TECHNOLOGIE
Nowoczesny autoklaw do produkcji kompozytów, zwłaszcza kompozytów węglowych
Wymiary średnica 250cm. Długość 420cm.
Włókno Węglowe – Carbon Fibre
Dlaczego kompozyty z włókna węglowego zamiast aluminium?
Kompozyty oparte o włókna węglowe wykorzystywane są w wielu branżach i działach przemysłu. Bez kompozytów węglowych nie sposób się obejść, jeżeli rezultatem ma być otrzymanie nowoczesnego produktu, w którym wymagane jest uzyskanie wysokiej sztywności i wytrzymałości w stosunku do wagi.
W ostatnich kilkunastu latach, dokonuje się olbrzymi postęp w technologiach produkcji, a w szczególności w teoretycznych, jak i empirycznych doświadczeniach nad projektowaniem rozmaitych elementów z włókien węglowych, gdzie dotychczas stosowano stal czy aluminium. Dzięki standaryzacji materiałów węglowych w gotowych laminatach typu pre-preg, jest możliwe uzyskanie przewidywalnych efektów, pod względem szerokiego spektrum właściwości użytkowych końcowego wyrobu. Dlatego podejmujemy się także realizacji elementów konstrukcyjnych z włókien węglowych, eksploatowanych w ciężkich warunkach klimatycznych i poddawanych ciągłym oraz dynamicznym działaniom siły mechanicznej o różnym natężeniu.
Nie bez znaczenia pozostaje fakt swoistego image wyrobów z włókna węglowego, bowiem skojarzenia z produktami z włókien węglowych funkcjonują w świadomości społecznej jako lepsze, aniżeli te wykonane z tradycyjnych materiałów. Dlatego wyroby końcowe, do których w znacznym stopniu wykorzystano carbon fibre (włókno węglowe), są cenione i pożądane na rynku.
Na ogół, w świadomości inwestorów powstaje naturalna pokusa do porównywania skutków zamiany metali na włókno węglowe. Takie porównania nie są łatwe, bowiem są to zupełnie inne materiały. Jednak wykorzystując bogatą wiedzę i doświadczenie, wiemy jak skutecznie wdrożyć taką zamianę oraz jak łączyć włókno węglowe z elementami metalowymi.
Naturą metali jest ich jednorodność – izotropowość. Ta właściwość sprawia, że dany rodzaj metalu zachowuje takie same właściwości.
Laminaty (kompozyty) z włókna węglowego mają charakter niejednorodny, co stwarza możliwość ukierunkowywania i optymalizacji pod kątem sztywności oraz wytrzymałości wytwarzanych elementów, w sposób zamierzony. To daje dużą przewagę podczas projektowania elementów, od których oczekuje się, że będą sztywne i wytrzymałe.
Porównujemy aluminium do włókna węglowego według kryteriów najważniejszych właściwości konstrukcyjnych.
Przez termin włókno węglowe (carbon fibre), należy rozumieć laminat z włókna węglowego, czyli połączenie włókna węglowego i żywicy epoksydowej, chociaż stosowane są także w laminatach z włókien węglowych żywice fenolowe w celu uzyskania wysokiej odporności na temperaturę. W produkcji kompozytów z włókien węglowych używa się także żywic poliestrowych lub akrylowych, ale tylko w przypadku uzyskania przedmiotów dekoracyjnych. W żadnym przypadku, gdzie elementy z włókna węglowego mogą służyć innym celom jak czysto dekoracyjne, nie można stosować żywic poliestrowych i akrylowych.
Do produkcji elementów z carbonu (włókna węgowego) marka CARBON C14, w zdecydowanej większości przypadków, używa najwyższej jakości materiałów typu pre-preg, czyli przygotowywanych fabrycznie, specjalnych laminatów węglowo-epoksydowych, o zróżnicowanej gramaturze i zawartości czystego włókna węglowego od 54% do 62%.
W projektach przyszłości zastępujemy tradycyjny materiał, materiałem też dobrze już znanym, ale nadal awangardowym, zachwycającym i niezwykłym. Dlatego warto choć w ogólny sposób przybliżyć właściwości włókna węglowego w porównaniu do aluminium.
W procesie eksploatacyjnym finalnego, gotowego produktu, laminaty – kompozyty z włókna węglowego mają wiele zalet.
Najważniejsze z nich to:
- niska waga,
- wysoka wytrzymałość,
- wysoka sztywność,
- możliwość łączenia z innymi materiałami,
- właściwie brak rozszerzalności cieplnej,
- łatwa obróbka
- możliwość wielokierunkowych zmian, dostosowanych do indywidualnych potrzeb i wymagań bez dużych nakładów finansowych.
