Objevte vznik výrobků z uhlíkových vláken – listy z uhlíkových vláken, uhlíkové trubice, tvarované díly – a jejich výrobu

Uhlíkové vlákno produkty , díky svým vynikajícím vlastnostem, jako je nízká hmotnost a vysoká pevnost, jsou široce využívány v mnoha oblastech, například u letadel v leteckém průmyslu, u karoserií automobilů nebo u vybavení pro sportovní vybavení. Jak se základní materiály postupně proměňují v praktické výrobky? Níže následuje podrobný úvod k základním bodům výroby uhlíkových desek, uhlíkových trubek a tvarovaných dílů z uhlíkových vláken.

Příprava surovin

Základní suroviny používané pro výrobky z uhlíkového vlákna zahrnují uhlíkové příze a matricové materiály. Uhlíková vlákna se vyrábějí z organických vláken, jako je polyakrylonitril, která jsou při vysoké teplotě karbonizována. Mají průměr pouhých několik mikronů, jsou tedy mnohem tenčí než lidský vlas, ale zároveň mnohem pevnější než běžná ocel. Tato uhlíková vlákna jsou obvykle zpracována do podoby uhlíkové tkaniny nebo uhlíkové příze, aby byla usnadněna následná operace formování.

Matricový materiál je tvořen především epoxidovými pryskyřicemi a dalšími polymerovými materiály, které hrají klíčovou roli – nejen spojují uhlíková vlákna dohromady, ale také přenášejí napětí a současně poskytují ochranu uhlíkovým vláknům, aby byla zajištěna ochrana před vnějším prostředím, jako je vlhkost, korozivní látky a další poškození. Před výrobou jsou podle požadovaných vlastností jednotlivých výrobků vybírána uhlíková vlákna a matricové materiály vhodných specifikací a podrobena přísná kontrola kvality, aby bylo zajištěno, že kvalita surovin splňuje výrobní normy.

Uhlíkový list (laminované lisování)

Uhlíkové desky jsou vyráběny hlavně metodou laminovaného lisování, která se často používá pro výrobky jako lyže nebo rámky šifonových rakete.

Za prvé, podle návrhových požadavků nastříhat prepreg z uhlíkových vláken , prepreg je předem impregnován základním materiálem z uhlíkové tkaniny, chyba řezání musí být kontrolována do 0,1 mm, aby byla zajištěna rozměrová přesnost následných výrobků.

Následně jsou rozřezané prepregy laminovány ve specifickém směru a pořadí. Jednosměrné uskladnění dodává uhlíkové desce vysokou pevnost v jednom směru, což je vhodné pro konstrukční díly, které musí odolávat jednosměrným silám, zatímco křížové uskladnění poskytuje uhlíkové desce dobrý výkon ve více směrech, což je vhodné pro díly s komplikovanými podmínkami namáhání.

Poté jsou složené prepregy vloženy do forem a aplikuje se tlak 5–10 MPa, aby se prepregy těsně přizpůsobily tvaru forem, a poté jsou formy vloženy do horkých lisovacích nádob nebo pecí a zahřívány a vytvrzovány při teplotě $120-180^{\circ} C$ po dobu 2–4 hodin.

Po dokončení procesu tvrzení je uhlíková deska odstraněna z formy a následně se provádí další úpravy, jako je broušení a řezání, aby byla доведena na požadovanou užitnou úroveň.

Uhlíkové trubky (navíjení a lisování)

Uhlíkové trubky jsou většinou vyráběny metodou navíjení a lisování, která se běžně používá u produktů jako jsou rámy dron nebo golfové hole.

Navíjecí parametry navíjecího stroje jsou navrženy podle velikosti a požadovaných výkonových parametrů uhlíkové trubky, přičemž jedním z klíčových parametrů je úhel navíjení. Při úhlu navíjení $\pm 45$ stupňů je torzní odolnost uhlíkové trubky lepší; při úhlu navíjení 0 stupňů je vyšší axiální pevnost uhlíkové trubky.

Uhlíkové vlákno je plně impregnováno základním materiálem prostřednictvím impregnačního zařízení a po vytvoření impregnovaného vlákna je navinuto na mandrel s tahem 5–15 Nm, přičemž tah by měl být během procesu navíjení udržován rovnoměrně, aby byla zajištěna stabilní kvalita uhlíkové trubky.

Po navinutí je uhlíková trubka s mandrelem vložena do sušicí trouby a vytvrzována při teplotě 100–150 °C po dobu 1–3 hodiny.

Na konci vytvrzování je mandrel odstraněn. Způsob odstranění mandrelu závisí na jeho materiálu a tvaru – některé lze vyjmout přímo, zatímco jiné je třeba rozpustit a odstranit. Nakonec je uhlíková trubka upravena a leštěna tak, aby se rozměrová odchylka dala kontrolovat v rozmezí 0,05 mm.

