Běžná metoda lisování uhlíkových prepegů

Ve sofistikovaném světě leteckého a vysoce náročného průmyslu je prepreg z uhlíkových vláken technologie lisování je jako „neviditelný řemeslník“, který formuje vysokokvalitní materiály s extrémní přesností, která kombinuje pevnost a nízkou hmotnost. Jako klasický proces v oblasti kompozitů má tradiční metoda lisování předimpregnovaných uhlíkových vláken za sebou desítky let vývoje a stále zůstává „páteří“ vysokorychlostního průmyslu. Dnes se podrobně ponoříme do jádra této technologie, abychom pochopili, jak se z listu pryskyřicí impregnované uhlíkové tkaniny stává klíčová součást kosmické lodi a kostra karoserie závodního vozu.

Co je to uhlíková vláknina?

Abychom pochopili výrobní metodu lisování, musíme nejprve porozumět základnímu pojmu „prepregu“. Jednoduše řečeno, karbonový prepreg je „dokonalou kombinací“ karbonového vlákna a pryskyřice – za přesně kontrolované teploty a tlaku se epoxidová pryskyřice, fenolická pryskyřice a další matrice rovnoměrně impregnují do karbonové tkaniny, čímž vznikne lepkavý kompozitní materiál ve formě cívky nebo listu s určitou viskozitou.
Tato vlastnost „předběžné impregnace“ ji odlišuje od procesu lisování suchých vláken: obsah pryskyřice a její rozložení jsou stanoveny předem a následný proces tváření se musí zaměřit pouze na to, jak přesně umístit materiál do formy a zajistit jeho úplné ztvrdnutí, čímž se výrazně snižuje složitost provozních operací. Je to jako těsto připravené před pečením – receptura je již upravena, zbývá jen ovládat teplotu a čas pečení.

