[Nastavak iz: Razvoj i trendovi kompozita od ugljičnih vlakana u sportu i slobodnom vremenu (I. dio) (1)]
3.1 Prešanje u autoklavu: "Zlatni standard" za vrhunsku natjecateljsku opremu
Prešanje u autoklavu pruža najvišu kvalitetu - i najvišu cijenu - među postupcima prešanja karbonskih vlakana, s poroznošću proizvoda ispod 1% i mehaničkim svojstvima blizu teoretskih granica. U sportskoj opremi koristi ga gotovo sva vrhunska natjecateljska oprema: vodeći okviri cestovnih bicikala kao što su Trek Madone i Specialized S-Works Tarmac koriste Toray T800/T1000 predpreg razreda stvrdnjavan na 120–180 stupnjeva i 5–7 bara 2–4 sata, s težinom okvira od samo 700–800 g; vrhunske osovine za golf iz Fujikure i Graphite Designa koriste Toray T1100G prepreg od karbonskih vlakana sa stvrdnjavanjem u autoklavu za ravnotežu ekstremne krutosti i male težine; Komponente za jedrenje America's Cupa također su oblikovane u autoklavu za maksimalnu pouzdanost. Ulaganje u opremu obično se kreće od 20 do 50 milijuna RMB, a jedinična cijena je vrlo visoka, ograničavajući proces na konkurentne proizvode najviše razine.
3.2 Namatanje filamenta: "Proces duše" za štapove za pecanje i osovine za golf
Namatanje filamenta jedan je od najčešće korištenih postupaka oblikovanja za sportsku opremu od karbonskih vlakana i nezamjenjiv je u štapovima za pecanje i osovinama za golf. Konopci od karbonskih vlakana impregnirani smolom namotani su na trn pod preciznim kutovima - unutarnji slojevi pod malim kutovima (15 stupnjeva – 25 stupnjeva) osiguravaju krutost na savijanje, vanjski slojevi pod velikim kutovima (45 stupnjeva – 60 stupnjeva) osiguravaju torzijsku krutost - tako da višekutni dizajn polaganja optimizira anizotropnu mehaničku izvedbu proizvoda.
Weihai Guangwei Composites započeo je upravo ovdje, s namotavanjem filamenta štapa za pecanje. Godine 1998. uvezla je prvu kinesku liniju za prepreg karbonskih vlakana široke širine za proizvodnju štapova, zatim se proširila uzvodno na materijale od ugljičnih vlakana, naposljetku postavši vodeći u cijelom lancu u kineskoj industriji ugljičnih vlakana. Njegov prepreg od karbonskih vlakana ostaje temeljna sirovina Weihai klastera pribora za ribolov. Weihai, najveće svjetsko središte za proizvodnju štapova za pecanje, ugošćuje cijeli lanac koji se kreće od prepreg karbonskih vlakana → namatanja filamenta → proizvodnje štapova → obrade komponenti → marketinga robne marke, i čini oko 60% globalne proizvodnje štapova.
3.3 Kompresijsko oblikovanje: "Alat za masovnu proizvodnju" za rekete i karbonske ploče za cipele
Kompresijskim prešanjem prepreg se stavlja u metalni kalup i stvrdnjava pod toplinom i pritiskom, nudeći visoku učinkovitost, dobru preciznost i prikladnost za proizvodnju velikih serija. U sportskoj opremi, okviri reketa za tenis i badminton gotovo su u potpunosti izrađeni kompresijskim prepregom - kut postavljanja ugljičnih vlakana (0 stupnjeva /±45 stupnjeva /90 stupnjeva) kontrolira savijanje i torzijsku krutost reketa, optimizirajući "slatku točku". Svi reketi vrhunske klase Yonex, Li-Ning, Wilson i Babolat koriste Toray prepreg od karbonskih vlakana s kompresijskim kalupljenjem.
