Konvencionalna metoda obrade preimpregniranog ugljeničnog vlakna

У софистицираном свету аерокосмичке и високотехнолошке производње, prepreg od ugljeničnog vlakna tehnologija litovanja je poput „nevidljivog obrtnika“, koja oblikuje visokokvalitetne materijale ekstremnom preciznošću kombinujući čvrstoću i laganoću. Kao klasična tehnika u oblasti kompozita, tradicionalna metoda litovanja preimpregniranog ugljeničnog vlakna prošla je kroz desetinu generacija i i dalje ostaje „kičma“ proizvodnje visoke klase. Danas ćemo detaljno razložiti osnovnu logiku ove tehnologije kako bismo videli kako se iz listova tkanine od ugljeničnog vlakna impregnirane smolom transformiše u ključni deo svemirskog broda ili kostur trkačkog automobila.

Šta je preimpregnirano ugljenično vlakno?

Да бисмо разумели методу ливења, прво морамо да разумемо основну концепцију „препрега“. Једноставно речено, препрег од карбонске влакна је „савршена комбинација“ карбонског влакна и смоле – у строго контролисаном окружењу температуре и притиска, епоксидне смоле, фенолне смоле и други матрични материјали равномерно се импрегнирају у тканину од карбонских влакана, формирајући намотај или лим композитног материјала одређене вискозности.
Ова карактеристика „пре-импрегнације“ разликује је од процеса ливења сувих влакана: садржај и дистрибуција смоле одређени су унапред, а накнадно ливање треба само да се фокусира на то како материјал прецизно уклопити у калуп и потпуно полимеризовати, значајно смањујући комплексност радних операција на терену. То је попут теста направљеног унапред пре пецивања, рецепт је већ прилагођен, једини остатак је да се овлада топлотом и временом пецивања.

