Conoscenza superficiale del flusso di lavorazione dei pannelli in fibra di carbonio e dei campi di applicazione
I materiali compositi in fibra di carbonio sono materiali strutturali realizzati combinando fibre di carbonio con matrici come resina, metallo, ceramica, ecc. I materiali compositi in resina epossidica rinforzati con fibra di carbonio hanno i più alti indicatori completi di resistenza specifica e modulo specifico tra i materiali strutturali esistenti. Nei campi con severi requisiti di densità, rigidità, peso, caratteristiche di fatica e in situazioni in cui sono richieste alte temperature e stabilità chimica, i materiali compositi in fibra di carbonio presentano vantaggi significativi. Il pannello in fibra di carbonio è una delle principali forme di applicazione dei materiali compositi in fibra di carbonio, ampiamente utilizzato in vari settori e diventando un nuovo materiale insostituibile.
La materia prima utilizzata nella lavorazione dei fogli di fibra di carbonio è il prepreg in fibra di carbonio, che è suddiviso in 1k, 3k, 6k, 12k, ecc. in base alla dimensione dei fasci di fibra di carbonio nel prepreg. Generalmente, viene comunemente utilizzato 3k e la trama superficiale del foglio può essere divisa in trama semplice e trama diagonale. A seconda dell'effetto del trattamento superficiale, può essere diviso in lucido e opaco e può anche essere scolpito in base alle esigenze. Le procedure di lavorazione specifiche comprendono il taglio, la stratificazione, la stagionatura, il taglio e la post-elaborazione delle materie prime.
1. Taglio del preimpregnato:
Il preimpregnato deve essere tagliato in base alla lunghezza e alla larghezza della tavola e lo spessore del preimpregnato deve essere determinato in base allo spessore della tavola. Gli spessori convenzionali della lamiera includono {{0}},2 mm, 0,5 mm, 1,0mm, 1,5 mm, 2,0mm, 3,{{13 }}mm, 5.0mm, 6.0mm, 10.0mm, 20mm, ecc. Shandong Yingteli New Materials Co., Ltd. ha molti anni di ricca esperienza nella produzione di pannelli in fibra di carbonio e possiamo personalizzare pannelli in fibra di carbonio di diversi spessori in base alle esigenze del cliente. Più spessa è la tavola, più strati di preimpregnato dovranno essere impilati. Generalmente, un pannello con uno spessore di 2 mm richiede 10 strati di preimpregnato. L'azienda ha introdotto la macchina da taglio automatica americana GeBo per la lavorazione iniziale del preimpregnato, che controlla meglio le dimensioni e la qualità del taglio. Le apparecchiature di produzione avanzate garantiscono la qualità del prodotto. È necessario eseguire una progettazione ragionevole prima di tagliare il prepreg e, attraverso l'ottimizzazione del design, il prepreg può essere utilizzato al massimo per ridurre la generazione di margini sui bordi e abbassare i costi di produzione.
2. Posa del preimpregnato:
Determinare la direzione di posa e la sequenza del preimpregnato in base ai requisiti di forza di trazione, forza di taglio e resistenza del pannello. La direzione di posa include 0 gradi, 45 gradi, 90 gradi e -45 gradi. Nella pratica operativa, la sequenza di posa deve essere scelta in base al tipo di carico che sopporta, in modo da massimizzare lo sfruttamento delle elevate prestazioni della fibra in direzione assiale.
La direzione di posa della fibra deve essere impostata in base alla direzione principale del carico. Nello stato di sollecitazione puntuale, lo strato di posa con un angolo di {{0}} grado corrisponde alla sollecitazione normale, lo strato di posa con un angolo di ± 45 gradi corrisponde alla sollecitazione di taglio e lo strato di posa con un angolo di 90 gradi viene utilizzato per garantire una pressione positiva sufficiente nella direzione radiale della parte in materiale composito. Se il carico sopportato dal pannello in materiale composito è principalmente carico di trazione e compressione, la direzione di posa deve essere scelta nella direzione del carico di trazione e compressione; Se il carico sostenuto dai componenti in materiale composito è principalmente carico di taglio, gli strati devono essere posati in coppia a 45 gradi e -45 gradi; Se la situazione di carico sopportata dalle parti in materiale composito è complessa e include carichi multipli, la progettazione dello strato deve essere combinata in più direzioni di 0 gradi, ± 45 gradi e 90 gradi.
