Okrugla cijev od karbonskih vlakana

Različite vrste cijevi od karbonskih vlakana
Postoje dvije glavne vrste cijevi koje obrađujemo u ovom vodiču: Pultruded Tubes i Roll Wrapped Tubes.
Pultrudirane cijevi imaju tendenciju da budu manjeg promjera i pružaju maksimalnu moguću uzdužnu čvrstoću, ali na račun toga da su podložnije drobljenju ili torzijskom lomu. Njihova unutrašnja i vanjska površina su glatke, a vlakna su vidljiva ako se pažljivo pogledaju. Ove cijevi se formiraju provlačenjem vlakana kroz kupku sa smolom i zagrijanom matricom da se formira cijev. Sva vlakna su orijentirana niz svoju dužinu. Proces pultruzije znači da cijevi imaju dobar nivo krutosti, ali se lako cijepaju.
Cijevi od karbonskih vlakana omotane u rolama imaju tendenciju da budu većeg promjera i - zbog naizmjeničnih slojeva armature - proizvode elastičniju cijev, posebno na sile gnječenja i uvijanja. Ove cijevi imaju vlakna i duž dužine i okolo za snagu obruča. Formiraju se omotanjem slojeva pre-prega oko trna prije nego što se očvrsnu u pećnici. Oni imaju tendenciju da imaju glatku unutrašnju završnicu. Vanjska završna obrada može biti glatka ili rebrasta. Rebrasta završna obrada ostaje iz proizvodnog procesa. Na našim tubama sa tkanim završnim slojem ovo je brušeno i cijevi lakirane za završni sjaj visokog sjaja. Cijevi umotane u kotrljaju žrtvuju malu količinu krutosti radi čvrstoće obruča što im daje veću svu snagu i bolju otpornost na lomljenje i cijepanje od pultrudiranih cijevi.
Druge metode konstrukcije cijevi uključuju povlačenje namotaja, ali uključuju dodatna spiralna vlakna. Namotavanje filamenta gdje su vlakna namotana oko trna, prvenstveno za dodatnu čvrstoću obruča, kao što je u posudama pod pritiskom. Također, cijevi se mogu oblikovati pomoću vanjskog kalupa i unutrašnjeg mjehura, što se češće radi za cijevi složenijih oblika.
Mechanical Testing
Svrha ovih mehaničkih ispitivanja je pružiti uporedne podatke između dvije vrste cijevi od karbonskih vlakana, 304 nehrđajućeg čelika i 6063 aluminija. U svim testovima koristimo iste veličine profila, odnosno 10 mm vanjskog prečnika i 8 mm unutrašnjeg prečnika. Ovo će pokazati performanse u odnosu jedna na drugu za identične profile.
Ne radimo na nekim specifičnim standardima testiranja jer ne postoje oni koji bi funkcionisali za sve materijale i testove koji se rade. Također ne koristimo standardne SI jedinice koje se pretvaraju u kilograme. Ovo je da bi brojke bile uočljivije i informativnije za mnogo ljudi koji gledaju. Mnogi rukohvati su proizvedeni posebno za ove testove tako da će biti nekih kompromisa da bi testovi funkcionisali.
Test zatezne čvrstoće
Ovo je jednostavan test zatezanja gdje se cijevi navlače dok ne pokvare. Cijevi se vuku do granice elastičnosti, a zatim dalje povlače dok se ne puknu. Granica elastičnosti je označena konstantnim gradijentom na grafu i kada počne popuštati i prelaziti na plastičnu deformaciju, gradijent se smanjuje dok se ne slomi. Kao takva, tačka prinosa je mnogo važnija za napomenuti.
Test se ponavlja za sve materijale. Kod karbonskih cijevi, kvar je na hvatištu. Ovo je ograničenje korištene metode hvatanja koja stvara koncentraciju naprezanja u tom području, pa bi se uz bolju metodu hvatanja očekivali mnogo veći rezultati. Da nisu uspjeli na ovaj način, očekivali bismo da će pultruzija biti 3 puta veća od čelika i 16 puta veća od aluminija.
Test čvrstoće na pritisak
Ovo je relativno jednostavan test kompresije pritiskanjem cijevi između dva hvata. Uzorci metala ponašaju se prilično očekivano, a karbonske cijevi opet ne uspijevaju u hvatištu, što pokazuje ograničenja metode ispitivanja. Čelična cijev ima najbolji učinak sa 1,5 tona, a slijede je pultrudirane i umotane u rolama od nešto manje od tone, a aluminijska cijev otkazuje oko pola tone.
Test torzijske krutosti
Uspoređujemo cijevi s poznatim torzijskim opterećenjem kako bismo pružili uporedne podatke dok cijevi ne skliznu u hvatišta ili ne pokvare. Posebno je teško postići dobar zahvat u ovakvoj vrsti testa koji će se održati do neuspjeha, ali možemo ih testirati na poznatom nivou. U ovom slučaju 5 njutn metara što je otprilike ono što možete postići odvijačem, a zatim nastavite sve dok hvataljka ili cijev ne pokvare.
Za svaku cijev smo testirali koliko je stupnjeva rotacije bilo pri opterećenju od 5 njutn metara i nastavili sve dok hvat cijevi nije otkazao. Nehrđajući čelik se pokazao najbolje, a slijedi ga aluminij. Što se tiče karbonskih cijevi, obje su se pokazale loše sa cijev koja je umotana u rolnu koja je bila malo izvana u odnosu na pultrudiranu.
