Verarbeitungsleitfaden für Kohlefaserverbundwerkstoffe
Kohlefaserverbundwerkstoffe: Verarbeitungsleitfaden
Die Verarbeitung von Kohlefaser (CF)-Verbundwerkstoffen ist ein heikles Geschäft, wenn man bedenkt, dass die meisten Ingenieure, die an die Herstellung oder Konstruktion denken, aus der Entwicklung von Metallteilen stammen.Es wurde schwarzes Aluminium genannt, und sein Design und seine Herstellung wurden als schwarze Kunst beschrieben.Was ist es wirklich?
Der Zweck dieses Konstruktionsleitfadens besteht darin, allgemeine Informationen und Spezifikationen zu Kohlefaser-Verbundwerkstoffen sowie einige Richtlinien für die Konstruktion leichter Hochleistungsprodukte mit Kohlefaser-Verbundwerkstoffen bereitzustellen.
Warum Kohlefaser
Kohlefaserverbundwerkstoffe weisen im Vergleich zu homogenen Metallen und Kunststoffen außergewöhnliche mechanische Eigenschaften auf.Das Material ist stark, steif und leicht.Diese Verbundwerkstoffe sind das Material der Wahl für Anwendungen, bei denen geringes Gewicht und überlegene Leistung von größter Bedeutung sind, wie z. B. Komponenten für Raumfahrzeuge, Kampfflugzeuge und Rennwagen.
Was sind Kohlefaser-Verbundwerkstoffe?
Verbundmaterialien werden hergestellt, indem eine Verstärkung (Faser) mit einer Matrix (Harz) kombiniert wird, und diese Kombination von Faser und Matrix liefert Eigenschaften, die jedem der Materialien allein überlegen sind.In einem Verbundwerkstoff trägt die Faser den Großteil der Last und trägt maßgeblich zu den Materialeigenschaften bei.Das Harz hilft, die Last zwischen den Fasern zu übertragen, verhindert das Knicken der Fasern und verbindet die Materialien.
Wie viel hat es gekostet?
In der Vergangenheit waren Kohlefaserverbundwerkstoffe sehr teuer, was ihre Verwendung auf nur spezielle Anwendungen beschränkt hat.In den letzten siebzehn Jahren ist der Preis für Kohlefaserverbundwerkstoffe jedoch gesunken, da der Verbrauch zugenommen und die Automatisierung in den Herstellungsprozessen zugenommen hat.Der kombinierte Effekt hat die Gesamtkosten von High-End-Aluminiumprodukten gesenkt.Heute sind Kohlefaserverbundwerkstoffe in vielen Anwendungen wie Sportartikeln, Hochleistungsbooten, Hochleistungsfahrzeugen und Hochleistungsindustriemaschinen wirtschaftlich rentabel.
Anwendungen
Verbundwerkstoffe sind äußerst vielseitig.Der Ingenieur kann aus einer Vielzahl von Fasern und Harzen wählen, um die gewünschten Materialeigenschaften zu erhalten.Auch die Materialstärke und Faserorientierungen können für jede Anwendung optimiert werden.
Die Vorteile von Kohlefaserverbundwerkstoffen sind:
1.Hohe spezifische Steifigkeit (Steifigkeit geteilt durch Dichte)
2.Hohe spezifische Festigkeit (Stärke geteilt durch Dichte)
3. Extrem niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)
4.Röntgentransparent (aufgrund seines geringen Molekulargewichts)
In welchen Anwendungen werden Kohlefaserverbundwerkstoffe eingesetzt?
Die einzigartige Positionierung der Kohlefaserverbundwerkstoffe mit hoher spezifischer Festigkeit, Steifigkeit und niedrigem CTE verleiht ihnen in vielen Anwendungsbereichen einen einzigartigen Platz, wie in der folgenden Tabelle gezeigt:
Typische Anwendungen für Kohlefaserverbundwerkstoffe
Designinformationen
Kohlefaserverbundwerkstoffe gelten als "Designermaterial", da die Teile so zugeschnitten werden können, dass sie Festigkeit und/oder Steifigkeit in den erforderlichen Richtungen und Stellen aufweisen.Dies wird erreicht, indem Materialien strategisch platziert und die Faserrichtung so ausgerichtet wird, dass sie den Anforderungen am besten entspricht.Außerdem bietet die Konstruktions- und Fertigungsflexibilität, die Kohlefaserverbundwerkstoffe bieten, Möglichkeiten zur Optimierung des Designs, z.
Werkzeuge
Formen werden verwendet, um die Form der Verbundteile zu definieren.Das Verbundteil nimmt alle Formen und Merkmale der Formen auf;Daher wird die Qualität des Teils stark von der Qualität der Form beeinflusst.Die Formen können entweder männlich oder weiblich sein.Die Matrize ist am gebräuchlichsten und produziert ein Teil mit einer glatten Außenfläche, während eine Patrize eine glatte Innenfläche erzeugt.Wenn das Teil mit einer Presse konsolidiert wird, ist eine abgestimmte Form (Patrize und Matrize) erforderlich.
Zweiteilige Werkzeuge, allgemein als "Clamshell" bezeichnet
Die Formen können aus Verbundwerkstoffen, metallgefülltem Epoxidharz oder aus Aluminium oder Stahl gefertigt werden.Die Art der verwendeten Formen und Materialien hängt von der Art des Teils und der Produktionsmenge ab.
Herstellungsprozess
Die fortschrittliche Kohlefaserproduktion wird normalerweise unter Verwendung der vorimprägnierten Kohlefaser mit duroplastischen Harzen durchgeführt.Die zwei wichtigsten verwendeten Methoden sind:
1. Handauflegen
Das Auflegen von vorimprägnierten gewebten Materialien von Hand ist immer noch ein großer Teil der Verbundstoffherstellungsindustrie und erfordert die Fähigkeiten und Erfahrung menschlicher Arbeitskräfte, um flache Lagen in komplexe Formen zu formen.Es ist in der Lage, hochleistungsfähige und komplexe Teile herzustellen, kann jedoch ein teurer und sehr variabler Prozess sein.
2. Automatisierte Faserplatzierung (AFP)
Die wichtigsten zu berücksichtigenden Dinge sind die Breite der verwendeten Faser und der Radius der Verdichtungswalze.
