu a vysokovýkonnostních automobilových aplikacích až do 180 °C (356 °F).
- postupné cykly tuhnutí pomáhají snížit zbytkové napětí a vznik mikrotrhlin.
Gravimetrickou analýzou bylo prokázáno, že udržení poměru pryskyřice k vláknu v rozmezí 35–40 % hmotnostně umožňuje udržet obsah pórů pod 2 % a splnit požadavky normy ASTM D3039 pro tahové zkoušky. Zohlednění nákladů, doby tuhnutí a kompatibility pro role z uhlíkových vláken při použití alternativních pryskyřic na bázi polyesteru a vinyl-esteru
Zatímco epoxidové pryskyřice nabízejí nejvyšší standard, konkurenti nabízejí nejvyšší marži buď z hlediska nákladů nebo rychlosti výroby:
Typ pryskyřice | Náklady vzhledem k epoxidu | Maximální provozní teplota | Kompatibilita s roletami z uhlíkových vláken
Polyester | o 60–70 % nižší | 80 °C (176 °F) | Střední – náchylný k osmotickému puchýření
Vinylester | o 40–50 % nižší | 100 °C (212 °F) | Vysoká – vynikající chemická odolnost
Při pokojové teplotě dochází k utvrzování vinylesteru během 2–4 hodin, což je výrazně rychlejší než utvrzování epoxidu trvající 12–15 hodin; to umožňuje rychlé vytváření prototypů a výrobu nestrukturálních panelů. Ztráta 15–20 % tlakové pevnosti je často více než kompenzována. Ve mnoha případech – například u námořních palub nebo panelů karosérií automobilů – vyhnutí se této ztrátě tlakové pevnosti umožňuje úsporu materiálu přesahující 25 USD/m² při zachování požadované funkce.
Návrh formy a nástrojů pro spolehlivou výrobu rolet z uhlíkových vláken
Požadavky na materiál, povrchovou úpravu a tepelnou stabilitu pro valcové tváření uhlíkových vláken
Výkon formy závisí na spolupráci tří faktorů – pevnosti materiálu, odolnosti povrchu a teplotní stability – a tyto tři faktory dohromady určují výkon prototypové formy. V tomto ohledu lze prototyp sestavit z nástrojové oceli, neboť nabízí příznivý poměr nákladů k výkonu. Pro delší výrobní série je možné aplikovat karbidové povlaky, které poskytnou formě konstrukční podporu a prodlouží její výrobní cyklus. Díky konstrukčně stabilní podpoře pro vysoké teploty a vysoké mechanické namáhání jsou specifické niklové slitiny, jako je Invar, oblíbeným materiálem pro výrobu forem používaných při výrobě leteckých a kosmických komponentů, a to díky jejich nízkému koeficientu tepelné roztažnosti. Tato vlastnost slitin Invar minimalizuje nepříznivou tepelnou roztažnost formy při nastavených teplotách a tak brání deformaci (prohnutí) formy způsobené tepelnými a chemickými reakcemi pryskyřic s epoxidem.
Úprava povrchu by měla být co nejzrcadlovější, ideálně pod 0,4 mikronu Ra. To zajišťuje, že se vlákna během zpracování nezachytí a díly se snadno uvolní z formy bez povrchových vad nebo mikrotrhlin. Správné a strategicky umístěné odvzdušňování okrajů je kritické pro předcházení vzduchovým dutinám, zejména během exotermního tuhnutí pryskyřice. Je také důležité pro zabránění vzniku vláknitých pryskyřičných dutin v uhlíkových válcích. Nakonec je kritické navrhnout formy tak, aby byly rozměrově stabilní v rozmezí −0,1 až +0,1 mm při teplotě 180 °C. Tato precizní konstrukce je nezbytná pro všechny vážné výrobce kompozitů.
Základy řízení procesu: Kontrola kvality při výrobě uhlíkových válců
Metody vakuumového balení, aplikace tlakové podložky a odvzdušňování při výrobě laminátů uhlíkových válců bez dutin
Prvním krokem je vytvoření vakua. Každá vrstva kompozitu je umístěna pod pružnou krytku do vakového obalu a nasátím záporného tlaku 25–29 palců rtuti (inHg) se odstraní vzduch z jednotlivých vrstev. Zahájení kroku s kladným tlakem v rozmezí 14–100 psi (liber na čtvereční palec) představuje spíše kompakční krok, který mění poměr vlákno/živice v kompozitu, neboť objem živice ( {m}_{resin} ) se snižuje. Odstraňování vad, zejména dutin, je společnou funkcí několika faktorů. Nejprve je zachycený vzduch ve vlhkých vrstvách živice porušen/rozbit pomocí vyrovnávacího válce. Poté speciální vrstvy tkaniny, tzv. dýchací vrstvy (breathers), odvádějí nežádoucí (obvykle epoxidovou) živici z vrstev k určeným výtokovým otvorům pro živici. Nakonec, aby bylo minimalizováno množství živice, která by mohla kontaminovat vrstvy nebo vytvářet dutiny, je systém konfigurován tak, že obsahuje vrstvy pro odvod živice (bleeder layers), které živici absorbuje ještě před jejím konečným zpracováním.
Je kritické udržet obsah dutin pod 2 %. Vyšší obsah dutin snižuje mezní smykovou pevnost mezi vrstvami o více než 35 %. Použití monitorování tlaku a automatických systémů pro detekci úniku zvyšuje spolehlivost a rovnoměrnost konsolidace laminátu z uhlíkových vláken, což je obzvláště důležité u tlustých nebo nepravidelných oblastí.
Sekce Často kladené otázky
Jaké jsou výhody použití rolí z uhlíkových vláken?
Díky nepřekonatelné pevnosti a stabilitě umožňuje výroba z rolí vytváření složitých tvarů a přesného zarovnání.
Jaká je výhoda mokrého uložení (wet lay-up)?
Mokré uložení je vhodnější pro prototypy a složité tvary, avšak není tak vhodné pro sériovou výrobu jako procesy RTM a prepreg.
Proč se v kompozitních materiálech používá epoxidová pryskyřice?
Epoxidová pryskyřice je nejvhodnější volbou díky své lepivosti, stabilitě a mezní smykové pevnosti mezi vrstvami ve vztahu k hmotnosti konstrukce a je proto nezbytná pro uhlíková vlákna.
Jakou funkci má vakuum při výrobě laminátů z uhlíkových vláken?
Vacuumové balení vytváří těsnění a podtlak, který odstraňuje vzduchové bubliny a umožňuje rovnoměrné tváření laminátů bez dutin.