Karbonske ploče za sportsku obuću također se lijevaju kompresijom u srednjim do velikim serijama - nekoliko slojeva preprega od ugljičnih vlakana suši se pod toplinom i pritiskom u kalupu, a zatim reže u oblike potplata. Tenisice za trčanje obložene karbonom iz Nikea, Li-Ninga, Xtepa i Anta koriste ovaj proces. Dijelovi bicikla (drške, stupovi sjedala, ručice), skijaški vezovi i školjke zaštitne opreme također su široko lijevani kompresijom; Marke kao što su Giant i Merida koriste veliki broj kompresirano lijevanih karbonskih dijelova.
3.4 RTM i VARI: Od naplataka za bicikle do trupa trkaćih čamaca
RTM (Resin Transfer Molding) koristi zatvoreni kalup s ubrizgavanjem smole pod pritiskom za postizanje glatkih površina s obje strane i proizvodnju gotovo neto oblika. U sportskoj opremi, RTM se uglavnom koristi za naplatke bicikala od ugljičnih vlakana (jednodijelno oblikovanje smanjuje broj zglobova), glave palica za golf (visoko precizno oblikovanje složenih geometrija) i osovine palica za hokej na ledu (varijabilna debljina stijenke za malu težinu). U usporedbi s putem prepreg-autoklav, RTM povećava učinkovitost proizvodnje za 3-5 puta.
VARI (Vacuum Assisted Resin Infusion) koristi vakuumski negativni tlak za ubacivanje smole u suha vlakna; ulaganje u opremu je nisko i proces odgovara velikim dijelovima. U sportskoj opremi, VARI se uglavnom koristi za veslačke školjke, kajake i jedriličarske trupove (veličine 3-10 m, prevelike za autoklav). Poznati europski brend kajaka koristi VARI za proizvodnju kajaka od karbonskih vlakana natjecateljske klase, skraćujući vrijeme ciklusa po jedinici sa 40 sati s ručnim polaganjem na 12 sati i dostižući volumni udio vlakana od 58%. Daske za surfanje od karbonskih vlakana i daske za veslanje u stojećem položaju (SUP) također koriste VARI; njegovo oblikovanje pod niskim pritiskom uspješno integrira jezgre od EPS pjene s oblogama od ugljičnih vlakana, čineći proizvode 30% lakšim od konvencionalnih dasaka za surfanje od staklenih vlakana.
3.5 Prepreg: "Osnovni međumaterijal" u proizvodnji sportske opreme
Prepreg je najvažniji međumaterijal u proizvodnji CFRP-a - polustvrdnute ploče proizvedene prethodnom impregnacijom karbonskih vlakana smolom. U sportskoj opremi, termoreaktivni prepreg (uglavnom epoksi) čini oko 80% i naširoko se koristi u okvirima bicikala, osovinama za golf, teniskim reketima i štapovima za pecanje; termoplastični prepreg (PEEK, PPS, PA6 i drugi) čini oko 20% i brzo raste - njegova mogućnost recikliranja, ponovne obrade i kratki ciklus oblikovanja (minute u odnosu na sate) posebno odgovaraju skijama, zaštitnoj opremi i karbonskim pločama za cipele, gdje su žilavost i produktivnost najvažniji. Teijin upravlja tvornicom termoplastičnih jednosmjernih traka u Njemačkoj posvećenom karbonskim vlaknima/PEEK i karbonskim vlaknima/PPS prepreg za sportsku opremu.