Конвенционална метода ливења

（1）Ливање у аутоклаву
Златни стандард процеса за производњу композита високих перформанси за аеропростор. Подразумева запечативање уграђеног прегрега од карбонске vlакна и калупа у вакуумску кесу и стављање у велики, високотемпературни, високотлачни суд, такозвани топли притисни резервоар. Током процеса зрења, истовремено се на резервоар примењује једнолики високи притисак (више атмосфера) и висока температура, што омогућава смоли да се потпуно распореди и компактира влакна, чиме се добијају делови са изузетно високим садржајем влакана и ниском порозношћу.
Предност овог процеса је у томе што производи комплексне структурне делове непревазиђене квалитета са изврсним механичким карактеристикама и конзистентношћу. Међутим, мане су изузетно очигледне: опрема за топли притисак сама по себи је веома скупа, троши пуно енергије и има дуге и скупе производне циклусе, па се обично користи само у аеропростору и Ф1 тркачким аутомобилима, где су екстремне перформансе неопходне.
（2）Компресиона формирања
Веома ефикасан процес за производњу средњих до високих количина. Унапред загрејаном металном калупу се дода одређена количина прегрега или масе за ливење (на пример СМЦ), затим се калуп затвори и примени висок притисак и температура, тако да материјал струји унутар шупљине калупа и напуни је, а затим се врши исправљање и обликовање након изолације и одржавања притиска.
Предности овог процеса су висок степен аутоматизације, брза производња, висока тачност димензија производа и глатке површине са обе стране. Међутим, због потребе да чврсти калуп издржи висок притисак, почетни трошак инвестиције је већи. Веома је погодан за производњу серијских конструкционих делова који захтевају добру квалитету површине, као што су таблаци аутомобила, кућишта батерија и спортска опрема високих перформанси.
（3）Вакуумски чували за обликовање
Основни и често коришћени процес који користи атмосферски притисак за компактизацију композитних материјала. Низ помоћних материјала прекривен је ручно залепљеним или прегрегираним слојем, а цео систем је запечаћен вакуумском врећицом коју непрестано пумпа вакуумска пумпа како би се створио негативни притисак, тако да се атмосферски притисак једнолико примењује на површину производа, чиме се уклања ваздух и компактизује структура.
Ова метода може значајно повећати садржај влакана, смањити порозност и побољшати једноликост расподеле смоле, а њена цена је много нижа у односу на горњу пресу. Међутим, може обезбедити максимални притисак од око 0,1 MPa, а горња граница перформанси није тако добра као код процеса високог притиска, па се широко користи у бродоградњи, изради прототипова и композитним деловима средњих захтева.
（4）Ролна оптужања
Смерни процес који се специјализује за производњу високоперформантних цеви танких зидова. Угљенично влакно преимпрегнирано се исече под одређеним углом, а затим се прецизно намота под напоном на матрицу, након чега обично следи омотавање компресионе траке ради примене притиска за уситњавање, затим се загрева и отврђује у пећи и склања са матрице како би се добила цев.
Овај процес омогућава прецизну контролу оријентације влакана (нпр. комбинације 0°, ±45°), постижући изузетна осна механичка својства са добром тачношћу димензија и квалитетом површине. Међутим, зависи од преимпрегнираних материјала и матрица, има ограничену ефикасност производње и користи се углавном за висококвалитетне спортске производе као што су дршке за штапове за голф, шипке за вудење рибе и велосипедске виле.
（5）Намотавање филамента
Аутоматизовани процес за производњу ротационих чланова високе чврстоће. Влакно непрекидног једрења од карбона импрегнирано је у купатилу смоле, а затим га рачунарски контролисана глава за намотавање прецизно наноси на ротирајући оправ у предодређеним профилима и под угловима док не достигне предвиђену дебљину, након чега се полимерује у жељени облик.
Највећа предност овог процеса је то што су влакна непрекидна и равномерно напета, што омогућава изузетно висок садржај запремине влакана и искоришћење чврстоће, посебно код судова који су изложени унутрашњем притиску. Међутим, ограничено је само на конвексне ротационе облике и скупу опрему. Типично пРОИЗВОДИ су цилиндри високог притиска (CNG/Hydrogen), цевоводи и кућишта ракетних мотора.
（6）Пултрузија
Веома ефикасан процес за континуирану производњу композитних профила константног попречног пресека. Као „шпагете“, непрекидне влакнасти уводи или тканине од карбона се протежу кроз купку са смолом ради импрегнације, затим се проводе кроз загрејан прецизни челични калуп где се формирају, компактирају и континуирано отврђују, а затим се на крају извлаче помоћу пулера и исецају на константне дужине.
Процес је изузетно продуктиван, омогућава аутоматизовану континуирану производњу, висок степен искоришћења сировина и значајну економичност. Међутим, производи су ограничени на линеарне профиле константног попречног пресека, а уздужна чврстоћа је много већа од попречне. Уобичајени производи укључују штитове за мостове, кабловске мостове, штубе за lestве и разне шипке и профиле.
（7）Лимена калупа под притиском
Može se smatrati poboljšanom verzijom oblikovanja vakuumskom vrećom. Na osnovu sistema vakuum vreće, ceo zapakovani kalup se postavlja u hermetički zatvoren rezervoar pod pritiskom, koji ne samo da evakuiše unutrašnjost, već i propušta komprimovani vazduh u rezervoar, primenjujući veći pozitivni pritisak (obično 0,4-0,6 MPa) na spoljašnju stranu vakuum vreće, čime se ostvaruju veći obradni pritisci od čistog vakuuma.
Ova metoda značajno poboljšava sadržaj vlakana i zbijenost dela bez potrebe za velikim ulaganjima u topli preš rezervoar, i nadmašuje proces oblikovanja isključivo vakuumskom vrećom. Idealno je pogodna za proizvodnju velikih delova koji se ne mogu staviti u topli preš rezervoar, kao što su manji i srednji trupovi brodova, delovi železničkih vagona i veliki radomi.

Poređenje metoda oblikovanja preprega od ugljeničnog vlakna

Будућност: Иновација у наслеђу

Традиција не значи стагнацију. Данас, индустрија превазилази ограничења кроз „микро-иновације“: на пример, развој смола које се брзо отврђују на ниским температурама и скраћују време отврђивања са 2 сата на 30 минута; увођење аутоматизоване опреме за ламинирање која замењује ручно слагање и побољшава ефикасност; чак и увођење алгоритама вештачке интелигенције у дизајн форми ради оптимизације расподеле притиска и смањења мане.
Ове побољшане су омогућиле традиционалним процесима да задрже предности у перформансама, док постепено прелазе на „високу ефикасност и ниску цену“, и настављају да имају важну улогу у области композита.
Od svemirskih letelica do sportske opreme, tradicionalna metoda oblikovanja preimpregniranog ugljeničnog vlakna tumači proizvodnu filozofiju „sporo i postepeno“ čvrstim zanatskim radom. Možda nije najnaprednija, ali u scenarijima gde je potrebna ekstremna pouzdanost, upravo je ova „tradicija“ najdragoceniji obezbeđivač kvaliteta.