1. Sztywność i wytrzymałość materiału
Zastosowanie włókna węglowego zamiast aluminium daje znaczną przewagę dla uzyskania wyższych parametrów sztywności i wytrzymałości przy zachowaniu tej samej grubości materiału.
Element z włókna węglowego znacznie mniej się wygina (jest sztywniejszy, mierząc w skali modułu Younga), po ustaniu działania obciążenia element powraca do pierwotnego położenia.
Element z włókna węglowego jest zdecydowanie bardziej odporny na działanie sił trwale deformujących materiał (jest wytrzymalszy) i potrafi przyjąć znacznie większe obciążenie niż taki sam element wykonany z aluminium.
Wytrzymałość i sztywność elementów jest niezwykle ważna dla danej konstrukcji w kontekście wagi (gęstości materiału), a także z uwagi na różnorodną cechę struktur materiałów geometrii elementu. Tych czterech parametrów nie należy rozpatrywać oddzielnie.
Podstawowym zadaniem konstruktorów przy opracowywaniu elementów z włókien węglowych jest znalezienie wspólnego mianownika co do wymagań sztywności, wytrzymałości, geometrii, wagi (z uwzględnieniem ustalonego designu) oraz połączenia z istniejącymi elementami wyposażenia, napędu i mocowania.
W porównaniu do aluminium, włókno węglowe jest bardziej wytrzymałe i sztywniejsze przy niższej gęstości własnej.
Przy tej samej wadze elementów włókno węglowe jest 2,5-5 razy sztywniejsze niż aluminium czy stal, w zależności od rodzaju włókna węglowego oraz geometrii gotowego elementu. W specyficznych przypadkach, przy elementach pracujących tylko w jednym kierunku i użyciu odpowiedniego włókna węglowego jednokierunkowego, włókno węglowe jest nawet 5-10 razy sztywniejsze niż stal oraz aluminium.
Przewaga włókna węglowego nad aluminium – porównanie sztywności i wytrzymałości w stosunku do wagi:
Sztywność w stosunku do wagi:
Jednostka: 10 6 m2s-2
Aluminium średnio zależne od stopu: 26
Włókno węglowe zależnie od rodzaju: 56-120
Wytrzymałość na uszkodzenie w stosunku do wagi:
Jednostka: kN·m/kg
Aluminium: 214
Włókno węglowe: do 392, a w przypadku włókien jednokierunkowych do 785
PODSTAWOWA PRZEWAGA WŁÓKNA WĘGLOWEGO NAD ALUMINIUM:
- Jest sztywniejsze.
- Ma niższą gęstość.
- Jest bardziej wytrzymałe.
Obrazowanie możliwości:
Element z włókna węglowego o tej samej masie może być grubszy oraz korzystać z dodatkowego zwiększania sztywności z samej grubości.
Teoretycznie podwojenie grubości materiału zwiększa sztywność elementu 23 – czyli niemal 8-krotnie.
Efekt to duże możliwości w zakresie obniżenia wagi elementu przy zastosowaniu włókna węglowego.
Przykład:
Wytrzymały i lekki profil płaski o wadze 10 kg przy powierzchni 1 m² .
Materiały: aluminium, stal i włókno węglowe.
- Profil płaski o grubości około 7 mm wykonany z włókna węglowego.
- Profil płaski o grubości około 4 mm wykonany z aluminium.
- Profil płaski o grubości około 1,5 mm wykonany ze stali.
Włókno węglowe (carbon fibre) to rewolucyjny materiał następczy za wycofywane aluminium.
Na potrzeby porównania, kompozyt węglowy dopasowany wymiarami z uwzględnieniem tej samej grubości, z którego wykonano element tożsamy do aluminiowego:
Element z włókna węglowego jest do 50% lżejszy i od 31% do 400% sztywniejszy niż aluminiowy, przy podobnej lub wyższej do 60% wytrzymałości.
Im włókno węglowe sztywniejsze, tym mniej wytrzymałe, jednakże nawet najsztywniejsze nie jest generalnie słabsze od aluminium.
Przy czym włókno węglowe może być bardziej wytrzymałe w stosunku do aluminium, bowiem zanim dojdzie do destrukcji elementu z włókna węglowego, materiał ma zdolności powrotu do pierwotnych wymiarów, a aluminium przed całkowitą destrukcją ulega bezpowrotnemu odkształceniu.
