Uhlík, kevlar či kompozit - alebo karbón? II. diel

Predpokladáme, že základnú orientáciu v pojmoch už máte vďaka prvému dielu úspešne za sebou, a teda nám nič nebráni načrieť trošku hlbšie do tajomstiev výroby karbónových dielov.

Pre tých, ktorým unikla prvá časť, dopĺňame informáciu, že ju nájdu na tomto odkaze. Opäť sa ale nevyhneme cudzím slovám a skratkám, ale všetky tie anglické názvy sú uvedené zámerne, pretože ak si ktorýkoľvek z nich vložíte do internetového vyhľadávača, nájdete množstvo užitočných textov a videí k danej téme. Opis je jedna vec, ale niekedy vidieť ako jednoducho a geniálne fungujú veci, je viac ako tisíc slov. Všetky postupy sú zhrnuté do akéhosi základného modelu, v ktorom však nebol dostatok priestoru na všetky technické detaily.

Skôr išlo o zhrnutie najbežnejších technológií spracovania karbónu v kocke. Šanca, že sa stratíte v tomto pokračovaní nie je veľká, takže ak vás niečo z tohto opisu „nakopne“ k odhodlaniu osobne vyskúšať prácu s karbónom, odporúčam pokračovať v hľadaní ďalších užitočných a praktických rád. Začneme so všeobecným prehľadom technológií spracovania karbónu.

Wet (hand) laying – ručné laminovanie

Najjednoduchším základom v procese spracovania a výroby karbónových výrobkov je klasické ručné laminovanie. Aj napriek tomu, že je to relatívne jednoduchý proces, kde nepotrebujeme špeciálne technologické vybavenie, dá sa s ním vytvoriť mnoho zaujímavých kreácií. Stačí voskom separovaná negatívna forma, do ktorej sa ručne vkladá uhlíková textília a presycuje živicou pomocou štetca či stierky. Tri či štyri vrstvy tkaniny a trpezlivo presycovať tkaninu a vytláčať vzduchové bubliny.

Tkanina a epoxid drží vo forme vlastnou váhou, resp. viskozitou a výsledný produkt je, čo sa týka pomeru vlákien a živice a z toho vyplývajúcej pevnosti, niekde na chvoste pomyselného karbónového rebríčka. Inými slovami, nie až tak pevný ako by mohol byť a má aj vyššiu hmotnosť, ak berieme do úvahy nasledujúce pracovné postupy.

Stále je to však v porovnaní napr. so sklotextilom, či kovom veľmi ľahký a pevný produkt. Aj napriek tomu, že sa jedná o základnú metódu spracovania karbónu, je možné ňou zabezpečiť plne funkčnú priemyselnú výrobu špičkových produktov. Na Slovensku takto vyrábame olympijské kajaky na divokú vodu, alebo aj ultraľahké lietadlá.

Vaccum bagging – vákuovanie

O niečo vyššia úroveň používaná v prevažnej väčšine u priemyselných výrobkov využíva dodatočné vákuum na odsatie prebytočnej živice. Po ručnom uložení a presýtení tkaniny sa hneď na povrch uloží tzv. strhávacia tkanina (peel ply), a prekryje sa špeciálnou nasiakavou tkaninou a celé sa to vzduchotesne uzavrie do pružnej fólie. Podtlaková pumpa odsaje sieťou kanálikov prebytočný vzduch a pritlačí všetky vrstvy tkanín k povrchu formy.

Určite si spomínate na poučku: čím viac dostatočne zmáčaných vlákien a menej živice v danom priereze výrobku, tým lepšie a práve tento podtlak medzi formou a krycou fóliou zatlačí vlákna hustejšie k sebe a presunie, resp. vytiahne čo najviac nepotrebnej živice (aj bubliniek) do textílií. Tieto jednorazové textílie sa po vytvrdnutí strhávajú dole (odtiaľ ten názov) a s nimi aj nepotrebná živica.

Na svoje si prídu všetci, čo už od výsledného produktu očakávajú nízku hmotnosť, pretože je zbytočné tam nechávať materiál, ktorý tam byť nemusí. Lebo aj letci, kajakári či iní športovci sú gramári, nie iba cyklisti . Dobrou správou je, že aj vákuovanie je dostupné pre bežného človeka. Stačí si len nájsť dodávateľa vhodných textílií, fólií a jednej vákuovej pumpy a môže sa začať experimentovať.

Resin infusion - infúzia

Podstatou tohto veľmi zaujímavého postupu je kladenie suchej uhlíkovej tkaniny do formy a prekrytie iba vrstvou strhávacej tkaniny. Dôležitá je však dôkladná príprava. Pred vzduchotesným uzavretím suchých tkanín do fólie sa okrem výstupu vákuovania pridáva ešte vstupná prívodná časť s rozvodmi, kadiaľ bude prúdiť živica do tkaniny. Zvyčajne sa tieto vstupno-výstupné rozvody dávajú na protiľahlé strany, no pri komplikovanejších tvaroch je potrebné dobre premyslieť celý postup, aby živica mala od každého vstupného bodu približne rovnako k najbližšiemu výstupnému.