Tvarové díly (formování)

Složité tvary uhlíkových kompozitních dílů, běžně používaný formovací proces, například automobilové díly, díly lékařského vybavení atd., jsou nejčastěji vyráběny tímto postupem.

Za prvé, podle tvaru tvarovaných dílů navrhněte a vyrobte vysoce přesné formy, přičemž drsnost povrchu formy je třeba kontrolovat na hodnotě nižší než Ra0,8, protože přesnost formy přímo ovlivňuje rozměrovou a tvarovou přesnost tvarovaných dílů.

Rozřežte uhlíkové vlákno nebo uhlíkový plst na velikost vhodnou pro tvar formy, rovnoměrně naneste matricový materiál na jejich povrch, aby byla zajištěna stejnoměrná tloušťka, poté vložte do formy a pomocí lisu aplikujte tlak 10–20 MPa, čímž se materiál z uhlíkového vlákna dokonale přizpůsobí dutině formy.

Vložte formu do ohřívacího zařízení, ohřívejte a utvrzujte při teplotě 130–170 °C po dobu 3–6 hodin. Proces utvrzování vyžaduje přísnou kontrolu teploty a tlaku, aby se předešlo vadám jako jsou bubliny, trhliny a jiné defekty ve tvarovaných dílech.

Po dokončení tvrzení jsou tvarované díly vyjmuty z forem a upraveny odstraněním hrotů a broušením povrchů, aby splňovaly požadavky na použití.

Vznikající technologie

1. 3D tisk

Tato technologie může přímo vyrábět komplexní tvary výrobků z uhlíkových vláken, výrazně zkracuje vývojový cyklus výrobku a umožňuje i personalizovanou výrobu. V současnosti však výrobky z uhlíkových vláken vyrobené pomocí 3D tisku stále vykazují určitý rozdíl v mechanických vlastnostech ve srovnání s tradičními výrobními postupy a jejich cena je relativně vysoká, což jsou oblasti, které je třeba dále zlepšovat.

2. Technologie RTM

To znamená, že technologie přenosového formování pryskyřice spočívá v umístění uhlíkového vlákna jako vyztužujícího materiálu do formy a následném vpravení pryskyřice do formy, čímž dojde k proniknutí pryskyřice vyztužujícím materiálem a jeho vytvrzení do požadovaného tvaru. Tato technologie má výhody jako vysoká účinnost formování, stabilní kvalita výrobků a nízké znečištění životního prostředí atd. Je velmi vhodná pro sériovou výrobu uhlíkových výrobků s komplexními tvary.

Kontrola kvality: zajištění kvality každého výrobku

Po výrobě výrobků z uhlíkového vlákna musí být podrobeny přísné kontrole kvality před uvedením na trh. Zkoušky zahrnují hlavně rozměrovou přesnost, kvalitu povrchu a mechanické vlastnosti.

Pro kontrolu rozměrové přesnosti lze použít posuvná měřidla, projektory a jiné nástroje, u výrobků s vysokými požadavky na přesnost se navíc používá i CMM; kontrola kvality vzhledu spočívá hlavně v prohlídce povrchu výrobku na případné bubliny, trhliny, prohlubně a jiné vady, obvykle se kombinuje vizuální kontrola a kontrola lupou; pro zkoušení mechanických vlastností jsou potřeba zkušební stroje na tah a rázové zkoušky a další odborné přístroje, které testují pevnost, tuhost, houževnatost a další ukazatele, aby bylo zajištěno, že výrobek splňuje požadavky na skutečné zatížení při použití. Pro zkoušení mechanických vlastností je nutné použít zkušební stroje na tah a jiné specializované zařízení pro testování pevnosti, tuhosti, houževnatosti a dalších parametrů, aby bylo zajištěno, že výrobek vyhovuje požadavkům na skutečné namáhání při provozu. Na trh mohou být uvedeny pouze výrobky, které úspěšně projdou všemi požadovanými zkouškami.

Pro testování rozměrové přesnosti lze použít posuvná měřítka, projektory a jiné nástroje, u výrobků s vysokými požadavky na přesnost se také používá CMM; kontrola kvality vzhledu spočívá hlavně v prohlídce povrchu výrobku na případné bubliny, praskliny, prohlubně a jiné vady, obvykle se kombinuje vizuální kontrola a kontrola lupou; test mechanických vlastností se provádí pomocí zkušebních strojů na tah a rázových zkoušek a dalšího odborného vybavení, při kterém se testují ukazatele pevnosti, tuhosti, houževnatosti a jiné, aby bylo zajištěno, že výrobek splňuje požadavky na skutečné namáhání při použití. Pro testování mechanických vlastností je nutné použít zkušební stroje na tah a jiné odborné vybavení k ověření ukazatelů pevnosti, tuhosti, houževnatosti a dalších, aby bylo zajištěno, že výrobek vyhovuje požadavkům skutečného namáhání při použití. Pouze výrobky, které úspěšně projdou všemi testovacími projekty, mohou být uvolněny na trh.