Как изготавливаются шлемы из углеродного волокна: процесс производства

Как изготавливаются шлемы из углеродного волокна: процесс производства

Почему стоит выбрать шлем из углеродного волокна?

Шлемы из углеродного волокна ценятся за исключительное соотношение прочности и веса, элегантный внешний вид и способность поглощать и распределять ударную нагрузку. Как для гонщиков, так и для производителей шлем из углеродного волокна означает высокое качество: лёгкий вес повышает комфорт и снижает усталость шеи, а композитная оболочка обеспечивает превосходное распределение энергии при ударах. В этой статье подробно и на практике объясняется, как изготавливаются шлемы из углеродного волокна: какие материалы используются, какие этапы производства необходимы для соответствия стандартам безопасности, а также на что следует обращать внимание при выборе или заказе индивидуальной оболочки углеродного шлема.

Материалы для шлема из углеродного волокна: что входит в состав оболочки

Высококачественный шлем из углеродного волокна начинается с правильного выбора материалов. Производители обычно используют один или несколько из следующих материалов:

• Ткань из углеродного волокна (тканая или однонаправленная) — обеспечивает жесткость, прочность на разрыв и ударопрочность в сочетании со смолой.
• Препрег углеродного волокна— волокно, уже пропитанное специальной смоляной системой (эпоксидной смолой) и частично отвержденное при низкой температуре; обеспечивает постоянное содержание смолы и превосходные характеристики при отверждении в автоклаве.
• Смолы — в основном эпоксидные системы для высококачественных шлемов из-за их прочности и адгезии; полиэфирные или винилэфирные смолы реже встречаются в высококачественных мотоциклетных шлемах.
• Подкладка из EPS (пенополистирола) — сминаемая подкладка, которая распределяет энергию удара внутри оболочки.
• Комфортная подкладка, системы фиксации, козырьки и отделочные материалы — интегрируются после того, как оболочка прошла структурные испытания.

Выбор препрегов вместо мокрого формования влияет на повторяемость производства, прочность и стоимость. Препреги предпочтительны при производстве высококачественных шлемов из углеродного волокна, поскольку они обеспечивают более точный контроль соотношения волокон и смолы и значительное сокращение пустот при автоклавном отверждении.

Проектирование и изготовление шлемов из углеродного волокна

Проектирование и оснастка играют основополагающую роль. Производители создают CAD-модели, включающие геометрию оболочки, вентиляцию, интерфейсы визоров и крепление пенополистирола. В процессе оснастки изготавливается позитивная форма (мастер-форма), а затем прочные производственные формы из металла (алюминиевая оснастка) или высокотемпературных композитов. Прецизионные формы обеспечивают постоянную толщину оболочки и допуски на посадку во всех производственных циклах, что критически важно для безопасности и сертификации.

Методы выкладки: препрег против мокрой выкладки для шлемов из углеродного волокна

Метод выкладки определяет, как углеродное волокно укладывается и смачивается смолой. Используются два основных подхода:

Укладка препрега (предпочтительно для высококачественных шлемов из углеродного волокна)

Выкладка препрега включает в себя укладку предварительно вырезанных листов препрега из углеродного волокна на форму. Ориентация каждого слоя (0°, 45°, 90°) выбирается для оптимизации ударопрочности и жёсткости. Слои тщательно удаляются вакуумом для удаления скоплений воздуха и обеспечения плотного контакта с поверхностью формы. Общие преимущества:

• Точное содержание смолы и выравнивание волокон
• Меньшее содержание пустот после отверждения
• Превосходные механические свойства и повторяемость

Мокрое нанесение и пропитка смолой

При мокром методе наложения сухие ткани помещаются на форму, а смола наносится вручную или вводится под вакуумом (вакуумное формование смолы — VARTM). Этот метод зачастую менее затратен, но требует строгого контроля процесса, чтобы избежать избытка смолы и образования пустот. Инфузия может дать хорошие результаты для некоторых моделей шлемов, но препрег-автоклав остаётся золотым стандартом для высококачественных шлемов, маркируемых как шлемы из углеродного волокна.