3-Test savijanja u tački
Ovo je test savijanja cijevi u 3 točke. Korištenje prilagođenih glava alata za prikaz elastične i konačno plastične deformacije i eventualnog kvara. Kao što se očekivalo, obje metalne cijevi su otkazale plastičnom deformacijom i savijanjem. Ugljične cijevi su se skretale prije nego što su otkazale zbog pucanja i drobljenja cijevi. Cijev umotana u rolnu pokazala se najbolje sa oko 200 kg, a odmah iza nje je čelična cijev od 175 kg. Pultrudirana cijev je otkazala pri težini od oko 140 kg, a zatim aluminij od 50 kg. Ovaj test posebno naglašava prednost dodatnih vlakana u obliku obruča na cijevi omotanoj rolom u odnosu na cijevi sa pultrudiranjem.
Kada uzmemo u obzir težinu i relativnu gustinu materijala, ravnoteža rezultata se značajno pomera. Nerđajući materijal je skoro 5,5 puta gušći od ugljenika pri 8g/cm³, a aluminijum skoro udvostručen pri 2,7g/cm³. Sa podešavanjem težine, čelične i aluminijske cijevi rade slično kao i cijevi od karbonskih vlakana koje su sada daleko ispred. Radeći isto podešavanje za druge testove, vidimo iste rezultate za sve osim testa torzije.
Pultruded Tube Results & Considerations
Razmatramo rezultate i kako bi to moglo utjecati na korištenje ove vrste cijevi. U čistim vlačnim i kompresivnim opterećenjima ove cijevi nude izuzetne performanse za svoju težinu. Opterećene svojom dužinom, ove pultrudirane cijevi su otprilike jake koliko karbonska cijev može biti, ali to je na štetu performansi torzije, gnječenja i otpornosti na cijepanje.
To čini pultrudirane cijevi idealnim za primjene kao što su osovine za strelice, potisne šipke, UAV-ovi, zmajevi, robotika i stupovi za šatore. Također se mogu vidjeti u aplikacijama za ugradnju kao što su vratovi instrumenata i strukture krila. Kako se proizvode u kalupu, postoji prilično precizna tolerancija na OD i ID, međutim, ako tražite teleskopske sekcije, vjerovatno ćete morati izbrusiti jednu manju cijev da biste dobro pristajali.
Rezultati i razmatranja uvijenih cijevi u rolama
U ovom odeljku razmatramo rezultate i kako bi to moglo uticati na upotrebu ove vrste cevi. Kao što se vidi u testovima zatezanja i kompresije, ove cijevi rade gotovo jednako dobro kao i pultrudirane. Test savijanja u tri tačke je zaista istakao prednost obručnih vlakana i otpornost na gnječenje koju su pružili u odnosu na pultrudirane cijevi. Također je naglašeno kako vlakna obruča blago poboljšavaju otpor na torziju.
To je dodatna čvrstoća obruča koja znači da, iako nešto slabije u krutosti, nude bolje performanse u stvarnom svijetu u odnosu na pultrudirane cijevi. Budući da je napravljen oko trna, unutrašnji prečnik je najprecizniji, a spoljašnji zavisi od toga kako je završen.
Tkane završne cijevi nude najbolji kozmetički izgled s tkanjem na izložbi i završnom obradom visokog sjaja. Međutim, tkani sloj također doprinosi čvrstoći obruča i sprječavanju širenja pukotina i ograničavanju cijepanja. To ih čini idealnim za primjene kao što su stubovi sjedišta bicikla, oprema za kamere, ultra lagani avioni, ruke dronova itd.
Tube umotane u netkane rolne i dalje su odlične, ali bi vjerovatno bile bolje prikladne za primjene da kozmetika nije toliko važna, ili prednosti tkanog sloja nisu toliko kritične. To bi moglo uključivati ​​produžetke rude, vesla za veslanje, robotiku, ruke UAV-a ili čak stupove za čišćenje prozora i slične primjene.
Ograničenja cijevi od karbonskih vlakana
Iako su performanse cijevi od karbonskih vlakana vrlo dobre za mnoge primjene, postoje i ograničenja i upotreba gdje cijevi od karbonskih vlakana možda nisu idealne ili prikladne. Ovdje ćemo pokriti neke uobičajene primjere. Dobar primjer gdje karbonska vlakna možda nisu prikladna je primjena na visokim temperaturama. Karbonska vlakna će se ozbiljno pokvariti iznad 120 stepeni. Nisu prikladni za primjene koje uključuju visoke razine abrazije kao što su klizni ležajevi i čahure gdje će se površina vrlo brzo istrošiti. Precizna obrada kao što je rezanje navoja ne radi dobro jer bi navoj bio vrlo slab - bolje rješenje je korištenje metalnog umetka ili sličnog s navojem u metalu za takve primjene.
Za spajanje cijevi potrebno je kompozitno ojačanje ili izrada složenih spojnih komada. Takođe se ne može formirati i želi da zadrži svoj trenutni oblik, tako da aplikacije kao što su savijene ručke itd. ne bi bile moguće sa unapred pripremljenim cevima. Međutim, takve cijevi se mogu napraviti kao što se vidi u ovom videu; Laminiranje i pakiranje cijevi od karbonskih vlakana pomoću podijeljenog kalupa.