Conventionele methode voor het vormen van koolstofvezelpreg

In de geavanceerde wereld van de lucht- en ruimtevaart en high-end productie koolstofvezelpreprepreg spotechnologie is als een "onzichtbare ambachtsman", die hoogwaardige materialen vormt met uiterste precisie, waarbij kracht en lichtgewicht worden gecombineerd. Als een klassiek proces op het gebied van composieten heeft de traditionele methode van carbonvezel prepeg-spuiten decennia van iteraties doorgemaakt en blijft de "ruggengraat" van high-end productie. Vandaag nemen we een diepe duik in de kernlogica van deze technologie om te zien hoe deze verandert van een velletje met hars doordrenkte carbonvezelstof tot een cruciaal onderdeel van een ruimtevaartuig en het skelet van een racewagen.

Wat is koolstofvezelpreprepreg?

Om de gietmethode te begrijpen, moeten we eerst het basisconcept van "prepreg" begrijpen. Eenvoudig gezegd is koolstofvezel prepreg de "perfecte combinatie" van koolstofvezelgarens en hars - in een streng gecontroleerde temperatuur- en drukomgeving worden epoxyhars, fenolhars en andere matrixmaterialen gelijkmatig geïmpregneerd in het koolstofvezeldoek om zo een viscose rol of plaat van composietmateriaal te vormen met een bepaalde viscositeit.
Deze "voorafgaande impregnatie" onderscheidt het van het droge vezel gietproces: het harsgehalte en de verdeling zijn van tevoren vastgesteld, en bij de volgende gietstap hoeft alleen nog gelet te worden op hoe het materiaal precies in de mal past en volledig uithardt, wat de complexiteit van de werkplek aanzienlijk verlaagt. Het is alsof je vooraf bereid deeg gebruikt voordat je gaat bakken; het recept is al afgesteld, het enige dat overblijft is het beheersen van de temperatuur en de baktijd.