Właściwości włókna węglowego takie jak wytrzymałość, waga i sztywność można znacząco regulować tworząc laminaty hybrydowe, tzw. „kanapki”, co w rezultacie nada inną charakterystykę gotowym elementom wykonanym w technologii hybrydowej.
Właściwości aluminium również można zmieniać tworząc różnego rodzaju stopy. Jednak różnica i co za tym idzie spektrum możliwości nie będą takie, jak w przypadku hybrydowych kompozytów węglowych, zwłaszcza przy zastosowaniu w łączeniu z włóknem węglowym przekładek typu plaster miodu, włókien aramidowych (Kevlar) czy vectranowych.
Szczególnie kompozyty hybrydowe węglowo-aramidowe, są najczęściej stosowane, kiedy zawiodą kompozyty węglowe, bowiem są niezwykle sztywne i odporne na zniszczenie.
2. Waga – gęstość materiału
Gęstość materiału wprost przekłada się na jego wagę. Włókno węglowe (kompozyt) ma średnio dwukrotnie mniejszą gęstość niż aluminium i ponad pięciokrotnie mniejszą niż stal.
Waga gotowego produktu ma ogromne, czasami kluczowe znaczenie w finalnych produktach.
Znacząca redukcja wagi urządzeń ruchomych, w szczególności tych przemieszczających się dynamicznie z dużym przyspieszeniem, pozwala zwiększyć prędkość pracy i wydłużyć znacząco żywotność podzespołów napędowych, a także zmniejszy zjawisko zmęczenia materiałów.
Niższa waga, to także możliwość montażu elementów na mniej stabilnych czy wytrzymałych podłożach. Mniejsza waga finalnego urządzenia zmniejsza nacisk na podłoże, redukuje naprężenia i przyczynia się do zwiększenia stabilności.
Często dzięki włóknom węglowym udaje się wagę zmniejszyć krytycznie, gdzie tożsame urządzenie z elementami z aluminium nie może być zastosowane lub jego własności mogą być znacznie gorsze niż w przypadku urządzenia o zredukowanej wadze dzięki włóknom węglowym.
Przykład:
Profil płaski o powierzchni 1 m² i grubości 1 mm
Materiały: włókno węglowe (carbon fibre), aluminium, stal
- Profil płaski z włókna węglowego 1,4 kg.
- Profil płaski aluminiowy 2,7 kg
- Profil płaski stalowy 7,85 kg
Przy projektowaniu elementów konstrukcyjnych, należy wziąć pod uwagę wytrzymałość, sztywność, wagę i geometrię. Dzięki kompozytom węglowym udaje się zmniejszyć wagę elementu, dotychczas wykonywanego z aluminium o 30-50%. Wymaga to wykonania zaawansowanych obliczeń konstrukcyjnych, prób i doświadczeń, bowiem każdy element o różnych wymaganiach i geometrii jest indywidualnym przypadkiem.
W wyniku wykonywania teoretycznych obliczeń konstrukcyjnych oraz empirycznych doświadczeń można zmieniać i kierunkować kompozyty węglowe w taki sposób, aby w danym przypadku osiągnąć jeszcze lepsze parametry i jeszcze większe korzyści, absolutnie nieosiągalne przez aluminium i jego stopy.
3. Obróbka i możliwości dostosowania materiału do potrzeb
W odróżnieniu od aluminium, kompozyty węglowe można łatwo obrabiać.
W przypadku carbonu, sprawdza się obróbka skrawaniem przy pomocy: frezarek CNC, szlifierek, mini-szlifierek itp. Ważnym aspektem w produkcji gotowych profili i elementów z włókien węglowych jest wysoka precyzja obróbki, a przy odpowiednim doświadczeniu i unikalnej wiedzy profesjonalnego wykonawcy, jest możliwość łączenia włókna węglowego metodą klejenia z innymi materiałami z tworzyw sztucznych, stali czy aluminium. Dodatkowym atutem jest możliwość montażu w kompozycie węglowym insertów lub innych elementów różnego przeznaczenia.
Możliwości dużej korekty właściwości kompozytów węglowych bez konieczności zmiany narzędzi produkcyjnych (modele, modeloformy, formy produkcyjne).
Formując element z włókna węglowego na specjalnie przygotowanych formach, istnieje możliwość dużej korekty wagi, sztywności, wytrzymałości i grubości, poprzez zastosowanie włókien węglowych o różnych parametrach oraz różnych konfiguracjach i hybrydach z innymi materiałami, zwłaszcza włóknem aramidowym (Kevlar). Inną kategorię stanowią kompozyty węglowe z przekładkami „kanapki”. Dzięki przekładkom uzyskuje się z włókna węglowego elementy o niezwykłych i zaskakujących możliwościach.
