Okrugla cijev od karbonskih vlakana

Različite vrste cijevi od karbonskih vlakana
Postoje dvije glavne vrste cijevi koje pokrivamo u ovom vodiču: Pultruded Tubes i Roll Wrapped Tubes.
Pultrudirane cijevi imaju tendenciju manjeg promjera i pružaju najveću moguću uzdužnu čvrstoću, ali nauštrb toga što su osjetljivije na gnječenje ili torzijski lom. Njihova unutarnja i vanjska površina su glatke, a vlakna su vidljiva ako se bolje pogleda. Ove cijevi se formiraju povlačenjem vlakana kroz smolnu kupku i grijanu matricu da se formira cijev. Sva su vlakna usmjerena duž svoje duljine. Proces pultruzije znači da cijevi imaju dobru razinu krutosti, ali ih je lako razdvojiti.
Cijevi od karbonskih vlakana umotane u valjke imaju tendenciju većeg promjera i - zbog svojih izmjeničnih slojeva pojačanja - proizvode elastičniju cijev, posebno na sile gnječenja i uvijanja. Ove cijevi imaju vlakna i po dužini i okolo za čvrstoću obruča. Nastaju omotavanjem slojeva pre-prega oko trna prije sušenja u pećnici. Obično imaju glatku unutarnju završnicu. Vanjska završna obrada može biti glatka ili rebrasta. Rebrasta završna obrada ostala je iz procesa proizvodnje. Na našim cijevima s tkanom završnom obradom to je brušeno, a cijevi su lakirane za završni sjaj visokog sjaja. Cijevi umotane u valjke žrtvuju malu količinu krutosti za čvrstoću obruča što im daje veću sveobuhvatnu čvrstoću i bolju otpornost na gnječenje i cijepanje od pultrudiranih cijevi.
Druge metode konstrukcije cijevi uključuju namotavanje na povlačenje, ali uključuju dodatna spiralna vlakna. Namatanje filamenta gdje se vlakna namotavaju oko trna, prvenstveno za dodatnu čvrstoću prstena, kao što je to u posudama pod tlakom. Također se cijevi mogu oblikovati pomoću vanjskog kalupa i unutarnjeg mjehura, što se češće radi za cijevi složenijih oblika.
Mehanička ispitivanja
Svrha ovih mehaničkih ispitivanja je pružiti usporedne podatke između dvije vrste cijevi od karbonskih vlakana, nehrđajućeg čelika 304 i aluminija 6063. Koristimo iste veličine profila tijekom testova, naime vanjski promjer 10 mm i unutarnji promjer 8 mm. Ovo će pokazati izvedbu u odnosu jedne na drugu za identične profile.
Ne radimo prema nikakvim specifičnim standardima testiranja jer ne postoje takvi koji bi funkcionirali za sve materijale i testove koji se provode. Također ne koristimo standardne SI jedinice pretvorene u kilograme. Ovo je kako bi brojke bile prikladnije i informativnije za mnogo ljudi koji gledaju. Mnogi rukohvati proizvedeni su posebno za ove testove tako da će biti nekih kompromisa kako bi testovi radili.
Ispitivanje zatezne čvrstoće
Ovo je jednostavan test zatezanja gdje se cijevi navlače dok ne slože. Cijevi se povlače do granice elastičnosti, a zatim dalje povlače dok se ne slome. Granica elastičnosti označena je konstantnim gradijentom na grafikonu, a kada počne popuštati i prijeći na plastičnu deformaciju, gradijent se smanjuje sve dok se ne slomi. Kao takav, granicu tečenja mnogo je važnije primijetiti.
Test se ponavlja za sve materijale. Kod karbonskih cijevi kvar je u rukohvatu. Ovo je ograničenje korištene metode zahvata koje stvara koncentraciju stresa u tom području, pa bi se s boljom metodom zahvata očekivali puno bolji rezultati. Da nisu uspjeli na ovaj način, očekivali bismo da će pultruzija biti 3 puta veća od čelika i 16 puta veća od aluminija.
Ispitivanje tlačne čvrstoće
Ovo je relativno jednostavan kompresijski test pritiskom cijevi između dva držača. Uzorci metala ponašaju se prilično očekivano, a karbonske cijevi ponovno ne uspijevaju uhvatiti što pokazuje ograničenja metode ispitivanja. Čelična cijev ima najbolju izvedbu s 1,5 tona, a slijede je pultrudirane i umotane cijevi s nešto manje od jedne tone, a aluminijska cijev pada s oko pola tone.
Ispitivanje torzijske krutosti
Uspoređujemo cijevi s poznatim torzijskim opterećenjem kako bismo pružili usporedne podatke sve dok cijevi ne skliznu u rukohvatima ili ne pokvare. Osobito je teško postići dobar stisak u ovoj vrsti testa da se drži do kvara, ali možemo ih testirati do poznate razine. U ovom slučaju 5 newton metara što je otprilike ono što možete postići odvijačem, a zatim nastavite dok ručka ili cijev ne otkaže.
Za svaku smo cijev testirali koliko je stupnjeva rotacije bilo pri opterećenju od 5 newton metara i nastavili smo sve dok prihvat cijevi nije otkazao. Najbolje se pokazao nehrđajući čelik, a slijedi ga aluminij. Što se tiče karbonskih cijevi, obje su imale loše rezultate, s tim da je cijev omotana u rolu malo izvana u izvedbi pultrudirane.