Conventionele gietmethode

（1）Autoclavengieting
Het gouden standaardproces voor de productie van composietmaterialen van aerospace-kwaliteit met hoge prestaties. Het omvat het verzegelen van de carbonvezel prepreg opbouw en mal in een vacuümzak, die vervolgens in een grote, hoogtemperatuur-, hoogdrukvat, de hete persketel, wordt geplaatst. Tijdens het uithardingsproces worden gelijkmatig hoge druk (meerdere atmosferen) en hoge temperatuur tegelijkertijd op de ketel toegepast, waardoor het hars volledig kan stromen en de vezels worden samengeperst. Dit resulteert in onderdelen met een extreem hoog vezelgehalte en lage porositeit.
Het voordeel van dit proces is dat het complexe structurele onderdelen produceert van ongeëvenaarde kwaliteit met uitstekende mechanische eigenschappen en consistentie. De nadelen zijn echter zeer duidelijk: de hete persapparatuur zelf is uiterst kostbaar, verbruikt veel energie en heeft lange en dure productiecycli. Daarom wordt het meestal beperkt tot toepassing in de lucht- en ruimtevaart en Formule 1-raceauto's, waar extreme prestaties vereist zijn.
（2）Compressiemolding
Een zeer efficiënt proces voor productie in medium tot hoge volumes. Hierbij wordt een vast bedrag aan prepreg of gietmassa (zoals SMC) in een voorverwarmde metalen mal geplaatst, waarna de mal wordt gesloten en hoge druk en temperatuur worden toegepast, zodat het materiaal in de malkamer stroomt en deze vult, en vervolgens uithardt en vorm krijgt na isolatie en drukbehoud.
De voordelen van dit proces zijn een hoge mate van automatisering, snelle productie, hoge dimensionele nauwkeurigheid van het product en gladde oppervlakken aan beide zijden. Vanwege de noodzaak om een stalen mal te gebruiken die bestand is tegen hoge druk, zijn de initiële investeringskosten echter hoger. Het is zeer geschikt voor de fabricage van grote aantallen structurele onderdelen die een goede oppervlaktekwaliteit vereisen, zoals carrosseriedelen, batterijbehuizingen en hoogwaardige sportapparatuur.
（3）Vacuümzakvorming
Een basis- en veelgebruikt proces dat gebruikmaakt van atmosferische druk om composietmaterialen te verdichten. Een reeks hulpmaterialen wordt bedekt met een handmatig gelijmde of prepreg laag, en het gehele systeem wordt afgesloten met een vacuümbag, die continu wordt leeggepompt door een vacuümpomp om een onderdruk te creëren, zodat de atmosferische druk gelijkmatig op het oppervlak van het product wordt uitgeoefend, waardoor lucht wordt verwijderd en de structuur wordt verdund.
Deze methode kan het vezelgehalte aanzienlijk verhogen, de porositeit verminderen en de uniformiteit van de harsverdeling verbeteren, en de kosten zijn veel lager dan die van een hete persketel. De methode kan echter slechts een maximale druk van ongeveer 0,1 MPa leveren, en de prestatiegrens is niet zo goed als bij een hogedruktechniek. Het wordt daarom veel gebruikt in de scheepsbouw, voor prototyping en voor composietonderdelen met gemiddelde prestatie-eisen.
（4）Rollenwikkeling
Een gericht proces dat gespecialiseerd is in de productie van dunwandige buizen met hoge prestaties. Koolstofvezel prepreg wordt onder een specifieke hoek gesneden en vervolgens onder spanning nauwkeurig op een mal gewikkeld, meestal gevolgd door het omspannen met een compressieband om verdichtingsdruk uit te oefenen, waarna het geheel wordt verhit en gehard in een oven en daarna uit de mal wordt verwijderd om de buis te verkrijgen.
Dit proces maakt een nauwkeurige controle van de vezeloriëntatie mogelijk (bijvoorbeeld combinaties van 0°, ±45°), waardoor uitstekende axiale mechanische eigenschappen worden bereikt met goede dimensionele nauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit. Het is echter afhankelijk van prepregs en mallen, heeft een beperkte productie-efficiëntie en wordt voornamelijk gebruikt in high-end sportartikelen zoals golfclubshafts, hengels en fietsvorkpoten.
（5）Glasvezelwinding
Een geautomatiseerd proces voor de productie van roterende, hoogwaardige draagdelen. De continue koolstofvezelbaan wordt geïmpregneerd in een harsbad en vervolgens met een computergestuurde wikkelkop nauwkeurig op een roterende mal gelegd in vooraf ingestelde profielen en hoeken totdat de gewenste dikte is bereikt, waarna het wordt uitgehard tot vorm.
Het grootste voordeel van dit proces is dat de vezels continu zijn en uniform onder spanning staan, wat een zeer hoog vezelvolumegehalte en optimale sterktebenutting mogelijk maakt, met name voor containers die aan interne druk worden blootgesteld. Het is echter beperkt tot convexe rotatievormen en vereist dure apparatuur. Typisch producten zijn hogedrukgascilinders (CNG/Waterstof), leidingen en raketmotorgevallen.
（6）Pultrusie
Een zeer efficiënt proces voor de continue productie van composietprofielen met een constante doorsnede. Net als "spaghetti" trekt het continue draden of weefsels van koolstofvezel door een harsbad voor impregnering, waarna ze door een verwarmde precisiestalen mal worden geleid waar ze worden gevormd, gecomprimeerd en continu gehard, om uiteindelijk door een trekker te worden uitgetrokken en in vaste lengtes te worden gesneden.
Het proces is uiterst productief, waardoor geautomatiseerde continue productie mogelijk is, met een hoog rendement aan grondstoffen en aanzienlijke kosteneffectiviteit. De producten zijn echter beperkt tot rechte profielen met een constante doorsnede, en de longitudinale sterkte is veel hoger dan de transversale. Veelvoorkomende producten zijn vakwerkbalken, kabelbruggen, ladderstaven en diverse stangen en profielen.
（7）Drukbuidelmolding
Het kan worden beschouwd als een verbeterde versie van vacuümzakvorming. Op basis van het vacuümzaksysteem wordt de volledig ingekapselde mal geplaatst in een afsluitbare druktank, die niet alleen de binnenkant ontruimt, maar ook perslucht in de tank leidt, waardoor een hogere positieve druk (meestal 0,4-0,6 MPa) op de buitenzijde van de vacuümzak wordt uitgeoefend, wat zorgt voor grotere vormdruk dan bij uitsluitend vacuüm.
Deze methode verbetert aanzienlijk het vezelgehalte en de verdichting van het onderdeel, zonder dat een grote investering in een hete persdrukcontainer nodig is, en presteert beter dan het uitsluitend op vacuüm gebaseerde zakproces. Het is ideaal geschikt voor de productie van grote onderdelen die niet in een hete persdrukcontainer passen, zoals kleine tot middelgrote scheepsrompen, treinwagendeelonderdelen en grote radomen.

Vergelijking van methoden voor het vormen van koolstofvezelpreg

Toekomst: Innovatie in erfgoed

Traditie betekent niet stilstand. Vandaag de dag doorbreekt de industrie knelpunten via 'micro-innovaties': bijvoorbeeld de ontwikkeling van laagtemperatuur, snel uithardende harsen die de uithardtijd verkorten van 2 uur naar 30 minuten; de toepassing van geautomatiseerde laminage-apparatuur die handmatig stapelen vervangt om de efficiëntie te verbeteren; en zelfs de introductie van AI-algoritmen in matrijzenontwerp om drukverdeling te optimaliseren en gebreken te verminderen.
Deze verbeteringen hebben ervoor gezorgd dat traditionele processen hun prestatievoordelen behouden, terwijl ze geleidelijk overgaan naar 'hoge efficiëntie en lage kosten', en blijven een belangrijke rol spelen op het vlak van composieten.
Van ruimtevaartuigen tot sportuitrusting interpreteert de traditionele methode van carbonvezel prepreg-molding de productiefilosofie van "langzaam en gestaag werk" met degelijke vakmanschap. Het is misschien niet de meest geavanceerde methode, maar in situaties die extreme betrouwbaarheid vereisen, is deze "traditie" precies de meest waardevolle kwaliteitsborging.