Ungkap proses lahirnya produk serat karbon, lembaran serat karbon, tabung karbon, serta komponen berbentuk—bagaimana cara membuatnya

Serat Karbon produk , dengan karakteristik luar biasa mereka yang ringan dan kuat, banyak digunakan dalam berbagai skenario, seperti komponen pesawat di bidang kedirgantaraan, struktur bodi pada kendaraan bermotor, serta peralatan kelas atas dalam olahraga. Bagaimana cara mereka berubah dari bahan dasar menjadi produk praktis secara bertahap? Berikut ini adalah penjelasan rinci mengenai poin-poin utama pembuatan pelat karbon, tabung karbon, dan komponen berbentuk serat karbon.

Persiapan Bahan Baku

Bahan baku utama dari produk serat karbon meliputi benang serat karbon dan bahan matriks. Filamen serat karbon dibuat dari serat organik seperti poliakrilonitril yang dikarbonisasi pada suhu tinggi. Diameter filamen ini hanya beberapa mikron, jauh lebih tipis daripada sehelai rambut, namun jauh lebih kuat dibandingkan baja biasa. Filamen serat karbon ini biasanya diproses menjadi kain serat karbon atau benang serat karbon agar memudahkan operasi pembentukan selanjutnya.

Bahan matriks terutama terdiri dari resin epoksi dan bahan polimer lainnya, yang memainkan peran penting, tidak hanya untuk merekatkan filamen serat karbon bersama-sama, tetapi juga untuk mentransfer tegangan, serta memberikan perlindungan bagi filamen serat karbon agar terlindung dari lingkungan luar seperti kelembapan, zat korosif, dan ancaman lainnya. Sebelum produksi, filamen serat karbon dan bahan matriks dengan spesifikasi yang sesuai akan dipilih berdasarkan persyaratan kinerja produk yang berbeda, serta dilakukan pengujian kualitas yang ketat untuk memastikan kualitas bahan baku memenuhi standar produksi.

Lembaran karbon (cetakan laminasi)

Papan karbon terutama dibuat menggunakan proses cetakan laminasi, yang sering digunakan untuk produk seperti ski dan rangka raket bulutangkis.

Pertama-tama, sesuai dengan persyaratan desain untuk memotong prepreg serat karbon , prepreg adalah bahan yang telah diresapi terlebih dahulu dengan bahan dasar kain serat karbon, kesalahan pemotongan harus dikendalikan dalam rentang 0,1 mm, guna memastikan ketepatan dimensi produk selanjutnya.

Prepreg yang telah dipotong kemudian dilaminasi dalam arah dan urutan tertentu. Penumpukan searah memberikan lembaran karbon kekuatan tinggi dalam satu arah, yang cocok untuk komponen struktural yang perlu menahan gaya satu arah, sedangkan penumpukan silang memberikan performa yang baik dalam berbagai arah, sehingga cocok untuk komponen dengan kondisi gaya yang kompleks.

Setelah itu, prepreg yang telah ditumpuk dimasukkan ke dalam cetakan dan diberi tekanan 5-10 MPa agar prepreg melekat erat mengikuti bentuk cetakan, lalu cetakan dimasukkan ke dalam tangki press panas atau oven dan dipanaskan serta dikeringkan pada suhu $120-180^{\circ} C$ selama 2-4 jam.

Setelah proses curing selesai, pelat karbon dilepaskan dari cetakan, dan dilakukan proses lanjutan seperti pengamplasan dan pemotongan agar memenuhi standar penggunaan.

Tabung karbon (proses winding dan molding)

Tabung karbon umumnya dibuat melalui proses winding dan molding, yang sering digunakan untuk produk seperti rangka drone dan klub golf.

Parameter winding pada mesin winding dirancang sesuai ukuran dan persyaratan performa tabung karbon, di mana sudut winding merupakan salah satu parameter utama. Ketika sudut winding sebesar $\pm 45$ derajat, ketahanan torsi tabung karbon akan lebih baik; sedangkan ketika sudut winding 0 derajat, kekuatan aksial tabung karbon akan lebih tinggi.

Benang serat karbon sepenuhnya diresapi dengan bahan dasar melalui perangkat impregnasi, dan setelah benang yang telah diresapi dibuat, benang tersebut digulung pada mandrel dengan tegangan 5-15 Nm, serta tegangan harus dipertahankan secara seragam selama proses penggulungan, agar kualitas tabung karbon tetap stabil.

Setelah penggulungan selesai, tabung karbon bersama mandrel dimasukkan ke dalam oven pematangan dan dipanaskan pada suhu 100-150°C selama 1-3 jam.

Pada akhir proses pematangan, mandrel dikeluarkan. Cara mengeluarkan mandrel tergantung pada material dan bentuknya; beberapa dapat langsung ditarik keluar, sementara yang lain perlu dilarutkan dan dihilangkan, kemudian tabung karbon dipoles dan diratakan sehingga kesalahan dimensinya dapat dikendalikan dalam rentang 0,05 mm.