Формование и отверждение: превращение укладки в структурную оболочку

После завершения выкладки оболочка шлема отверждается. Типичные этапы отверждения шлема из углеродного волокна:

1. Вакуумное уплотнение/удаление лишнего воздуха — удаляет скопившийся воздух и уплотняет слои, обеспечивая равномерную толщину.
2. Автоклавное отверждение (для препрега) — применение тепла и давления (часто 5–7 бар) в автоклаве консолидирует ламинат и отверждает смолу, что приводит к высокой объемной доле волокон и низкому содержанию пустот.
3. Отверждение в печи (для некоторых систем смол или пост-отверждение) — используется, когда автоклав недоступен; может включать стадию пост-отверждения для оптимизации свойств смолы.

Оболочки, отвержденные в автоклаве, обычно демонстрируют более высокую прочность межслоевых соединений и улучшенную ударопрочность по сравнению с деталями, не обработанными в автоклаве, поэтому многие производители, инвестирующие в производительность и сертификацию, выбирают этот путь.

Отделка, усиление и интеграция EPS в шлемы из углеродного волокна

После отверждения оболочки извлекаются из форм и подвергаются обрезке для зачистки кромок, вырезания отверстий под козырёк и подготовки элементов крепления. Усиления (например, более толстые слои) добавляются вокруг зон повышенной нагрузки: креплений козырька, интерфейсов подбородочной дуги и фиксирующих анкеров. Подкладка из пенополистирола (EPS) формуется или формуется в соответствии с внутренней частью оболочки и закрепляется клеями, сохраняющими свои свойства при перепадах температуры и влажности.

Отделка поверхности и покраска шлемов из углеродного волокна

Многие гонщики хотят видеть плетение карбонового волокна, поэтому отделка часто включает в себя нанесение прозрачного покрытия. Обычно этапы включают шлифовку, заполнение небольших дефектов совместимыми наполнителями, грунтовку, базовый слой (если цветной) и несколько прозрачных слоев для защиты от ультрафиолета и истирания. Высококачественная отделка требует тщательной маскировки вентиляционных отверстий и точной обработки вокруг точек крепления для обеспечения надёжной посадки и функциональности.

Проверка и контроль качества каждого шлема из углеродного волокна

Контроль качества имеет решающее значение. Основные проверки включают:

• Визуальный осмотр на предмет пустот, расслоений и косметических дефектов.
• Проверка размеров для обеспечения совместимости козырька и аксессуаров.
• Неразрушающий контроль (НК), такой как ультразвуковая дефектоскопия или простукивание, для обнаружения подповерхностных дефектов.
• Выборочные разрушающие испытания на механические свойства и подтверждение сертификации.

Производители осуществляют статистический контроль процесса (SPC) по критическим переменным: партия препрега, цикл отверждения, давление/температура автоклава и целостность вакуума.

Испытания и стандарты безопасности для шлемов из углеродного волокна

Соблюдение нормативных и добровольных стандартов безопасности является обязательным условием для продажи мотоциклетных шлемов на многих рынках. К общим стандартам относятся:

• DOT FMVSS 218 (США) — обязательный стандарт, ориентированный на ослабление ударов, устойчивость к проникновению и прочность удерживающей системы.
• ECE 22.06 (Европа) — обновленные протоколы испытаний, включая улучшенные испытания на косой удар для управления ускорением вращения.
• Snell M2020/M2015 (добровольный) — часто использует более строгие уровни энергии и множественные удары для гоночных шлемов.

Производители проектируют слои и профили из пенополистирола для прохождения этих испытаний. Учёт косого удара (ускорение вращения) повысил интерес к многослойным облицовкам из пенополистирола, облицовкам, снижающим сдвиг, и геометриям оболочек, помогающим контролировать вращательные силы.

Сравнение характеристик: шлем из углеродного волокна и альтернативные варианты

Ниже представлено краткое сравнение распространённых материалов для корпусов шлемов, которое поможет покупателям и специалистам по подбору подходящего варианта. Данные являются репрезентативными; фактические значения будут зависеть от конструкции и процесса производства.

Источниками сравнительных свойств являются отраслевые стандарты и справочники материалов (источники см. в конце статьи).