In sintesi, le diverse sequenze di stratificazione non solo influenzano il carico iniziale, la velocità di propagazione e la resistenza alla frattura delle fessure della matrice, ma hanno anche un impatto significativo sulla saturazione e sulla densità delle cricche della matrice. Ad esempio, per i laminati ortogonali, esiste una relazione corrispondente tra tenacità alla frattura e velocità di propagazione delle cricche sotto lo stesso carico esterno. Tuttavia, i vantaggi e gli svantaggi delle diverse sequenze di stratificazione non possono essere generalizzati. I vantaggi di progettabilità dei materiali compositi dovrebbero essere pienamente sfruttati in base alle diverse esigenze di utilizzo.
3. Indurimento del preimpregnato:
Dopo il taglio e l'impilamento ordinato, il preimpregnato deve entrare nel processo di cottura e stagionatura. Il preimpregnato viene posto in uno stampo ad una temperatura predeterminata e riscaldato sotto pressione. Lo stampo per pressatura a caldo si chiude e il materiale laminato si solidifica gradualmente sotto pressatura a caldo e raggiunge un certo grado di solidificazione. Lo stampo si apre e viene allontanato dallo stampo di pressatura a caldo tramite un dispositivo di trazione, completando il processo di solidificazione.
Durante l'intero processo di polimerizzazione, il tempo e la temperatura di polimerizzazione devono essere regolati gradualmente in base ai requisiti prestazionali del pannello. Temperature e tempi di riscaldamento diversi avranno un impatto sulle proprietà dei materiali dei pannelli in fibra di carbonio. Nel processo di produzione vero e proprio, pur mantenendo la stabilità dimensionale durante la fase di post-indurimento delle parti, il tempo della fase di pressatura a caldo dovrebbe essere ridotto il più possibile.
La produzione tradizionale utilizza la tecnologia dello stampaggio a compressione per produrre pannelli in fibra di carbonio, mentre tutti i pannelli in fibra di carbonio prodotti dalla Yingteli New Materials Company sono prodotti utilizzando la tecnologia dei serbatoi di pressatura a caldo. Rispetto alla tecnologia dello stampaggio a compressione, questo processo presenta una migliore stabilità del prodotto, trattamento superficiale, tolleranza dello spessore e altri aspetti, garantendo una forte qualità del prodotto.
4. Post-lavorazione della lamiera:
Dopo la stagionatura e la formatura, il pannello in fibra di carbonio deve essere sottoposto a post-lavorazione come taglio e foratura per requisiti di precisione o esigenze di assemblaggio. A parità di parametri del processo di taglio, profondità di taglio e altre condizioni, la selezione di materiali, dimensioni e forme diverse di utensili da taglio e punte può comportare differenze significative nell'efficacia. Allo stesso tempo, anche fattori come la forza, la direzione, il tempo e la temperatura degli utensili da taglio e delle punte possono influenzare i risultati della lavorazione.
Nel processo di post-lavorazione è consigliabile scegliere utensili affilati con rivestimento diamantato e punte in lega solida e dura. La resistenza all'usura degli utensili e delle punte stesse determina la qualità della lavorazione e la durata degli utensili. Se gli utensili da taglio e le punte non sono sufficientemente affilati o utilizzati in modo improprio, non solo si accelererà l'usura e si aumenterà il costo di lavorazione del prodotto, ma si causeranno anche danni al pannello, influenzando la forma e le dimensioni del pannello, nonché la stabilità delle dimensioni dei fori, delle scanalature e delle altre parti di lavorazione sulla scheda. Nei casi più gravi, può causare lacerazioni degli strati o addirittura bloccare il collasso del materiale, con conseguente rottamazione dell'intera tavola.
Quando si forano lastre in fibra di carbonio, maggiore è la velocità di rotazione, migliore sarà l'effetto. In termini di selezione della punta, l'esclusivo design della punta della punta a lama frontale PCD8 è più adatto per fogli in fibra di carbonio, che possono penetrare meglio nei fogli in fibra di carbonio e ridurre il rischio di delaminazione.
