Konwencjonalna metoda formowania prepreparatów z włókna węglowego

W wyrafinowanym świecie lotnictwa i przemysłu wysokiej klasy, prepreg z włókien węglowych technologia formowania to niczym "niewidzialny rzemieślnik", który z nadzwyczajną precyzją kształtuję wysokiej klasy materiały łączące wytrzymałość z lekkością. Jako klasyczna metoda w dziedzinie kompozytów, tradycyjna metoda formowania prepreparatu z włókna węglowego przeszła przez dziesiątki iteracji i wciąż pozostaje "kręgosłupem" produkcji high-end. Dziś dokładnie przyjrzymy się rdzennej logice tej technologii, by zobaczyć, jak z arkusza tkaniny z włókna węglowego nasączonego żywicą powstaje kluczowy element statku kosmicznego czy szkielet karoserii samochodu wyścigowego.

Co to jest prepreg z włókna węglowego?

Aby zrozumieć metodę formowania, musimy najpierw poznać podstawowe pojęcie "prepregu". Prościej mówiąc, prepreg z włókna węglowego to „idealne połączenie” struny z włókna węglowego i żywicy – w ściśle kontrolowanym środowisku temperatury i ciśnienia żywice epoksydowe, fenolowe oraz inne materiały macierzy są równomiernie impregnowane do tkaniny z włókna węglowego, tworząc lepką cewkę lub arkusz materiału kompozytowego o określonej lepkości.
Ta cecha „przedimpregnowania” odróżnia ją od procesu formowania suchego włókna: zawartość żywicy i jej rozmieszczenie są ustalane z wyprzedzeniem, a kolejne etapy formowania polegają wyłącznie na dokładnym umieszczeniu materiału w formie i pełnym utwardzeniu, znacznie zmniejszając złożoność operacji na miejscu. To jak przygotowanie ciasta przed upieczem – przepis został już dostosowany, pozostało tylko dobrze dobrać temperaturę i czas pieczenia.