3-Test točkastog savijanja
Ovo je ispitivanje cijevi na savijanje u 3 točke. Korištenje prilagođenih glava alata za prikaz elastične i konačno plastične deformacije i eventualnog kvara. Kao što je i očekivano, obje metalne cijevi otkazale su plastičnom deformacijom i savijanjem. Karbonske cijevi su se skrenule prije nego što su se srušile zbog pucanja i drobljenja cijevi. Cijev omotana u rolu imala je najbolje rezultate s oko 200 kg, a odmah iza nje čelična cijev sa 175 kg. Pultrudirana cijev otkazala je s oko 140 kg, a zatim aluminijska s 50 kg. Ovaj test posebno naglašava prednost dodatnih obručnih vlakana na cijevi omotanoj rolama u usporedbi s pultrudiranim cijevima.
Kada uzmemo u obzir težinu i relativnu gustoću materijala, ravnoteža rezultata se značajno pomiče. Nehrđajući čelik je gotovo 5,5 puta gušći od ugljika s 8 g/cm³, a aluminij gotovo dvostruko s 2,7 g/cm³. S prilagodbom za težinu, čelične i aluminijske cijevi rade slično kao i cijevi od karbonskih vlakana koje su sada daleko ispred. Provodeći istu prilagodbu za ostale testove, vidimo iste rezultate za sve osim za torzijsko ispitivanje.
Rezultati i razmatranja pultrudirane cijevi
Razmatramo rezultate i kako bi to moglo utjecati na korištenje ove vrste cijevi. U čistim vlačnim i tlačnim opterećenjima ove cijevi nude iznimne performanse za svoju težinu. Opterećene duž svoje duljine, ove pultrudirane cijevi čvrste su koliko može biti karbonska cijev, ali to je nauštrb torzijske izvedbe, gnječenja i otpornosti na cijepanje.
To čini pultrudirane cijevi idealnima za primjene kao što su strelice, poluge za povlačenje, bespilotne letjelice, zmajevi, robotika i stupovi za šatore. Također se mogu vidjeti u aplikacijama za ugradnju kao što su vratovi instrumenata i strukture krila. Budući da se proizvode u matrici, postoji prilično točna tolerancija na OD i ID, međutim, ako tražite teleskopske dijelove, vjerojatno ćete trebati brusiti jednu manju cijev da biste dobro pristajali.
Roll Wrapped Tube Rezultati i razmatranja
U ovom odjeljku razmatramo rezultate i kako bi to moglo utjecati na korištenje ove vrste cijevi. Kao što se vidi u testovima napetosti i kompresije, ove cijevi rade gotovo jednako dobro kao i pultrudirane. Test savijanja u tri točke doista je istaknuo prednost obručnih vlakana i otpornost na gnječenje koje su nudili u odnosu na pultrudirane cijevi. Također je istaknuto kako obručna vlakna neznatno poboljšavaju torzijski otpor.
Dodatna čvrstoća obruča znači da, iako malo slabije u krutosti, nude bolje performanse u stvarnom svijetu u usporedbi s pultrudiranim cijevima. Budući da se izrađuje oko trna, unutarnji promjer je najprecizniji, a vanjski ovisi o načinu obrade.
Tkane završne cijevi nude najbolji kozmetički izgled s vidljivim tkanjem i završnim slojem visokog sjaja. Međutim, tkani sloj također doprinosi čvrstoći obruča i sprječava širenje pukotina i ograničava pucanje. To ih čini idealnim za primjene kao što su nosači sjedala za bicikle, oprema za kameru, ultra laki zrakoplovi, ruke dronova itd.
Netkane cijevi umotane u rolu i dalje su izvrsne izvedbe, ali bi vjerojatno bile bolje prilagođene primjenama kada kozmetika nije toliko važna ili kada prednosti tkanog sloja nisu toliko kritične. To može uključivati ​​produžetke za kormilo, veslačka vesla, robotiku, UAV oružje ili čak stupove za čišćenje prozora i slične primjene.
Ograničenja cijevi od karbonskih vlakana
Iako je izvedba cijevi od ugljičnih vlakana vrlo dobra za mnoge primjene, također postoje ograničenja i upotrebe u kojima cijevi od ugljičnih vlakana možda nisu idealne ili prikladne. Ovdje ćemo pokriti neke uobičajene primjere. Dobar primjer gdje ugljična vlakna možda nisu prikladna su primjene na visokim temperaturama. Ugljična vlakna će se ozbiljno pokvariti iznad 120 stupnjeva. Nisu prikladni za primjene koje uključuju visoku razinu abrazije kao što su klizni ležajevi i čahure gdje će se površina vrlo brzo istrošiti. Precizna strojna obrada kao što je rezanje navoja ne funkcionira dobro jer bi navoj bio vrlo slab - bolje rješenje je koristiti metalni umetak ili slično s navojem u metalu za takve primjene.
Za spajanje cijevi bit će potrebna kompozitna armatura ili izrada složenih spojnica. Također se ne može oblikovati i željet će zadržati svoj trenutni oblik, tako da primjene poput savijenih upravljača itd. ne bi bile moguće s prethodno napravljenim cijevima. Međutim, takve se cijevi mogu napraviti kao što se vidi u ovom videu; Laminiranje i pakiranje u vrećice cijevi od karbonskih vlakana korištenjem rascjepkanog kalupa.