Hagyományos szénszálas prepreg formázási módszer

A kifinomult repülő- és űrtechnikai, valamint a felsőkategóriás gyártás világában szénszál-preprepreg a formázási technológia olyan, mint egy „láthatatlan mester”, aki extrém precizitással alakítja ki az erős, ugyanakkor könnyű anyagokat. Mivel a kompozitok területén klasszikus eljárásról van szó, a hagyományos szénszálas prepreg formázási módszer évtizedekig tartó fejlesztésen ment át, és ma is a felsőfokú gyártás „gerincét” képezi. Ma részletesen megvizsgáljuk ennek a technológiának az alapvető működését, hogy lássuk, miként válik egy gyantaátitatott szénszálas szövetből űrhajó kulcsfontosságú alkatrésze vagy versenyautó testvázának alapja.

Mi az a szénszálas prepreg?

A formázási módszer megértéséhez először meg kell értenünk a „prepreg” alapfogalmát. Egyszerűen fogalmazva a karbonprégt a karbon rost és a gyanta „tökéletes kombinációja” – szigorúan szabályozott hőmérsékleti és nyomásviszonyok mellett az epoxi gyanta, fenolgyanta és egyéb mátrixanyagok egyenletesen bejutnak a karbon rostszövetbe, így kialakul egy bizonyos viszkozitású, ragadós kompozit anyagtekercs vagy lemez.
Ez a „pre-impregnálási” jellemző különbözteti meg a száraz rostos formázási eljárástól: a gyantatartalom és eloszlás előre meghatározott, így a következő formázási folyamat során csak arra kell koncentrálni, hogyan illeszkedik pontosan az anyag az űrbe, és hogyan érhető el a teljes mértékben kikeményedett állapot, ami jelentősen csökkenti a helyszíni műveletek bonyolultságát. Olyan ez, mint a sütés előtt elkészített tészta, ahol a recept már kész, csak a sütés hőfokát és idejét kell pontosan betartani.

