Kruhová trubka z uhlíkových vláken

Různé typy trubek z uhlíkových vláken
V tomto tutoriálu se zabýváme dvěma hlavními typy trubek: Pultruded Tubes a Roll Wrapped Tubes.
Pultrudované trubky mají tendenci mít menší průměry a poskytují maximální možnou podélnou pevnost, ale na úkor větší náchylnosti k rozdrcení nebo torznímu lomu. Jejich vnitřní a vnější povrch jsou hladké s vlákny viditelnými při bližším pohledu. Tyto trubice jsou vytvořeny tažením vláken přes pryskyřičnou lázeň a zahřátou matrici, aby se vytvořila trubice. Všechna vlákna jsou orientována po své délce. Proces pultruze znamená, že trubky mají dobrou úroveň tuhosti, ale lze je snadno dělit.
Trubky z uhlíkových vláken obalené rolí mají tendenci mít větší průměry a díky jejich střídavým vrstvám výztuže vytvářejí odolnější trubky, zejména vůči drtícím a krouceným silám. Tyto trubky mají vlákna jak po délce, tak kolem pro pevnost obruče. Jsou vytvořeny obalením vrstev předimpregnovaného laminátu kolem trnu před vytvrzením v peci. Mívají hladký vnitřní povrch. Vnější povrch může být hladký nebo žebrovaný. Žebrovaná úprava je ponechána z výrobního procesu. Na našich trubkách Woven Finish se toto brousí a trubky se lakují pro dosažení vysokého lesku. Trubky obalené v rolích obětují malé množství tuhosti pro pevnost obruče, což jim dává větší celkovou pevnost a lepší odolnost proti drcení a roztržení než pultrudované trubky.
Jiné způsoby konstrukce trubek zahrnují tahové navíjení, ale zahrnují další spirálová vlákna. Navíjení vláken, kde jsou vlákna navinuta kolem trnu, primárně pro dodatečnou pevnost obruče, jako v tlakových nádobách. Trubky lze také tvarovat pomocí vnější formy a vnitřního vaku, což se běžněji provádí u trubek se složitějšími tvary.
Mechanické testování
Účelem těchto mechanických testů je poskytnout srovnávací údaje mezi dvěma typy trubek z uhlíkových vláken, nerezovou ocelí 304 a hliníkem 6063. Během testů používáme stejné velikosti profilů, konkrétně 10 mm vnější průměr a 8 mm vnitřní průměr. Tím se zobrazí vzájemný výkon pro identické profily.
Nepracujeme na žádných konkrétních testovacích standardech, protože neexistují žádné, které by fungovaly pro všechny materiály a prováděné testy. Také nepoužíváme standardní jednotky SI převedené na kilogramy. Je to proto, aby čísla byla pro mnoho sledujících více příbuzná a informativní. Mnoho rukojetí bylo vyrobeno speciálně pro tyto testy, takže budou existovat určité kompromisy, aby testy fungovaly.
Zkouška pevnosti v tahu
Jedná se o jednoduchou tahovou zkoušku, při které jsou trubky taženy, dokud se nezdaří. Trubky jsou taženy až do jejich elastického limitu a pak dále taženy, dokud se nezlomí. Mez pružnosti je indikována konstantním gradientem na grafu, a když se začne podvolovat a přecházet do plastické deformace, gradient se zmenšuje, až se zlomí. Jako takový je mnohem důležitější poznamenat mez kluzu.
Test se opakuje pro všechny materiály. U uhlíkových trubek je chyba v rukojeti. Toto je omezení použité metody úchopu, která koncentruje napětí v této oblasti, takže s lepší metodou úchopu by se očekávaly mnohem vyšší výsledky. Pokud by tímto způsobem neselhaly, očekávali bychom, že pultruze bude měřit 3krát větší než ocel a 16krát větší než hliník.
Test pevnosti v tlaku
Jedná se o relativně jednoduchý tlakový test stlačení trubice mezi dvěma úchopy. Kovové vzorky se chovají v podstatě podle očekávání a uhlíkové trubice opět selhávají při sevření, což ukazuje na omezení testovací metody. Ocelová trubka má nejlepší výkon s hmotností 1,5 tuny, po ní následují tažené a válcované trubky s hmotností těsně pod tunu, přičemž hliníková trubka selhává u přibližně půl tuny.
Zkouška torzní tuhosti
Porovnáváme trubky se známým torzním zatížením, abychom poskytli srovnávací data, dokud trubky neproklouznou v sevření nebo selžou. Je obzvláště obtížné získat dobrou přilnavost v tomto druhu testu a udržet jej až do selhání, ale můžeme je otestovat na známou úroveň. V tomto případě 5 newtonmetrů, což je zhruba to, co můžete dosáhnout pomocí šroubováku, pak pokračujte, dokud rukojeť nebo trubka selže.
U každé trubky jsme testovali, kolik stupňů rotace bylo při zatížení 5 newtonmetrů a pokračovali jsme, dokud selže uchycení trubek. Nejlépe si vedla nerezová ocel, následovaná hliníkem. Z uhlíkových trubek si obě vedly špatně, protože trubka obalená rolí mírně vyčnívala z pultrudované trubky.