Po dokonalom vákuovaní zatiaľ ešte stále suchej formy sa namieša živica, napojí sa na celý systém vytvorených kanálikov a nezostáva už nič iné ako sledovať, ako vákuom naťahovaná živica pomaly postupuje do formy. Verte mi, že je to mimoriadne upokojujúci pohľad, hlavne keď si to človek porovná s babračkou, ktorá je pri ručnom nanášaní živice štetcom.

Do tkaniny sa takto dostane presne potrebné množstvo živice a veľmi efektívne zmáča celý profil a plochu formy. Výhodou tohto postupu je, že sa takmer neprichádza do priameho kontaktu s nevytvrdnutou živicou a aj jej spotreba je vďaka infúzii nižšia.

Prepreg

Doteraz sa v spomenutých technológiách spracovávala suchá tkanina, do ktorej sa následne nejakým spôsobom „natlačila“ živica. Tentokrát však na to išli múdre hlavy z úplne opačného konca a začali vyrábať tkaninu, ku ktorej už nepotrebujete žiadne pojivo. Je to v podstate klasická uhlíková tkanina, ktorá je vopred nasýtená epoxidovou (Pre – impregnated) živicou. Tieto živice sú z triedy tzv. „thermoset epoxy“ – čo znamená, že začnú polymerizovať až pri zvýšenej teplote.

Dokiaľ však k tomu príde, musia byť uskladnené v chladiacich boxoch pri -18°C (čo je asi doslova jediné mínus tohto materiálu). Zvyčajne je prepreg navinutý na rolke medzi dvoma ochrannými fóliami, aby sa vrstvy vzájomne nezlepili. To, že je tkanina vopred nasýtená, má niekoľko výhod. Impregnácia tkaniny je na celom jej povrchu rovnaká a pomer vlákno/živica je vyšší než v ručnom procese vlákna. Tkanina sa dá jednoducho narezať do potrebných tvarov na laserových plotroch, čo značne zefektívni veľkovýrobu a minimalizuje odpad.

Konštrukčne veľmi zaujímavým je prepreg z jednosmerného UD vlákna, pretože každý diel má v smere vlákien jednoznačne kalkulovateľné mechanické vlastnosti, čo sa využíva už v štádiu návrhu. Presne vyrezané diely sa ručne kladú v stanovenom postupe a smere do foriem, takže výsledné výrobky budú mať veľmi dobré a hlavne identické mechanické vlastnosti. Na jeden bicyklový rám to môže byť pokojne aj cez štyristo rôzne veľkých a rôzne orientovaných plátov.


Pointou celého návrhu je uložiť viac vrstiev prepregu v okolí hlavných mechanických uzlov bicykla a menej v strede medzi týmito uzlami, kde nie je namáhanie až také veľké. Kde a koľko sú prísne utajované skutočnosti, na ktoré firma vynaložila nemalé prostriedky vo výskume a vývoji rámu. Následné kroky, ak sa jedná o otvorenú formu, sú podobné ako pri vákuovaní. Na prepreg sa opäť dávajú špeciálne tkaniny, forma sa zakryje pružnou fóliou a po odsatí vzduchu ide do autoklávu.

To je pretlaková a vyhrievaná komora, pri ktorej dochádza k riadenému vytvrdzovaniu živice a vďaka pretlaku ešte k väčšiemu prítlaku tkanín na karbónový výrobok a odobratí čo najväčšieho množstva nepotrebnej živice do špeciálnej nasiakavej tkaniny. Tento postup je však aplikovateľný len na otvorené formy, kde má obsluha dosah na vnútornú stranu výrobkov. Napríklad také karbónové kolesá, ktoré majú uzatvorený profil, sú vyrábané vo viacdielnych kovových formách. Prepreg sa ukladá do foriem a do stredovej dutiny sa po celom obvode uzavrie tenký plastový balónik. Po uzavretí foriem tieto vytvoria budúci profil kolesa a balónik po natlakovaní dôkladne pritlačí prepreg k stene a môže začať „vypekanie“.

Po vychladnutí a rozobratí formy sa vnútorný balónik vyťahuje po častiach von rotujúcim drôtom cez ventilový otvor. Pre ilustráciu o pevnosti karbónového produktu vyrábaného z prepregu, jeden malý príklad zo sveta super športových áut. Jedna renomovaná severská firma vyrába touto technológiou celokarbónové disky kolies na automobil, ktoré prenášajú výkon cez 1 000 koní a dosahujú rýchlosť blížiacu sa k 400 km/hod... Samostatnou kapitolou sú uzavreté formy pre bicyklové rámy, ktorým sa budeme venovať zase nabudúce.

1. diel nájdete na tomto odkaze.

Zdroje fotografii: Carbonfibergear, Turnology, Easycomposites