5. Taglio laser
Dopo che il pannello in fibra di carbonio è stato formato in una struttura integrale unica, spesso deve essere lavorato mediante taglio e altri metodi di lavorazione per i requisiti di assemblaggio. I metodi di lavorazione tradizionali includono tornitura, fresatura, rettifica, foratura e altri metodi di lavorazione meccanica. Il pannello in fibra di carbonio ha un'elevata resistenza e fragilità. Se il metodo di lavorazione meccanica tradizionale viene utilizzato in modo improprio, accelererà l'usura dell'utensile, aumenterà i costi e porterà facilmente alla frattura, alla deformazione del materiale, ecc. Soprattutto quando si eseguono piccoli fori nel pannello in fibra di carbonio, è più probabile che si verifichi una scarsa lavorazione del materiale o anche rottami. Il taglio laser è un metodo di lavorazione senza contatto in grado di risolvere efficacemente i problemi riscontrati durante la lavorazione dei pannelli in fibra di carbonio.
Precauzioni per il taglio laser:
Il pannello in fibra di carbonio contiene una grande quantità di resina e durante il processo di taglio verrà generata una grande quantità di gas e odori tossici. Pertanto, gli operatori devono indossare strumenti di protezione professionali e le attrezzature di taglio devono prestare attenzione alla ventilazione e allo scarico.
Il laser quasi continuo monomodale ha una potenza di picco elevata, una migliore qualità del raggio e una maggiore densità di potenza. Ha un'area influenzata dal calore più piccola per il taglio del pannello in fibra di carbonio, è meno soggetta a bave e flangiature, non rompe né deforma il materiale ed è meno soggetta all'ossidazione. La qualità di taglio è migliore di quella del laser continuo, rendendolo la scelta ideale per la lavorazione di pannelli in fibra di carbonio.
Aree di applicazione del pannello in fibra di carbonio
I pannelli in fibra di carbonio ben realizzati hanno motivi chiari, superfici lisce, luminosità a specchio e tolleranze di spessore ridotte. Presentano vantaggi come elevata resistenza, leggerezza, resistenza alla corrosione e piccole variazioni in caso di grandi differenze di temperatura. Pertanto, possono essere ampiamente utilizzati in vari componenti strutturali ad alta resistenza che richiedono una riduzione del peso. I seguenti sono attualmente i campi più maturi e ampiamente utilizzati.
1. Guscio del drone
Il telaio di un drone è il supporto dell'intero sistema di volo e i componenti principali come il controllo di volo e il GPS devono essere avvolti e protetti dalla scocca. L’uso di materiali leggeri e ad alta resistenza come i fogli in fibra di carbonio può aiutare a migliorare l’affidabilità e la precisione delle prestazioni dei droni. Il corpo in lamiera di fibra di carbonio è leggero, ma la sua resistenza alla trazione può raggiungere più di 10 volte quella dell'acciaio normale. Ha un'eccellente resistenza al creep e alla resistenza sismica, oltre a una buona durabilità e resistenza alla corrosione. Ha anche una certa tolleranza agli acidi, agli alcali, al sale e alla corrosione atmosferica, che può prolungare efficacemente la durata dei veicoli aerei senza pilota. Ha le caratteristiche di buona planarità, elevata lucentezza superficiale e bell'aspetto in termini di aspetto. Attualmente, i droni di fascia alta hanno iniziato a utilizzare questo materiale su larga scala.
2. Piano letto TC medico
Oltre alle eccellenti proprietà meccaniche, i materiali compositi in fibra di carbonio hanno anche le caratteristiche di elevata trasmittanza dei raggi X e basse perdite nella produzione di lastre in fibra di carbonio. La trasmittanza dei raggi X dei fogli in fibra di carbonio prodotti dalla Yingteli New Materials Company può raggiungere il 98%, ma il consumo di dispersione e assorbimento è solo del 2% e la perdita totale è inferiore a 1/5 dell'alluminio. Dopo vari test prestazionali, sono stati ampiamente utilizzati nelle lenzuola mediche per TC. Inoltre, la sua densità è molto bassa, solo 1,5 g/cm3, ed è leggera da usare, il che la rende ampiamente utilizzata in vari dispositivi medici come le tavolette per TC e i vassoi per il seno. Tuttavia, i pannelli in fibra di carbonio utilizzati per i dispositivi medici hanno requisiti molto elevati in termini di qualità e vari indicatori. Prendendo come esempio un pannello medico in fibra di carbonio personalizzato da Shandong Yingteli New Materials Co., Ltd. per un noto produttore di dispositivi medici in Cina, questo prodotto in pannello in fibra di carbonio richiede modelli in fibra di carbonio chiari e ordinati, senza modelli disordinati, una struttura liscia superficie e anche piccole impurità, macchie bianche, graffi, cavità e fori di spillo che non superano l'ispezione di accettazione. La tolleranza dello spessore deve essere mantenuta entro ± 0,05 mm e la planarità del pannello deve soddisfare gli standard internazionali pertinenti. Pertanto, per garantire la qualità, tutti i processi produttivi di questo tipo di pannelli devono essere eseguiti in una camera bianca e richiedono l'uso della tecnologia dei serbatoi di pressatura a caldo. Ogni processo deve essere sottoposto a severi controlli, in modo che il prodotto finale possa soddisfare gli standard per l'uso di apparecchiature per radiazioni ad alta precisione.