3-Test bodového ohybu
Toto je ohybový 3 bodový ohybový test pro trubky. Použití vlastních nástrojových hlav k zobrazení elastické a nakonec plastické deformace a případně porušení. Jak se dalo očekávat, obě kovové trubky selhaly plastickou deformací a ohybem. Uhlíkové trubky se vychýlily, než selhaly prasknutím a rozdrcením trubky. Nejlépe si vedla trubka ovinutá v rolích s hmotností kolem 200 kg, těsně následovaná ocelovou trubkou s hmotností 175 kg. Pultrudovaná trubka selhala při hmotnosti přibližně 140 kg, následovaná hliníkovou při hmotnosti 50 kg. Tento test zvláště zdůrazňuje výhodu přídavných obručových vláken na trubce ovinuté rolí ve srovnání s pultrudovanými trubicemi.
Když vezmeme v úvahu hmotnost a relativní hustotu materiálů, bilance výsledků se značně posune. Nerez má téměř 5,5krát vyšší hustotu než uhlík při 8 g/cm³ a ​​hliník téměř dvojnásobně při 2,7 g/cm³. S úpravou podle hmotnosti fungují ocelové a hliníkové trubky podobně jako trubky z uhlíkových vláken, které jsou nyní daleko před námi. Provedeme-li stejné nastavení pro ostatní testy, vidíme stejné výsledky pro všechny kromě torzního testu.
Pultruded Tube Výsledky a úvahy
Zvažujeme výsledky a jak to může ovlivnit použití tohoto typu trubek. Při čistém zatížení v tahu a tlaku tyto trubky nabízejí výjimečný výkon vzhledem ke své hmotnosti. Po jejich délce jsou tyto pultrudované trubky pevné asi tak, jako může být karbonová trubka, ale je to na úkor torzního výkonu, drcení a odolnosti proti štěpení.
Díky tomu jsou pultrudové trubky ideální pro aplikace, jako jsou šípové hřídele, tlačné táhla, UAV, draci, robotika a stanové tyče. Jsou také vidět v aplikacích zabudování, jako jsou krky nástrojů a konstrukce křídel. Vzhledem k tomu, že jsou vyráběny v matrici, existuje přiměřeně přesná tolerance na OD a ID, nicméně pokud hledáte teleskopické sekce, je pravděpodobné, že budete muset brousit o jednu trubku menší, aby dobře seděla.
Výsledky a úvahy o zabalené zkumavce v roli
V této části se zabýváme výsledky a tím, jak by to mohlo ovlivnit použití tohoto typu trubek. Jak je vidět v tahových a tlakových testech, tyto trubky fungují téměř stejně dobře jako pultrudované. Tříbodový ohybový test skutečně zdůraznil výhodu obručových vláken a odolnost proti rozdrcení, které nabízely pultrudované trubice. To také zdůraznilo, jak vlákna obruče mírně zlepšují torzní odolnost.
Je to dodatečná pevnost obruče, která znamená, že ačkoliv je tuhost mírně slabší, nabízejí lepší výkon ve skutečném světě ve srovnání s pultrudovanými trubicemi. Protože je vyroben kolem trnu, vnitřní průměr je nejpřesnější, přičemž vnější závisí na tom, jak je dokončen.
Tkané trubky s povrchovou úpravou nabízejí nejlepší kosmetický vzhled s předvedenou vazbou a vysokým leskem. Tkaná vrstva však také přispívá k pevnosti obruče a zabraňuje šíření trhlin a omezuje štěpení. Díky tomu jsou ideální pro aplikace, jako jsou sedlovky pro jízdní kola, kamerové vybavení, ultralehká letadla, ramena dronů atd.
Netkané trubičky obalené rolí jsou stále skvělé, ale pravděpodobně by byly vhodnější pro aplikace, kde kosmetika není tak důležitá nebo výhody tkané vrstvy nejsou tak kritické. To by mohlo zahrnovat prodloužení kormidla, veslařská vesla, robotiku, ramena UAV nebo dokonce tyče na čištění oken a podobné aplikace.
Omezení trubek z uhlíkových vláken
Přestože je výkon trubek z uhlíkových vláken velmi dobrý pro mnoho aplikací, existují také omezení a použití, kde trubky z uhlíkových vláken nemusí být ideální nebo vhodné. Uvedeme zde některé běžné příklady. Dobrým příkladem, kdy uhlíková vlákna nemusí být vhodná, jsou aplikace při vysokých teplotách. Uhlíkové vlákno se vážně zhorší nad 120 stupňů. Nejsou vhodné pro aplikace s vysokým stupněm oděru, jako jsou kluzná ložiska a pouzdra, kde se povrch velmi rychle opotřebovává. Přesné obrábění, jako je řezání závitů, nefunguje dobře, protože závit by byl velmi slabý - lepším řešením je pro takové aplikace použít kovovou vložku nebo podobně se závitem v kovu.
Spojování trubek bude vyžadovat kompozitní vyztužení nebo výrobu složitých spojovacích dílů. Také nemůže být tvarován a bude si chtít zachovat svůj současný tvar, takže aplikace jako ohnutá řídítka atd. by s předem vyrobenými trubkami nebyly možné. Takové trubky však lze vyrobit tak, jak je vidět na tomto videu; Laminování a pytlování trubice z uhlíkových vláken pomocí dělené formy.