Przewodnik po obróbce kompozytów z włókna węglowego
Kompozyty z włókna węglowego: przewodnik po obróbce
Przetwarzanie kompozytów z włókna węglowego (CF) jest trudnym zadaniem, biorąc pod uwagę, że większość inżynierów myślących o produkcji lub projektowaniu wywodzi się z projektowania części metalowych.nazywano go czarnym aluminium, a jego konstrukcję i wykonanie opisano jako czarną sztukę.Co to jest naprawdę?
Celem niniejszego przewodnika projektowego jest dostarczenie ogólnych informacji i specyfikacji dotyczących materiałów kompozytowych z włókna węglowego oraz niektórych wskazówek dotyczących projektowania lekkich produktów o wysokiej wydajności z kompozytami z włókna węglowego.
Dlaczego włókno węglowe
Kompozyty z włókna węglowego mają wyjątkowe właściwości mechaniczne w porównaniu z jednorodnymi metalami i tworzywami sztucznymi.Materiał jest mocny, sztywny i lekki.Kompozyty te są materiałem wybieranym do zastosowań, w których najważniejsza jest lekkość i doskonała wydajność, takich jak komponenty statków kosmicznych, samolotów myśliwskich i samochodów wyścigowych.
Co to są kompozyty z włókna węglowego?
Materiały kompozytowe są wytwarzane przez połączenie wzmocnienia (włókna) z matrycą (żywicą), a to połączenie włókna i matrycy zapewnia właściwości lepsze niż każdy z samych materiałów.W materiale kompozytowym włókno przenosi większość obciążenia i jest głównym czynnikiem wpływającym na właściwości materiału.Żywica pomaga przenosić obciążenia między włóknami, zapobiega ich wyboczeniu i wiąże materiały.
Ile to kosztuje?
W przeszłości kompozyty z włókna węglowego były bardzo drogie, co ograniczało ich zastosowanie tylko do specjalnych zastosowań.Jednak w ciągu ostatnich siedemnastu lat, wraz ze wzrostem konsumpcji i wzrostem automatyzacji procesów produkcyjnych, cena kompozytów z włókna węglowego spadła.Połączony efekt obniżył całkowity koszt wysokiej klasy produktów aluminiowych.Obecnie kompozyty z włókna węglowego są ekonomicznie opłacalne w wielu zastosowaniach, takich jak artykuły sportowe, łodzie wyczynowe, pojazdy wyczynowe i wysokowydajne maszyny przemysłowe.
Aplikacje
Materiały kompozytowe są niezwykle wszechstronne.Inżynier może wybierać spośród szerokiej gamy włókien i żywic, aby uzyskać pożądane właściwości materiału.Ponadto grubość materiału i orientację włókien można zoptymalizować dla każdego zastosowania.
Zaletami kompozytów z włókna węglowego są:
1. Wysoka sztywność właściwa (sztywność podzielona przez gęstość)
2. Wysoka wytrzymałość właściwa (siła podzielona przez gęstość)
3. Niezwykle niski współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE)
4. Przezroczysty dla promieni rentgenowskich (ze względu na niską masę cząsteczkową)
W jakich zastosowaniach wykorzystywane są kompozyty z włókna węglowego?
Unikalne umiejscowienie kompozytów z włókna węglowego o wysokiej wytrzymałości, sztywności i niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej zapewnia im wyjątkowe miejsce w wielu obszarach zastosowań, jak pokazano w poniższej tabeli:
Typowe zastosowania kompozytów z włókna węglowego
Informacje projektowe
Kompozyty z włókna węglowego są uważane za „materiał projektanta”, ponieważ części można dostosować tak, aby miały wytrzymałość i/lub sztywność w koniecznych kierunkach i miejscach.Osiąga się to poprzez strategiczne rozmieszczenie materiałów i ukierunkowanie włókien, aby jak najlepiej odpowiadały wymaganiom.Ponadto elastyczność projektowania i produkcji oferowana przez kompozyty z włókna węglowego zapewnia możliwości optymalizacji projektu, takie jak konsolidacja i uwzględnienie wielu funkcji na miejscu, w celu dalszego obniżenia całkowitej ceny części.
Obróbka
Formy służą do definiowania kształtu części kompozytowych.Część kompozytowa odbierze wszystkie kształty i cechy form;dlatego na jakość części duży wpływ ma jakość formy.Formy mogą być męskie lub żeńskie.Formy żeńskie są najczęstsze i wytwarzają część o gładkiej powierzchni zewnętrznej, podczas gdy pleśń męska wytwarza gładką powierzchnię wewnętrzną.Dopasowana forma (męska i żeńska) jest wymagana, jeśli część jest konsolidowana za pomocą prasy.
Oprzyrządowanie dwuczęściowe, potocznie nazywane „clamshell”
Formy mogą być wykonane z materiałów kompozytowych, żywic epoksydowych wypełnionych metalem lub obrabiane z aluminium lub stali.Rodzaj formy i użytych materiałów zależy od rodzaju części i wielkości produkcji.
Proces produkcji
Zaawansowana produkcja włókna węglowego zwykle prowadzona przy użyciu wstępnie impregnowanego włókna węglowego z żywicami termoutwardzalnymi.Dwie kluczowe stosowane metody to:
1. Układanie rąk
Ręczne układanie wstępnie impregnowanych materiałów tkanych nadal stanowi dużą część przemysłu produkcji kompozytów, co wymaga umiejętności i doświadczenia ludzkiej siły roboczej do formowania płaskich warstw w złożone kształty.Jest w stanie produkować wysokiej jakości i złożone części, ale może być procesem kosztownym i wysoce zmiennym.
2. Automatyczne rozmieszczanie włókien (AFP)
Najważniejsze rzeczy, które należy wziąć pod uwagę, to szerokość używanego włókna i promień walca zagęszczającego.
