Οδηγός επεξεργασίας σύνθετων ινών άνθρακα
Carbon Fiber Composites: Processing Guide
Η επεξεργασία σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα (CF) είναι μια δύσκολη υπόθεση, δεδομένου ότι οι περισσότεροι μηχανικοί που σκέφτονται να παράγουν ή να σχεδιάζουν προέρχονται από ένα υπόβαθρο σχεδιασμού μεταλλικών εξαρτημάτων.Ονομάζεται μαύρο αλουμίνιο και ο σχεδιασμός και η κατασκευή του έχουν περιγραφεί ως μαύρη τέχνη.Τι είναι, αλήθεια;
Ο σκοπός αυτού του οδηγού σχεδιασμού είναι να παρέχει γενικές πληροφορίες και προδιαγραφές για σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα και ορισμένες οδηγίες για το σχεδιασμό ελαφρών προϊόντων υψηλής απόδοσης με σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα.
Γιατί Carbon Fiber
Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα έχουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες σε σύγκριση με τα ομοιογενή μέταλλα και πλαστικά.Το υλικό είναι ισχυρό, άκαμπτο και ελαφρύ.Αυτά τα σύνθετα υλικά είναι το υλικό επιλογής για εφαρμογές όπου το ελαφρύ και ανώτερη απόδοση είναι πρωταρχικής σημασίας, όπως εξαρτήματα για διαστημόπλοια, μαχητικά αεροσκάφη και αγωνιστικά αυτοκίνητα.
Τι είναι τα σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα
Τα σύνθετα υλικά κατασκευάζονται με συνδυασμό οπλισμού (ίνα) με μήτρα (ρητίνη) και αυτός ο συνδυασμός ίνας και μήτρας παρέχει χαρακτηριστικά ανώτερα από οποιοδήποτε από τα υλικά μόνο.Σε ένα σύνθετο υλικό, η ίνα φέρει το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου και είναι ο κύριος συντελεστής στις ιδιότητες του υλικού.Η ρητίνη βοηθά στη μεταφορά φορτίου μεταξύ των ινών, αποτρέπει το λυγισμό των ινών και συνδέει τα υλικά μεταξύ τους.
Πόσο κοστίζει?
Ιστορικά, τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα ήταν πολύ ακριβά, γεγονός που περιόρισε τη χρήση τους μόνο σε ειδικές εφαρμογές.Ωστόσο, τα τελευταία δεκαεπτά χρόνια, καθώς η κατανάλωση έχει αυξηθεί και η αυτοματοποίηση στις διαδικασίες παραγωγής έχει αυξηθεί, η τιμή των σύνθετων ινών άνθρακα έχει μειωθεί.Το συνδυασμένο αποτέλεσμα έχει μειώσει το συνολικό κόστος των προϊόντων αλουμινίου υψηλής ποιότητας.Σήμερα, τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα είναι οικονομικά βιώσιμα σε πολλές εφαρμογές, όπως αθλητικά είδη, σκάφη απόδοσης, οχήματα επιδόσεων και βιομηχανικά μηχανήματα υψηλής απόδοσης.
Εφαρμογές
Τα σύνθετα υλικά είναι εξαιρετικά ευέλικτα.Ο μηχανικός μπορεί να επιλέξει από μια μεγάλη ποικιλία ινών και ρητινών για να αποκτήσει τις επιθυμητές ιδιότητες υλικού.Επίσης, το πάχος του υλικού και οι προσανατολισμοί των ινών μπορούν να βελτιστοποιηθούν για κάθε εφαρμογή.
