Kaedah Pencetakan Prepreg Gentian Karbon Konvensional

Dalam dunia aerospace dan pembuatan berkualiti tinggi yang canggih, bahan pelekat serat karbon teknologi acuan adalah seperti "pengrajin tidak kelihatan", membentuk bahan-bahan premium dengan kraf tangan yang sangat tinggi yang menggabungkan kekuatan dan ringan. Sebagai proses klasik dalam bidang komposit, kaedah tradisional acuan kain karbon fiber pra-resin telah melalui puluhan tahun penambahbaikan dan masih kekal sebagai tulang belakang pengeluaran premium. Hari ini, kita akan meneroka secara mendalam logik utama teknologi ini untuk melihat bagaimana ia berubah daripada sekeping kain gentian karbon yang direndam resin kepada komponen utama sebuah kapal angkasa dan kerangka badan kereta lumba.

Apakah karbon serat prepreg?

Untuk memahami kaedah cetakan, kita perlu terlebih dahulu memahami konsep asas "prepreg". Secara ringkas, prepreg gentian karbon ialah "gabungan sempurna" antara helaian gentian karbon dan resin — dalam persekitaran suhu dan tekanan yang dikawal secara ketat, resin epoksi, resin fenolik dan bahan matriks lain diserap secara sekata ke dalam kain gentian karbon untuk membentuk gulungan atau kepingan bahan komposit likat dengan kelikatan tertentu.
Ciri "pra-resapan" ini membezakannya daripada proses cetakan gentian kering: kandungan resin dan taburannya ditetapkan terlebih dahulu, manakala proses cetakan berikutnya hanya perlu fokus kepada cara membuat bahan tersebut duduk dengan tepat dalam acuan dan lengkap sepenuhnya, mengurangkan kompleksiti operasi di lokasi secara ketara. Ia seperti doh pra-dibuat sebelum dibakar, resipi sudah dilaraskan, satu-satunya perkara yang tinggal ialah menguasai haba dan masa pembakaran.