Najprostszym przykładem jest tutaj kompozyt węglowy typu sandwicz (kanapka), w formie płyt 5×2,5m2 składający się z 10mm rdzenia z pianki PCV o gęstości 600kg/m3 oraz zewnętrznych warstw włókna węglowego o grubości 2x4mm. Płyty z włókna węglowego zastąpiły płyty stalowe o grubości 15mm, służące do wzmocnienia nabrzeża przy rozładunku ciężkiego sprzętu. Do zabezpieczenia miejsca rozładunku i budowy, a później demontażu blisko 100m prowizorycznej drogi wystarczyło 8 żołnierzy i 12 roboczogodzin pracy. Przy odpowiednikach stalowych wymagane było użycie ciężkiego sprzętu, 18 ludzi a prace trwały 70 roboczogodzin. Do rozładunku i przenoszenia kompozytowych płyt z włókna węglowego nie potrzeba używać ciężkiego sprzętu. To świetny przykład dla użycia płyt z włókna węglowego. A trzeba zaznaczyć, że taka płyta, to prymitywny element. Im element jest bardziej skomplikowany, tym użycie włókna węglowego bardziej zasadne i korzystniejsze.
Metoda produkcji kompozytu z włókna węglowego
Kompozyty z włókna węglowego uzyskiwane są poprzez zastosowanie infuzji, gdzie wyłożone na formie maty włókna węglowego, nasycane są żywicą epoksydową po zamknięciu w worku próżniowym, a następnie wygrzewane w komorze pieca lub autoklawie.
Najwyższej jakości kompozyty węglowe, uzyskiwane są poprzez zastosowanie gotowych pre-pregów wykładanych na formach i formowanych w autoklawie, w optymalnych warunkach.
Najnowocześniejsza technologia produkcji elementów z pre-pregów węglowych w zakładach CARBON C14, jest wydajna, zoptymalizowana i zorientowana na uzyskanie najlepszych możliwych parametrów i dostawę produktów w atrakcyjnych cenach . Jest to ta sama metoda produkcji i łączenia kompozytów z innymi materiałami, jak w przypadku produkcji elementów np. samochodów Ferrari, śmigłowców Agusta czy samolotów Airbus, albo supernowoczesnych jachtów pełnomorskich.
Łącząc elementy aluminiowe najczęściej używa się spawania, nitowania lub zastosowania insertów, włókno węglowe natomiast, najczęściej jest klejone i w razie potrzeb wzmacnianie nitami lub insertami. Obecnie stosowane kleje epoksydowe zapewniają na tyle silne łączenie, że pozwalają uzyskać wytrzymałość zbliżoną do spawania.
4. Rozszerzalność cieplna materiału
Praktycznie każdy materiał posiada rozszerzalność cieplną. W odróżnieniu od aluminium, kompozyty z włókna węglowego posiadają niemal zerową rozszerzalność cieplną, a to doskonały argument do użycia ich w budowie czułych i precyzyjnych urządzeń pomiarowych, szczególnie tych stosowanych w skrajnych warunkach termicznych.
Kompozyty węglowe (carbon fibre) mają zastosowanie w przemyśle opto-elektronicznym, do budowy np. teleskopów, skanerów 3d, urządzeń obserwacyjno-naprowadzających i rożnego rodzaju kopuł, osłon, konstrukcji. Fakt ten czyni je najlepszym wyborem do budowy nie tylko obudów, osłon, ale także elementów konstrukcyjnych.
Kompozyty na bazie włókna węglowego, które najczęściej realizowane są w CARBON C14, mają ponad 6-krotnie mniejszą rozszerzalność cieplną niż aluminium.
Zestawienie wyników badań nad rozszerzalnością cieplną materiałów, które są przyjmowane w procesie projektowania i konstruowania elementów różnego typu:
Przyjęto badania stosunku cal na stopień Fahrenheit.
Materiały: aluminium, stal, GFK – włókno szklane/epoksyd, Kevlar/epoksyd, włókno węglowe/epoksyd.
| Aluminium | 13 |
| Włókno szklane | 7 – 8 |
| Kevlar | 3 |
| Włókno węglowe | 2 |
5. Kompozyt węglowy – przewodzenie ciepła
Kompozyt węglowy jest doskonałym izolatorem i ma bardzo niski współczynnik przenikania ciepła. Włókno węglowe (kompozyt epoksydowy) ma aż czterdzieści razy mniejszy współczynnik przewodzenia ciepła niż aluminium. Przy projektowaniu urządzeń, których wyposażenie generuje ciepło, a są zamknięte w konstrukcji z włókna węglowego, bierze się pod uwagę odpowiednią wentylację i zabezpieczenie przed przegrzaniem. Z drugiej strony, dzięki zastosowaniu konstrukcji z włókna węglowego, w której są zamknięte wrażliwe elementy elektroniczne, są one mniej narażone na szok termiczny w razie gwałtownej zmiany warunków zewnętrznych, np. gwałtowna burza z gradem po upalnym dniu.