Τα πλεονεκτήματα των σύνθετων ινών άνθρακα είναι:
1. Υψηλή ειδική ακαμψία (ακαμψία διαιρούμενη με την πυκνότητα)
2. Υψηλή ειδική αντοχή (αντοχή διαιρούμενη με την πυκνότητα)
3.Εξαιρετικά χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής (CTE)
4. Διαφανές με ακτίνες Χ (λόγω του χαμηλού μοριακού βάρους του)
Σε ποιες εφαρμογές χρησιμοποιούνται τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα;
Η μοναδική τοποθέτηση των σύνθετων ανθρακονημάτων με υψηλή ειδική αντοχή, ακαμψία και χαμηλό CTE τους παρέχει μια μοναδική θέση σε πολλούς τομείς εφαρμογής, όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα:
Τυπικές εφαρμογές για σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα
Πληροφορίες Σχεδιασμού
Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα θεωρούνται «υλικό σχεδιαστή» επειδή τα μέρη μπορούν να προσαρμοστούν ώστε να έχουν αντοχή ή/και ακαμψία στις κατευθύνσεις και τις θέσεις που είναι απαραίτητες.Αυτό επιτυγχάνεται με τη στρατηγική τοποθέτηση υλικών και τον προσανατολισμό της κατεύθυνσης των ινών ώστε να ανταποκρίνεται καλύτερα στις απαιτήσεις.Επίσης, η ευελιξία σχεδιασμού και κατασκευής που προσφέρουν τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα παρέχει ευκαιρίες βελτιστοποίησης του σχεδιασμού, όπως η ενοποίηση και η ενσωμάτωση πολλών χαρακτηριστικών επιτόπου, για περαιτέρω μείωση της συνολικής τιμής ανταλλακτικών.
Εργαλεία
Τα καλούπια χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό του σχήματος των σύνθετων μερών.Το σύνθετο μέρος θα πάρει όλα τα σχήματα και τα χαρακτηριστικά των καλουπιών.επομένως η ποιότητα του εξαρτήματος επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την ποιότητα του καλουπιού.Τα καλούπια μπορεί να είναι είτε αρσενικά είτε θηλυκά.Τα θηλυκά καλούπια είναι τα πιο κοινά και θα παράγουν ένα μέρος με λεία εξωτερική επιφάνεια ενώ ένα αρσενικό καλούπι θα παράγει μια λεία εσωτερική επιφάνεια.Απαιτείται ένα ταιριαστό καλούπι (αρσενικό και θηλυκό) εάν το εξάρτημα στερεωθεί χρησιμοποιώντας πρέσα.
Εργαλεία δύο μερών, που συνήθως αποκαλείται "clamshell"
Τα καλούπια μπορούν να κατασκευαστούν με σύνθετα υλικά, εποξειδικά γεμισμένα με μέταλλο ή κατεργασμένα από αλουμίνιο ή χάλυβα.Ο τύπος του καλουπιού και των υλικών που χρησιμοποιούνται εξαρτάται από τον τύπο του εξαρτήματος και την ποσότητα παραγωγής.
Διαδικασία Παραγωγής
Η προηγμένη παραγωγή ανθρακονημάτων πραγματοποιείται συνήθως με τη χρήση προεμποτισμένων ινών άνθρακα με θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες.Οι δύο βασικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται είναι:
1. Απλώστε το χέρι
Η διάταξη με τα χέρια προεμποτισμένων υφαντών υλικών εξακολουθεί να είναι ένα μεγάλο μέρος της βιομηχανίας σύνθετων υλικών, που απαιτεί τις δεξιότητες και την εμπειρία ενός ανθρώπινου δυναμικού για να σχηματίσει επίπεδες πτυχές σε πολύπλοκα σχήματα.Είναι ικανό να παράγει υψηλής απόδοσης και πολύπλοκα εξαρτήματα, αλλά μπορεί να είναι μια δαπανηρή και εξαιρετικά μεταβλητή διαδικασία.
2. Αυτοματοποιημένη τοποθέτηση ινών (AFP)
Τα κύρια πράγματα που πρέπει να λάβετε υπόψη είναι το πλάτος της ίνας που χρησιμοποιείτε και η ακτίνα του κυλίνδρου συμπίεσης.