Kaedah cetakan konvensional

（1）Pencetakan Autoklaf
Proses piawaian emas untuk pengeluaran komposit prestasi tinggi gred aerospace. Ia melibatkan penutupan lapisan bahan pra-impregnasi gentian karbon dan acuan dalam beg vakum serta meletakkannya di dalam bekas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi yang besar, iaitu tangki tekanan panas. Semasa proses pemejalan, tekanan tinggi (beberapa atmosfera) dan suhu tinggi dikenakan secara serentak ke atas tangki, membolehkan resin mengalir sepenuhnya dan memadatkan gentian, menghasilkan komponen dengan kandungan gentian yang sangat tinggi dan keropos yang rendah.
Kelebihan proses ini ialah ia menghasilkan komponen struktur kompleks dengan kualiti yang tiada tandingan, sifat mekanikal yang cemerlang dan konsisten. Namun, kekurangannya jelas ketara: peralatan tekanan panas itu sendiri sangat mahal, menggunakan banyak tenaga, dan mempunyai kitaran pengeluaran yang panjang serta mahal, maka biasanya ia hanya digunakan dalam industri aerospace dan kereta lumba F1, di mana prestasi ekstrem diperlukan.
（2）Pengacuan Mampatan
Proses yang sangat cekap untuk pengeluaran jumlah sederhana hingga tinggi. Ia memasukkan jumlah bahan pra-impregnasi atau sebatian acuan (seperti SMC) yang ditetapkan ke dalam acuan logam yang telah dipanaskan terlebih dahulu, kemudian menutup acuan dan mengenakan tekanan serta suhu tinggi, supaya bahan tersebut mengalir di dalam rongga acuan dan mengisinya, seterusnya mengeras dan membentuk bentuk selepas penebatan dan pengekalan tekanan.
Kelebihan proses ini termasuk tahap automasi yang tinggi, pengeluaran yang cepat, ketepatan dimensi produk yang tinggi serta kedua-dua permukaannya licin. Walau bagaimanapun, disebabkan keperluan untuk menahan acuan tegar bertekanan tinggi, kos pelaburan awal adalah lebih tinggi. Ia sangat sesuai untuk pembuatan komponen struktur pukal yang memerlukan kualiti permukaan yang baik, seperti panel badan kereta, kotak bateri dan peralatan sukan prestasi tinggi.
（3）Pembentukan Beg Vakum
Proses asas yang kerap digunakan yang menggunakan tekanan atmosfera untuk memadatkan bahan komposit. Siri bahan tambahan dilapisi dengan lapisan gam tangan atau prepreg dan keseluruhan sistem disegel dengan beg vakum, yang sentiasa dipam oleh pam vakum untuk mencipta tekanan negatif, supaya tekanan atmosfera dikenakan secara seragam pada permukaan produk, seterusnya mengeluarkan udara dan memadatkan struktur.
Kaedah ini boleh meningkatkan kandungan gentian secara ketara, mengurangkan kebolehtelapan, serta memperbaiki keseragaman taburan resin, dan kosnya jauh lebih rendah berbanding tangki tekanan panas. Walau bagaimanapun, ia hanya mampu memberikan tekanan maksimum sekitar 0.1 MPa, dan had prestasi atasannya tidak sebaik proses tekanan tinggi, yang banyak digunakan dalam pembinaan kapal, pembuatan prototaip, dan komponen komposit dengan keperluan prestasi sederhana.
（4）Lilitan Rol
Proses berarah yang mengkhususkan diri dalam pengeluaran tiub dinding nipis berprestasi tinggi. Prepreg gentian karbon dipotong pada sudut tertentu dan kemudian dililit dengan tepat di bawah ketegangan pada acuan, biasanya diikuti dengan pembalutan jalur mampatan untuk memberikan tekanan pemadatan, kemudian dipanaskan dan dikukuhkan dalam ketuhar sebelum dikeluarkan daripada acuan untuk mendapatkan paip.
Proses ini membolehkan kawalan tepat terhadap orientasi gentian (contohnya, kombinasi 0°, ±45°), mencapai sifat mekanikal ulang-alik paksi yang sangat baik dengan ketepatan dimensi dan kualiti permukaan yang baik. Walau bagaimanapun, proses ini bergantung kepada prepreg dan acuan, mempunyai kecekapan pengeluaran yang terhad, dan kebanyakannya digunakan dalam barangan sukan berkualiti tinggi seperti batang kelengkeng golf, joran, dan kaki garpu basikal.
（5）Lilitan Filamen
Proses automatik untuk pengeluaran anggota putaran berkekuatan tinggi. Tali gentian karbon berterusan direndam dalam mandian resin dan kemudian diletakkan dengan tepat oleh kepala lilitan yang dikawal oleh komputer ke atas mandrel yang berputar mengikut profil dan sudut praset tertentu sehingga mencapai ketebalan yang direka, kemudian dikukuhkan kepada bentuknya.
Kelebihan utama proses ini ialah gentian adalah berterusan dan mempunyai ketegangan seragam, membolehkan kandungan isi padu gentian dan pemanfaatan kekuatan yang sangat tinggi, terutamanya untuk bekas yang mengalami tekanan dalaman. Walau bagaimanapun, ia terhad kepada bentuk putaran cembung dan memerlukan peralatan yang mahal. Tipikal produk termasuk silinder gas tekanan tinggi (CNG/Hidrogen), paip dan kes motor roket.
（6）Pultrusion
Proses yang sangat cekap untuk pengeluaran berterusan profil komposit dengan keratan rentas malar. Seperti "spaghetti", ia menarik helaian gentian karbon berterusan atau kain melalui baldi resin untuk penyerapan, kemudian melaluinya melalui acuan keluli presisi yang dipanaskan di mana bahan tersebut dibentuk awal, dimampatkan, dan dikimpal secara berterusan, sebelum akhirnya ditarik keluar oleh traktor dan dipotong pada panjang yang malar.
Proses ini amat produktif, membolehkan pengeluaran berterusan secara automatik, utilasi bahan mentah yang tinggi serta keberkesanan kos yang ketara. Walau bagaimanapun, produknya terhad kepada profil lurus dengan keratan rentas malar, dan kekuatan longitudinalnya jauh lebih tinggi berbanding melintang. Produk biasa termasuk anggota rangka jambatan, jambatan kabel, tiang tangga, dan pelbagai rod serta profil.
（7）Pembentukan Beg Tekanan
Ia boleh dianggap sebagai versi peningkatan kepada acuan beg vakum. Berdasarkan sistem beg vakum, acuan yang dibungkus sepenuhnya ditempatkan di dalam tangki bertekanan yang boleh ditutup rapat, yang bukan sahaja menyedut udara dari bahagian dalam, tetapi juga memasukkan udara mampat ke dalam tangki tersebut, memberikan tekanan positif yang lebih tinggi (biasanya 0.4-0.6MPa) pada bahagian luar beg vakum, seterusnya memberikan tekanan acuan yang lebih besar berbanding vakum semata-mata.
Kaedah ini meningkatkan kandungan gentian dan pemadatan komponen secara ketara tanpa perlu melabur besar dalam tangki tekanan panas, serta mengatasi proses beg vakum sahaja. Ia sangat sesuai untuk pengeluaran komponen besar yang tidak muat dalam tangki tekanan panas, seperti lambung kapal bersaiz kecil hingga sederhana, bahagian kereta api, dan radom besar.

Perbandingan Kaedah Pembentukan Prepreg Gentian Karbon

Masa Depan: Inovasi dalam Warisan

Tradisi bukan bermaksud stagnasi. Hari ini, industri sedang melalui lompatan kebuntuan melalui "mikro-inovasi": sebagai contoh, pembangunan resin suhu rendah yang cepat mengeras yang memendekkan masa pemerapan daripada 2 jam kepada 30 minit; penggunaan peralatan pelapisan automatik yang menggantikan penindanan manual untuk meningkatkan kecekapan; dan malah pengenalan algoritma AI ke dalam rekabentuk acuan untuk mengoptimumkan taburan tekanan bagi mengurangkan kecacatan.
Penambahbaikan ini telah membolehkan proses tradisional mengekalkan kelebihan prestasinya sambil secara beransur-ansur beralih kepada "kecekapan tinggi dan kos rendah", serta terus memainkan peranan penting dalam bidang komposit.
Dari angkasa lepas hingga peralatan sukan, kaedah cetakan prepreg gentian karbon tradisional menafsirkan falsafah pembuatan "kerja perlahan dan mantap" dengan kraf yang kukuh. Ia mungkin bukan yang paling maju, tetapi dalam senario yang memerlukan kebolehpercayaan tinggi, "tradisi" inilah yang menjadi jaminan kualiti paling berharga.