Komponen berbentuk (cetakan)

Bentuk kompleks dari komponen serat karbon berbentuk, umumnya menggunakan proses cetak, seperti komponen otomotif, peralatan medis, dll., sebagian besar menggunakan proses ini.

Pertama-tama, berdasarkan bentuk desain komponen cetak, buatlah cetakan presisi tinggi, di mana kekasaran permukaan cetakan harus dikendalikan di bawah Ra0,8, karena akurasi cetakan secara langsung memengaruhi ketepatan ukuran dan bentuk komponen cetak.

Potong kain serat karbon atau matras serat karbon ke ukuran yang sesuai dengan bentuk cetakan, ratakan material matriks secara merata pada permukaannya untuk memastikan ketebalan yang konsisten, lalu masukkan ke dalam cetakan, kemudian tekan dengan tekanan 10-20 MPa menggunakan mesin press, sehingga material serat karbon benar-benar menempel sempurna pada rongga cetakan.

Masukkan cetakan ke dalam perangkat pemanas, panaskan dan proses curing pada suhu 130-170℃ selama 3-6 jam, proses curing ini perlu dikontrol secara ketat dari segi suhu dan tekanan, guna menghindari cacat seperti gelembung, retakan, dan cacat lainnya pada komponen cetak.

Setelah proses curing selesai, bagian yang terbentuk dikeluarkan dari cetakan dan diproses dengan menghilangkan sisa-sisa material (flying edges) serta mengamplas permukaan agar memenuhi persyaratan untuk penggunaan.

Teknologi Baru

1. Pencetakan 3D

Teknologi ini dapat langsung memproduksi bentuk produk serat karbon yang kompleks, sangat mengurangi siklus pengembangan produk, serta mampu mewujudkan kustomisasi personal. Namun saat ini, produk serat karbon yang dibuat dengan pencetakan 3D masih memiliki kesenjangan pada sifat mekanis dibandingkan produk dari proses konvensional, serta biayanya relatif tinggi, sehingga aspek-aspek ini perlu ditingkatkan lebih lanjut.

2. Teknologi RTM

Yaitu, teknologi cetak transfer resin, yaitu memasukkan material penguat serat karbon ke dalam cetakan, kemudian menyuntikkan resin ke dalam cetakan sehingga resin meresap ke dalam material penguat dan mengeras membentuk bentuk. Teknologi ini memiliki keunggulan efisiensi cetak yang tinggi, kualitas produk stabil, polusi lingkungan rendah, dll. Sangat cocok untuk produksi massal produk serat karbon dengan bentuk yang kompleks.

Pengujian kualitas: memastikan kualitas setiap produk

Setelah produk serat karbon dibuat, produk tersebut harus melalui pengujian kualitas yang ketat sebelum masuk ke pasar. Item pengujian terutama mencakup ketepatan dimensi, kualitas penampilan, dan sifat mekanis.

Pengujian ketepatan dimensi dapat menggunakan jangka sorong, proyektor, dan alat lainnya; untuk produk dengan persyaratan presisi tinggi, juga akan digunakan mesin CMM; pengujian kualitas penampilan terutama memeriksa apakah permukaan produk memiliki gelembung, retak, cekungan, atau cacat lainnya, umumnya dilakukan secara kombinasi antara inspeksi visual dan pemeriksaan dengan kaca pembesar; pengujian sifat mekanis perlu dilakukan dengan menggunakan mesin uji tarik, mesin uji impak, dan peralatan profesional lainnya untuk menguji indikator kekuatan, kekakuan, ketangguhan, dan lainnya agar memastikan produk mampu memenuhi persyaratan gaya dalam penggunaan aktual. Pengujian kinerja mekanis memerlukan penggunaan mesin uji tarik dan peralatan profesional lainnya untuk menguji indikator kekuatan, kekakuan, ketangguhan, dan lainnya agar memastikan produk mampu memenuhi persyaratan gaya dalam penggunaan aktual. Hanya produk yang lulus seluruh pengujian yang diperbolehkan masuk ke pasar.

Pengujian ketepatan dimensi dapat menggunakan jangka sorong, proyektor, dan alat lainnya; untuk produk dengan persyaratan presisi tinggi, juga akan digunakan mesin CMM; pengujian kualitas penampilan terutama memeriksa apakah permukaan produk memiliki cacat seperti gelembung, retak, lekukan, dan sebagainya, umumnya dilakukan dengan cara kombinasi inspeksi visual dan pemeriksaan menggunakan kaca pembesar; pengujian sifat mekanis perlu dilakukan dengan menggunakan peralatan khusus seperti mesin uji tarik dan mesin uji impak, untuk menguji kekuatan, kekakuan, ketangguhan, serta indikator lainnya agar memastikan produk mampu memenuhi persyaratan gaya dalam penggunaan aktual. Pengujian kinerja mekanis memerlukan penggunaan mesin uji tarik dan peralatan profesional lainnya untuk menguji indikator kekuatan, kekakuan, ketangguhan, dan lainnya guna memastikan produk dapat memenuhi persyaratan gaya dalam penggunaan aktual. Hanya produk yang lulus seluruh pengujian yang diperbolehkan masuk ke pasar.