3. Componenti industriali
Poiché il foglio in fibra di carbonio è lavorabile, può essere trasformato in varie forme di superfici piane secondo i disegni e sul foglio possono essere realizzati vari fori e scanalature per una facile combinazione con altri componenti. Pertanto, viene utilizzato da molte macchine ad alta precisione per sostituire i materiali metallici nella realizzazione di parti. I componenti meccanici realizzati con fogli di fibra di carbonio hanno le caratteristiche di leggerezza, elevata resistenza e resistenza all'usura. In base alle esigenze meccaniche, è possibile personalizzare e selezionare anche proprietà specifiche come il ritardo di fiamma, la tenacità e la non conduttività.
Vantaggi e svantaggi del rinforzo del pannello in fibra di carbonio:
Il pannello rinforzato con fibra di carbonio è un materiale utilizzato per rinforzare strutture, tipicamente in settori quali l'edilizia, l'ingegneria civile, la produzione automobilistica e l'aerospaziale. Ecco alcuni dei principali vantaggi e svantaggi dei pannelli rinforzati con fibra di carbonio:
Vantaggio:
1. Elevata resistenza e prestazioni leggere: i pannelli rinforzati con fibra di carbonio hanno un'eccellente resistenza e rigidità, pur essendo molto leggeri, rendendoli la scelta ideale per il rinforzo strutturale. Di solito sono molto più leggeri dell'acciaio tradizionale e possono fornire una resistenza considerevole.
2. Resistenza alla corrosione: i pannelli rinforzati con fibra di carbonio non arrugginiscono né si corrodono, il che li rende performanti in ambienti umidi o corrosivi. Questo è un chiaro vantaggio rispetto ai materiali di rinforzo metallici.
3. Facile da installare: l'installazione di pannelli rinforzati con fibra di carbonio è solitamente più semplice e veloce rispetto ai tradizionali metodi di rinforzo strutturale. Possono essere facilmente adattati e personalizzati per adattarsi a diverse forme strutturali.
4. Ridurre i tempi di costruzione: grazie alla rapida installazione dei pannelli rinforzati con fibra di carbonio, i tempi di costruzione possono essere significativamente ridotti, diminuendo così il costo complessivo del progetto.
Svantaggi:
1. Costo elevato: i pannelli rinforzati con fibra di carbonio sono generalmente più costosi di alcuni materiali di rinforzo strutturale tradizionali (come l’acciaio), il che può aumentare il costo complessivo del progetto.
2. Fragilità: sebbene le piastre rinforzate con fibra di carbonio siano molto potenti, possono mostrare fragilità se sottoposte a impatto o flessione, a differenza di alcuni materiali metallici che hanno duttilità.
3. Fondamentale per la qualità dell'incollaggio: i pannelli rinforzati con fibra di carbonio richiedono in genere l'uso di adesivi o agenti leganti speciali per incollarli alla superficie della struttura. Ciò significa che la qualità dell’incollaggio è fondamentale per l’effetto di rinforzo e un incollaggio inappropriato può portare a uno scarso rinforzo strutturale.
4. Impatto ambientale: sebbene la fibra di carbonio stessa sia un materiale rinnovabile, il suo processo di produzione comporta un trattamento ad alta temperatura e sostanze chimiche dannose, che possono avere un certo impatto sull'ambiente. Inoltre, anche lo smaltimento dei pannelli rinforzati con fibra di carbonio scartati può comportare problemi ambientali.
Nel complesso, i pannelli rinforzati con fibra di carbonio presentano numerosi vantaggi nel campo del rinforzo strutturale, ma presentano anche alcuni svantaggi. La scelta se utilizzare pannelli rinforzati con fibra di carbonio dovrebbe essere determinata in base ai requisiti e al budget specifici del progetto.