Zestawienie porównujące przewodzenie ciepła dla włókna węglowego i aluminium:
Jednostka W/m*
| Materiał | Przewodzenie ciepła |
| Włókno węglowe – kompozyt epoksydowy | 5-7 |
| Aluminium | 210 |
6. Kompozyty z włókna węglowego – odporność na temperaturę
Kompozyty z włókna węglowego są odporne na szeroki zakres temperatur występujących w naturalnym środowisku pogodowym. Bez problemu radzą sobie z temperaturami w zakresie od -50°C do +70°C. Parametry te mogą zostać ulepszone, zwłaszcza w zakresie temperatur dodatnich. Można stosować włókna węglowe pre-preg, o wytrzymałości do 200-230°C, a w razie potrzeby użycia kompozyty węglowo-fenolowe, wykazują odporność na temperatury rzędu 500°C.
Uzyskanie odpowiednich własności i odporności na temperatury zależy nie tylko od samych materiałów składowych kompozytu węglowego, ale także od odpowiedniej technologii i techniki przygotowania gotowego elementu kompozytowego.
7. Żywotność eksploatacyjna kompozytów węglowych
Kompozyty z włókna węglowego są niezwykle trwałe. Resurs urządzeń budowanych z elementów wykonanych w technologii pre-preg jest znacząco wyższy, niż takich samych, ale zbudowanych z aluminium. W odróżnieniu od aluminium, odpowiednio przygotowany kompozyt węglowy jest odporny na korozję.
Najnowocześniejsze technologie stosowane w produkcji przez Homsa sp. z o. o. sp. k, pod markami CARBON C14 i LUXUM, gwarantują wysoką jakość wytwarzanych elementów z włókna węglowego. Brak rozwarstwień laminatu, pęcherzy, pustek, odpowiednie hartowanie, warstwa ochronna przed UV, oraz przetwarzanie kompozytu zgodnie z najnowszą wiedzą techniczną, to eliminacja znanych problemów kompozytów. Nie można porównywać efektów produkcyjnych naszej fabryki z „carbonami” wytwarzanymi starymi technologiami lub w sposób amatorski, albo przy niedostatku nowoczesnego, zaawansowanego parku technologicznego.
Wiedza, doświadczenie i najlepsze praktyki, w połączeniu z posiadaną technologią oraz zapleczem profesjonalnego wsparcia projektowego, dają niezwykłe możliwości i realnie umożliwiają duży krok w kierunku uzyskania olbrzymiej przewagi konkurencyjnej dla odbiorców naszych usług.
8. Ekonomika zastosowania kompozytów węglowych
Kompozyty na bazie włókna węglowego są coraz częściej stosowane nie tylko w wąskich działach produkcyjnych, prototypach, czy zaawansowanych produktach wiodących w swojej klasie. Wraz z rozwojem technologii kompozytów, aluminium coraz częściej zastępuje się włóknem węglowym i to pomimo znacznie wyższych cen.
Na wyższe ceny elementów z włókna węglowego składa się wysoka cena materiału oraz czasochłonność, a także konieczność użycia drogich, zaawansowanych technicznie urządzeń, dla uzyskania odpowiedniego efektu.
Niemniej jednak zastosowanie kompozytów z włókna węglowego (carbon fibre), daje możliwość osiągnięcia cech końcowego produktu, które nie są możliwe do osiągnięcia przy użyciu tradycyjnie stosowanych materiałów. Zastosowanie włókien węglowych zamiast aluminium staje się konieczne w przypadku wdrażania rozwiązań nowoczesnych, budujących nową jakość, nowy wizerunek i nową, lepszą, odważniejszą, wytrzymalszą i lżejszą przyszłość.
Zastosowanie w polskim przemyśle i rzemiośle technologicznym kompozytów węglowych, zwłaszcza tam gdzie dają one wymierne korzyści, jest właściwie konieczne, aby zachować, a nawet zbudować przewagę konkurencyjną nad wiodącymi konstrukcjami zagranicznych koncernów.