4. Usporedba materijala: Zašto su karbonska vlakna postala prvi izbor za sportsku opremu?
Temeljni zahtjev u odabiru materijala za sportsku opremu je "lakši, jači, otporniji, izdržljiviji". Karbonska vlakna pokazuju nevjerojatne prednosti u sve četiri dimenzije:
Specifična čvrstoća (čvrstoća/gustoća) ugljičnih vlakana je 10 puta veća od čelika, 8 puta veća od aluminijske legure i 5 puta veća od titanijske legure - točno kombinacija ekstremne lagane i velike čvrstoće kojoj teži sportska oprema. Ali ugljična vlakna nisu univerzalan odgovor: njihova lomljivost znači da može doći do katastrofalnog kvara pod jakim udarcima, tako da se u palicama za hokej na ledu, rubovima skija i drugim primjenama koje zahtijevaju visoku žilavost, često usvaja hibridno tkanje ugljika/aramida, koristeći izvrsnu otpornost na udarce aramida za kompenzaciju lomljivosti ugljičnih vlakana. Shimanova vrhunska serija štapova EXSENS koristi hibrid ugljičnih vlakana i aramida, značajno poboljšavajući otpornost na udarce uz smanjenje težine.
Što se tiče cijene, cijena karbonskih vlakana za veliku vuču (48K/50K) pala je na 80-100 RMB/kg, neprestano smanjujući jaz u odnosu na staklena vlakna (8-15 RMB/kg). Brzo oslobađanje velikog kapaciteta karbonskih vlakana za vuču od strane Jilin Chemical Fiber Group ubrzava prelazak karbonskih vlakana iz profesionalne konkurencije na masovna potrošačka tržišta. Uzimajući za primjer bicikle od ugljičnih vlakana, upotreba ugljičnih vlakana za veliku vuču može smanjiti troškove materijala okvira za oko 40%, spuštajući početne cijene karbonskih bicikala s 8000 RMB na raspon od 5000 RMB.
5. Osnovne primjene: Kako ugljična vlakna preoblikuju krajolik sportske opreme
5.1 Palice za golf: "Prvo bojno polje" karbonskih vlakana
Palice za golf najveće su pojedinačno tržište sportskih aplikacija za karbonska vlakna. Kad su karbonska vlakna komercijalizirana 1970-ih, palice za golf i pecanje bile su među prvim sportskim proizvodima koji su ih usvojili. Prema QYResearchu, očekuje se da će globalna prodaja palica za golf od ugljičnih vlakana dosegnuti 5,854 milijarde RMB do 2031., što je ukupna godišnja stopa rasta od 7,0%.
S tehnološke strane, TaylorMade Qi10 LS driver koristi dizajn "Infinity Carbon Crown" sa 60 slojeva ugljičnih vlakana i dvostruko zakrivljenim licem, pri čemu ugljik pokriva 97% područja krune kako bi se postigla izvrsna učinkovitost prijenosa energije. Osovine serije Tour AD tvrtke Graphite Design koriste Toray T1100G prepreg karbonskih vlakana i tehnologiju nano-legure, uvelike povećavajući strukturnu krutost bez dodavanja težine. Callaway (godišnji prihod od oko 1,8 milijardi USD) i TaylorMade (oko 1,5 milijardi USD) dvije su vodeće svjetske marke u golf palicama od ugljičnih vlakana, a obje svoje osnovne materijale od ugljičnih vlakana nabavljaju isključivo od japanskog Toraya.
Vrijedno je napomenuti da materijali od ugljičnih vlakana za kineske vrhunske palice za golf od ugljičnih vlakana do 87% ovise o uvozu, ostavljajući ogroman prostor za domaću zamjenu. Razvojni put tvrtke Guangwei Composites - počevši od Weihai pribora za pecanje i postupno šireći se uzvodno u materijale od ugljičnih vlakana - nudi replicirajući model za industriju: počnite od potražnje za sportskom robom na krajnjem tržištu, integrirajte uzvodne materijale obrnutim smjerom i zatvorite petlju industrijskog lanca.
[Nastavit će se: Razvoj i trendovi kompozita od ugljičnih vlakana u sportu i slobodnom vremenu (I. dio) (3)]
[Izvor] China Composites Industry Association (CCIA), službena web stranica
[Originalni link] https://ccia.xin/xingyebaogao/3618.html