Konwencjonalna metoda formowania

（1）Formowanie w autoklawie
Standardowy proces produkcyjny wykorzystywany przy wytwarzaniu kompozytów wysokiej wytrzymałości stosowanych w przemyśle lotniczym. Polega on na uszczelnieniu laminatu z prepregru włókna węglowego i formy w worku próżniowym oraz umieszczeniu go w dużym, wysokotemperaturowym i wysokociśnieniowym zbiorniku – tzw. prasie termicznej. W trakcie procesu utwardzania jednocześnie na zbiornik oddziałuje wysokie ciśnienie (o wartości kilku atmosfer) oraz wysoka temperatura, co umożliwia pełny przepływ żywicy i zagęszczenie włókien, prowadząc do uzyskania elementów o bardzo wysokiej zawartości włókien i niskiej porowatości.
Zaletą tej metody jest produkcja złożonych elementów konstrukcyjnych niezrównanej jakości, charakteryzujących się doskonałymi właściwościami mechanicznymi i spójnością. Wady są jednak bardzo oczywiste: samo urządzenie do prasowania termicznego jest ekstremalnie drogie, zużywa dużo energii, a cykle produkcji są długie i kosztowne, dlatego zwykle ogranicza się jej zastosowanie do przemysłu lotniczego i samochodów Formuły 1, gdzie wymagana jest ekstremalna wydajność.
（2）Formowanie przez prasowanie
Wysoce efektywny proces przeznaczony do produkcji średnich i dużych partii. Do wstępnie nagrzanego metalowego formularza wprowadza się ustaloną ilość prepreparatu lub masoplastyku (np. SMC), po czym formę zamyka się i poddaje działaniu wysokiego ciśnienia oraz temperatury, dzięki czemu materiał przepływa wewnątrz wnęki formy, wypełnia ją, a następnie utwardza się i formuje po izolacji i zachowaniu ciśnienia.
Zaletami tej metody są wysoki stopień automatyzacji, szybkość produkcji, duża dokładność wymiarowa wyrobu oraz gładkie powierzchnie obu stron. Ze względu jednak na konieczność użycia sztywnej formy wytrzymującej duże ciśnienie, początkowy koszt inwestycyjny jest wyższy. Proces ten bardzo dobrze nadaje się do wytwarzania dużych partii elementów strukturalnych wymagających wysokiej jakości powierzchni, takich jak blachy karoserii samochodowej, obudowy baterii czy wydajne sprzęty sportowe.
（3）Formowanie w worku próżniowym
Podstawowy i powszechnie stosowany proces, wykorzystujący ciśnienie atmosferyczne do zagęszczania materiałów kompozytowych. Seria materiałów pomocniczych jest pokrywana warstwą naniesioną ręcznie lub prepregiem, a cały system jest uszczelniany workiem próżniowym, który jest ciągle odpompowywany przez pompę próżniową, tworząc ciśnienie ujemne, dzięki czemu ciśnienie atmosferyczne równomiernie oddziaływuje na powierzchnię produktu, usuwając powietrze i zagęszczając strukturę.
Ta metoda może znacząco zwiększyć zawartość włókien, zmniejszyć porowatość oraz poprawić jednorodność rozmieszczenia żywicy, a jej koszt jest znacznie niższy niż w przypadku zbiornika gorącego prasowania. Może jednak zapewnić maksymalne ciśnienie rzędu około 0,1 MPa, a górna granica osiągów nie jest tak dobra jak w procesach wysokociśnieniowych. Szeroko stosowana w budowie statków, prototypowaniu oraz w produkcji elementów kompozytowych o średnich wymaganiach dotyczących wydajności.
（4）Zawijanie wałkiem
Proces kierunkowy specjalizujący się w produkcji wysokowydajnych cienkościennych rur. Prepreg z włókna węglowego jest cięty pod określonym kątem, a następnie precyzyjnie nawijany pod naprężeniem na mandryl, po czym zazwyczaj następuje opasanie taśmą kompresyjną w celu wywarcia nacisku spressującego, następnie materiał jest ogrzewany i utwardzany w piecu, a na końcu wyjmowany z formy, by uzyskać gotową rurę.
Proces ten umożliwia dokładną kontrolę orientacji włókien (np. kombinacje 0°, ±45°), osiągając doskonałe mechaniczne właściwości osiowych obciążeń cyklicznych, przy dobrej dokładności wymiarowej i jakości powierzchni. Jednak opiera się na prepregach i mandrylach, charakteryzuje się ograniczoną wydajnością produkcji i jest głównie stosowany w high-endowym sprzęcie sportowym, takim jak wały kijów do gry w golfa, wędki czy nogi wideł rowerowych.
（5）Nawijanie filamentowe
Zautomatyzowany proces wytwarzania obrotowych elementów o wysokiej wytrzymałości. Ciągła taśma z włókna węglowego jest impregnowana w kąpieli żywicy, a następnie precyzyjnie układana przez komputerowo sterowaną głowicę nawijającą na obracający się mandrel w zaprogramowanych profilach i kątach, aż osiągnie zaprojektowaną grubość, po czym utwardzana do uzyskania odpowiedniego kształtu.
Największą zaletą tej metody jest ciągłość włókien i ich jednolite naprężenie, co pozwala na osiągnięcie bardzo wysokiej zawartości objętościowej włókien oraz efektywnej wykorzystania wytrzymałości, szczególnie w przypadku pojemników pracujących pod ciśnieniem wewnętrznym. Metoda ta ma jednak ograniczenia – nadaje się tylko do wytwarzania wypukłych kształtów obrotowych, a ponadto wymaga drogiego sprzętu. Typowe pRODUKTY to butle wysokociśnieniowe (CNG/Wodór), rurociągi oraz kadłuby silników rakietowych.
（6）Pultruzja
Wysoce wydajny proces ciągłej produkcji profili kompozytowych o stałym przekroju. Podobnie jak „makaron", ciągnie ciągłe pasma lub tkaniny z włókna węglowego przez kąpiel żywiczną w celu impregnowania, a następnie przeprowadza je przez podgrzewany precyzyjny stalowy kształtownik, gdzie są formowane, zagęszczane i ciągle utwardzane, by na końcu zostać wyciągnięte przez ciągnik i przecięte na stałą długość.
Proces ten jest niezwykle produktywny, umożliwiając automatyczną produkcję ciągłą, wysokie wykorzystanie surowców oraz znaczną efektywność kosztową. Jednak jego produkty są ograniczone do liniowych profili o stałym przekroju, a wytrzymałość wzdłużna jest znacznie wyższa niż poprzeczna. Typowymi produktami są elementy kratownic mostowych, mosty kablowe, drążki drabinki oraz różne pręty i profile.
（7）Formowanie workiem ciśnieniowym
Można ją uważać za ulepszoną wersję formowania w worku próżniowym. W oparciu o system worka próżniowego cały zamknięty kształtownik umieszcza się w szczelnym zbiorniku ciśnieniowym, który nie tylko odprowadza powietrze z wnętrza, ale również wprowadza sprężone powietrze do zbiornika, wywierając większe ciśnienie dodatnie (zwykle 0,4–0,6 MPa) na zewnętrzną stronę worka próżniowego, zapewniając tym samym wyższe ciśnienie formowania niż samej próżni.
Ta metoda znacząco poprawia zawartość włókien i zagęszczenie elementu bez konieczności dużych inwestycji w autoklaw, a jej wyniki są lepsze niż proces jedynie z wykorzystaniem worka próżniowego. Jest idealnie odpowiednia do wytwarzania dużych elementów, które nie mogą zmieścić się w autoklawie, takich jak kadłuby małych i średnich statków, części wagonów kolejowych czy duże radomy.

Porównanie metod formowania preprepu z włókna węglowego

Przyszłość: Innowacje w Dziedzictwie

Tradycja nie oznacza stagnacji. Obecnie przemysł pokonuje wąskie gardła dzięki „mikro-innowacjom": na przykład rozwijaniu żywic niskotemperaturowych, szybko twardniejących, które skracają czas wiązania z 2 godzin do 30 minut; wprowadzeniu automatycznych urządzeń laminujących, zastępujących ręczne układanie warstw w celu poprawy efektywności; a nawet wykorzystaniu algorytmów sztucznej inteligencji w projektowaniu form, aby zoptymalizować rozkład ciśnienia i zmniejszyć wady.
Te ulepszenia pozwoliły tradycyjnym procesom zachować ich zalety pod względem wydajności, jednocześnie stopniowo przechodząc na model „wysokiej wydajności i niskich kosztów”, nadal odgrywając istotną rolę w dziedzinie kompozytów.
Od statków kosmicznych po sprzęt sportowy, tradycyjna metoda formowania prepreparatów z włókna węglowego interpretuje filozofię produkcji „powoli i pewnie” poprzez solidne rzemiosło. Może nie być najbardziej zaawansowana, ale w sytuacjach wymagających ekstremalnej niezawodności właśnie ta „tradycja” stanowi najcenniejszą gwarancję jakości.