Hagyományos formázási módszer

（1）Autokláv formázás
A repülőgépipari minőségű, nagy teljesítményű kompozitok gyártásának aranystándard eljárása. Ez magában foglalja a szénszálas prepreg réteg és forma vákuumzacskóba zárását, majd egy nagy méretű, magas hőmérsékletű és nyomású edénybe, a meleg sajtoló tartályba helyezését. A keményítési folyamat során egyszerre nagy nyomás (több atmoszféra) és magas hőmérséklet hat a tartályra, lehetővé téve a gyanta teljes átfolyását és a szálak tömörítését, így rendkívül magas száltartalmú és alacsony porozitású alkatrészeket eredményezve.
Ennek az eljárásnak az előnye, hogy páratlan minőségű, kiváló mechanikai tulajdonságokkal és konzisztenciával rendelkező összetett szerkezeti alkatrészeket állít elő. Azonban a hátrányok is nyilvánvalóak: a meleg sajtoló berendezés maga rendkívül költséges, nagy energiát fogyaszt, és hosszú, drága gyártási ciklusokkal jár, ezért általában korlátozzák a repülőgépiparra és az F1-es versenyautókra, ahol extrém teljesítmény szükséges.
（2）Sajtolásos formázás
Egy igen hatékony eljárás közepes vagy nagy mennyiségű termeléshez. A prepreg anyag vagy formázó kompound (például SMC) meghatározott mennyiségét egy előmelegített fémformába helyezi, majd zárja az öntőformát, és magas nyomást és hőmérsékletet alkalmaz, így az anyag áramlik a formaüregben, kitölti azt, majd hőszigetelés és nyomástartás után megkeményedik és kialakul.
Ennek az eljárásnak előnye a magas fokú automatizáltság, gyors gyártás, a termék magas mérettűrése és mindkét oldal simasága. Ugyanakkor a magas nyomást elviselő merev forma miatt a kezdeti beruházási költség magasabb. Különösen alkalmas nagy mennyiségű, jó felületminőséget igénylő szerkezeti alkatrészek gyártására, mint például autókarosszériák, akkumulátortartók és magas teljesítményű sportfelszerelések.
（3）Vákuumos tasakos formázás
Egy alapvető és gyakran használt eljárás, amely a légköri nyomást használja a kompozit anyagok tömörítésére. A segédanyagok sorozatát kézzel ragasztott vagy előprégt réteggel fedik le, majd az egész rendszert vákuumzacskóval zárják le, amelyet folyamatosan szivattyúznak vákuumszivattyúval, hogy negatív nyomást hozzanak létre, így a légköri nyomás egyenletesen hat a termék felületére, ezzel eltávolítva a levegőt és tömörítve a szerkezetet.
Ez a módszer jelentősen növelheti a szál tartalmat, csökkentheti a pórusosságot, valamint javíthatja a gyanta eloszlásának egyenletességét, és költsége jóval alacsonyabb, mint a meleg sajtolódobé. Ugyanakkor csak körülbelül 0,1 MPa maximális nyomást biztosíthat, így teljesítménye felső határa nem éri el a nagynyomású eljárásét, ezért széleskörűen alkalmazzák hajóépítésben, prototípus-készítésben és közepes teljesítményigényű kompozit alkatrészeknél.
（4）Hengeres tekercselés
Egy irányított folyamat, amely a nagyteljesítményű vékonyfalú csövek gyártására specializálódott. A szénszálas prepreg anyagot meghatározott szögben vágják, majd pontosan, feszítés alatt tekercselik egy mandintra, általában következik a kompressziós szalag becsavarása a tömörítő nyomás alkalmazásához, majd sütőben melegítik, kikeményítik és leszerelik a csövet.
Ez a folyamat lehetővé teszi a szálak irányának pontos szabályozását (pl. 0°, ±45° kombinációk), kiváló axiális, ismétlődő mechanikai tulajdonságok elérését, jó méretpontossággal és felületminőséggel. Ugyanakkor a prepreg anyagokra és mandintra támaszkodik, korlátozott a termelési hatékonyság, és elsősorban magas színvonalú sportcikkekben használatos, mint például golfütők nyélrészénél, horgászbotoknál és kerékpár villáknál.
（5）Száltekercselés
Egy automatizált folyamat forgó, nagy szilárdságú elemek gyártásához. A folyamatos szénszálat a gyanta fürdőben impregnálják, majd egy számítógép által vezérelt tekercselő fejjel pontosan előre beállított profilokban és szögekben felhelyezik egy forgó mandarra addig, amíg el nem éri a tervezett vastagságot, majd formára keményítik.
Ennek a folyamatnak a legnagyobb előnye, hogy a szálak folyamatosak és egyenletesen feszültek, így különösen belső nyomásnak kitett tartályok esetén rendkívül magas szál-térfogattartalom és szilárdság-kihasználtság érhető el. Hátránya viszont, hogy csak konvex forgásformákra alkalmazható, valamint drága berendezést igényel. Tipikus termékek alkalmazási példák a nagy nyomású gázhengerek (CNG/Hidrogén), csövek és rakétahajtómű tokok.
（6）Folyamatos húzásos sajtolás
Egy igen hatékony eljárás folyamatos keresztmetszetű kompozitprofilok folyamatos gyártásához. A „spagettihez” hasonlóan folyamatos szénszálas fonatokat vagy szöveteket húznak át gyantába mártva az átitatás érdekében, majd egy melegített, pontos acélformán keresztül vezetik őket, ahol előformálják, összesajtítják és folyamatosan polimerizálják őket, végül egy vontató egység húzza ki és vágja adott hosszúságú darabokra.
Az eljárás rendkívül termelékeny, lehetővé teszi az automatizált folyamatos gyártást, magas nyersanyag-kihasználást és jelentős költséghatékonyságot. Ugyanakkor termékei korlátozódnak lineáris, állandó keresztmetszetű profilokra, ahol a hosszirányú szilárdság lényegesen magasabb, mint a keresztirányú. Gyakori termékek például tartószerkezetek elemei, kábelszigetelések, létrarudak és különféle rúd- és profiltípusok.
（7）Nyomózsák-formázás
Tekinthető a vákuumzacskós formázás kibővített változatának. A vákuumzacskós rendszer alapján az egész befedett szerszámot egy zárható nyomástartó edénybe helyezik, amely nemcsak kiszívja a belsejét, hanem sűrített levegőt is vezet az edénybe, így nagyobb pozitív nyomást (általában 0,4–0,6 MPa) gyakorolva a vákuumzacskó külső felületére, ezáltal nagyobb formázó nyomást biztosítva, mint a tiszta vákuumos eljárás.
Ez a módszer jelentősen javítja az alkatrész száltartalmát és sűrűségét anélkül, hogy nagy összegű beruházásra lenne szükség forró sajtolóedénybe, és jobb eredményt nyújt, mint a kizárólag vákuumos zacskós eljárás. Ideálisan alkalmas olyan nagyméretű alkatrészek gyártására, amelyek nem férnek be egy forró sajtolóedénybe, például kis- és közepes méretű hajótestek, vasúti kocsik alkatrészei és nagy radomok.

Szénszálas prepreg formázási módszereinek összehasonlítása

Jövő: Innováció a hagyományban

A hagyomány nem jelent stagnálást. Ma az iparág „mikroinnovációk” révén tör át a korlátokon: például alacsony hőmérsékleten gyorsan polimerizálódó gyanták fejlesztése, amelyek a keményedési időt 2 óráról 30 percre csökkentik; automatizált rétegeltető berendezések alkalmazása, amelyek a kézi rétegzést váltják fel a hatékonyság növelése érdekében; sőt, mesterséges intelligencia algoritmusok bevezetése az űrlap-tervezésbe, hogy optimalizálják a nyomáseloszlást és csökkentsék a hibákat.
Ezek a fejlesztések lehetővé tették a hagyományos eljárások számára, hogy megőrizzék teljesítménybeli előnyeiket, miközben fokozatosan átállnak a „magas hatékonyságú és alacsony költségű” üzemmódra, és továbbra is fontos szerepet játszanak a kompozitok területén.
Űrhajóktól a sportfelszerelésekig a hagyományos szénszálas prepreg formázási módszer a „lassan haladva biztosan előre” gyártási filozófiát képviseli szilárd kézművességgel. Lehet, hogy nem a legkorszerűbb eljárás, de olyan helyzetekben, ahol extrém megbízhatóság szükséges, ez a „hagyomány” éppen a legértékesebb minőségbiztosítás.