Běžná metoda lisování

（1）Lisování v autoklávu
Zlatý standardní proces pro výrobu kompozitů vysokého výkonu pro letecký průmysl. Zahrnuje uzavření nátěru předimpregnovaných uhlíkových vláken a formy do vakua a umístění do velkého tepelného lisovacího zařízení s vysokou teplotou a vysokým tlakem, tzv. horké lisovací nádoby. Během procesu tvrzení je na nádobu současně aplikován rovnoměrný vysoký tlak (několik atmosfér) a vysoká teplota, čímž se dosáhne plného toku pryskyřice a stlačení vláken, což vede k výrobkům s extrémně vysokým obsahem vláken a nízkou pórovitostí.
Výhodou tohoto procesu je výroba složitých konstrukčních dílů bezkonkurenční kvality s vynikajícími mechanickými vlastnostmi a konzistencí. Nevýhody jsou však zcela zřejmé: zařízení pro horké lisování je samotné extrémně nákladné, spotřebovává velké množství energie a má dlouhé a nákladné výrobní cykly, a proto je obvykle omezeno na letecký průmysl a závodní vozy F1, kde je vyžadován extrémní výkon.
（2）Tvarování za tepla
Vysoce efektivní proces pro střední až vysoké objemy výroby. Do předehřáté kovové formy se vloží přesné množství prepregu nebo lisovací směsi (např. SMC), následně se forma uzavře a aplikuje se vysoký tlak a teplota, čímž materiál proudí uvnitř dutiny formy, zaplní ji a poté dojde k vytvrzení a tváření po izolaci a udržení tlaku.
Výhody tohoto procesu jsou vysoká míra automatizace, rychlá výroba, vysoká rozměrová přesnost výrobku a hladký povrch na obou stranách. Nicméně kvůli nutnosti použít tuhou formu odolnou vysokému tlaku jsou počáteční investiční náklady vyšší. Tento proces je velmi vhodný pro výrobu velkých sérií konstrukčních dílů vyžadujících kvalitní povrch, např. karoseriové panely automobilů, skříně baterií nebo výkonné sportovní vybavení.
（3）Vakuové sáčkování
Základní a běžně používaný proces, který využívá atmosférický tlak ke zhuštění kompozitních materiálů. Série pomocných materiálů je pokryta ručně lepenou nebo prepregovou vrstvou a celý systém je uzavřen do vakuumového pytle, který je nepřetržitě odváděn vývěvou, čímž vzniká podtlak, takže atmosférický tlak rovnoměrně působí na povrch výrobku, čímž se odstraní vzduch a struktura se zkomprimuje.
Tato metoda může výrazně zvýšit obsah vláken, snížit pórovitost a zlepšit rovnoměrnost rozložení pryskyřice, přičemž její náklady jsou mnohem nižší než u horké lisovací nádoby. Může však poskytnout maximální tlak pouze přibližně 0,1 MPa a horní mez výkonu není tak dobrá jako u vysokotlakého procesu. Metoda je široce využívána ve lodním stavitelství, při výrobě prototypů a u kompozitních dílů se středními požadavky na výkon.
（4）Válečkové vinutí
Směrový proces zaměřený na výrobu vysokovýkonných tenkostěnných trubek. Předimpregnované uhlíkové vlákno je nastříháno pod určitým úhlem a následně s přesným napnutím navinuto na mandrli, obvykle následované omotáním kompresní pásky za účelem aplikace tlakového zatížení, poté je ohříváno a vytvrzeno v troubě a po vytvrzení vyjmuto z mandrle, čímž vznikne trubka.
Tento proces umožňuje přesnou kontrolu orientace vláken (např. kombinace 0°, ±45°), čímž dosahuje vynikajících axiálních mechanických vlastností s dobrou rozměrovou přesností a kvalitou povrchu. Vyžaduje však použití předimpregnovaných materiálů a mandrle, má omezenou výrobní efektivitu a používá se hlavně ve vysokotřídném sportovním vybavení, jako jsou hřídele golfových holek, udic nebo vidlice jízdních kol.
（5）Navíjení filamentu
Automatizovaný proces výroby rotačních členů s vysokou pevností. Nevodivá taška z uhlíkových vláken je impregnována v lázni pryskyřice a následně přesně nanášena počítačově řízenou vinovací hlavou na rotující mandrel pod předem nastavenými úhly a profilem, dokud nedosáhne stanovené tloušťky, poté je vytvrzena do konečného tvaru.
Největší výhodou tohoto procesu je spojitost vláken a jejich rovnoměrné napnutí, což umožňuje velmi vysoký objemový podíl vláken a využití pevnosti, zejména u nádob vystavených vnitřnímu tlaku. Je však omezen na konvexní rotační tvary a vyžaduje drahé zařízení. Typické produkty jsou tlakové lahve na plyn (CNG/vodík), potrubí a skříně raketových motorů.
（6）Pultruze
Vysoce efektivní proces pro nepřetržitou výrobu kompozitních profilů s konstantním průřezem. Jako „špagety“ protahuje nepřetržité snopy uhlíkových vláken nebo tkaniny nádrží s pryskyřicí za účelem impregnace, poté je vedou přes ohřívanou přesnou ocelovou formu, kde jsou předtvarovány, stlačeny a nepřetržitě vytvrzeny, a nakonec jsou taženy ven tahadlem a nařezány na konstantní délku.
Proces je vysoce produktivní, umožňuje automatizovanou nepřetržitou výrobu, vysoké využití surovin a významnou cenovou efektivitu. Výrobky jsou však omezeny na lineární profily s konstantním průřezem a jejich podélná pevnost je mnohem vyšší než příčná. Mezi běžné výrobky patří nosníky pro příhradové mosty, kabelové mosty, žebříkové tyče a různé tyče a profily.
（7）Formování tlakovým vakem
Lze jej považovat za vylepšenou verzi formování v vakuumovém sáčku. Na základě systému s vakuumovým sáčkem je celá uzavřená forma umístěna do těsnitelné tlakové nádoby, která nejen odvádí vzduch z vnitřního prostoru, ale také vhání stlačený vzduch do nádoby, čímž působí vyšší kladný tlak (obvykle 0,4–0,6 MPa) na vnější stranu vakuumového sáčku a tak poskytuje vyšší lisovací tlaky než pouhé vakuum.
Tato metoda výrazně zlepšuje obsah vláken a zhutnění dílu bez nutnosti vysokých investic do horké tlakové nádoby a překonává proces formování pouze pomocí vakua. Je ideálně vhodná pro výrobu velkých dílů, které se nemohou vejít do horké tlakové nádoby, například trupy malých a středních lodí, díly železničních vozidel a velké radomy.

Porovnání metod tváření prepregu z uhlíkových vláken

Budoucnost: Inovace v oblasti dědictví

Tradice neznamená stagnaci. Dnes průmysl překonává úzká hrdla prostřednictvím „mikroinovací“: například vývojem nízkoteplotních rychle tuhnoucích pryskyřic, které zkracují dobu tuhnutí z 2 hodin na 30 minut; nasazením automatických laminovacích zařízení, která nahrazují manuální skládání a zvyšují tak efektivitu; a dokonce i zavedením algoritmů umělé inteligence do návrhu forem pro optimalizaci rozložení tlaku a snížení počtu vad.
Tyto vylepšení umožnila tradičním procesům udržet jejich výkonové výhody a zároveň postupně přecházet k modelu „vysoká efektivita a nízké náklady“ a nadále hrají důležitou roli v oblasti kompozitů.
Od kosmických lodí po sportovní vybavení tradiční metoda lisování předimpregnovaných uhlíkových vláken interpretuje výrobní filozofii „pomalu a jistě“ s pevným řemeslným zpracováním. Možná není nejvyspělejší, ale v situacích, kdy je vyžadována extrémní spolehlivost, je právě tato „tradiční“ metoda nejcennější zárukou kvality.