Проблемы производства и распространенные дефекты шлемов из углеродного волокна

Высококачественные шлемы из углеродного волокна требуют тщательного контроля. Распространенные проблемы, возникающие при их производстве:

• Пустоты и сухие пятна — снижают ударопрочность и могут возникнуть из-за некачественной уборки пылесосом или неравномерного распределения смолы.
• Расслоение — часто возникает из-за загрязнения, неправильных циклов отверждения или недостаточной консолидации.
• Неравномерная толщина оболочки ухудшает структурные характеристики и соответствие требованиям сертификации.

Для решения этих задач требуются надежные инструменты, контролируемая среда (температура/влажность), квалифицированные специалисты по укладке и возможности неразрушающего контроля.

Кастомизация и брендирование шлемов из углеродного волокна

Шлемы из углеродного волокна часто изготавливаются по индивидуальному заказу для производителей оригинального оборудования, гоночных команд и любителей. Варианты кастомизации включают:

• Индивидуальные формы корпуса и вентиляция оптимизированы для аэродинамики.
• Уникальные углеродные переплетения или цветные смолы для визуальной дифференциации.
• Интегрированные точки крепления для камер или устройств связи.

Поставщики, работающие с производителями оригинального оборудования, должны предлагать возможности мелкосерийного производства, прототипную оснастку и услуги по интеграции окраски/форм, чтобы воплотить индивидуальный дизайн шлема из углеродного волокна от концепции до сертифицированного продукта.

Экологические аспекты и вопросы окончания срока службы шлемов из углеродного волокна

Композиты из углеродного волокна сложно перерабатывать традиционными способами. Производители могут снизить воздействие на окружающую среду, оптимизируя использование материалов, по возможности используя перерабатываемые материалы основы и предлагая программы ремонта или восстановления шлемов, сохранивших целостность конструкции, но имеющих косметические повреждения. Однако большинство шлемов, подвергшихся воздействию, следует списать по соображениям безопасности.

Как Supreem Carbon поддерживает проекты по производству шлемов и деталей из углеродного волокна

Компания Supreem Carbon, основанная в 2017 году, специализируется на производстве деталей из углеродного волокна для автомобилей и мотоциклов по индивидуальному заказу, объединяя исследования и разработки, проектирование, производство и продажи для предоставления высококачественной продукции и услуг. Supreem Carbon располагает заводом площадью 4500 квадратных метров и располагает квалифицированной командой из 45 человек, включая квалифицированных производственных и технических специалистов. Годовой объём производства Supreem Carbon составляет около 4 миллионов долларов. Компания предлагает более 1000 наименований продукции, включая более 500 деталей из углеродного волокна, изготовленных по индивидуальному заказу.

Для брендов и производителей оригинального оборудования, ищущих партнера по производству оболочек шлемов из углеродного волокна или сопутствующих аксессуаров, Supreem Carbon предлагает следующие преимущества:

• Интегрированные НИОКР и прототипирование для разработки геометрии шлема, графиков укладки и инструментов, оптимизированных для безопасности и веса.
• Опыт выкладки препрега, автоклавного отверждения, вакуумной инфузии и финишных процессов для достижения различных целевых показателей цены и производительности.
• Возможности изготовления на заказ малых и средних партий и массового производства, подкрепленные системами контроля качества и протоколами испытаний.
• Ассортимент продукции, который охватываетдетали мотоцикла из углеродного волокна,детали автомобиля из углеродного волокнаи индивидуальные детали из углеродного волокна, что обеспечивает синергию проектирования различных приложений и быструю итерацию.

Видение Supreem Carbon — стать мировым лидеромпроизводитель изделий из углеродного волокнаЧтобы узнать о специальных оболочках шлемов, дополнительных компонентах или более крупных проектах из углеродного волокна, посетите сайт https://www.supreemcarbon.com/ или свяжитесь с отделом продаж через веб-сайт.

Выбор правильного шлема из углеродного волокна: контрольный список покупателя

При оценке шлемов из углеродного волокна обратите внимание на:

• Сертификация: убедитесь, что шлем соответствует стандартам DOT, ECE 22.06, Snell или вашему местному стандарту.
• Конструкция: уточните, изготовлена ​​ли оболочка методом препрега/автоклавной обработки или методом мокрой выкладки; препрег/автоклавная обработка обычно обеспечивает лучшую повторяемость и прочность.
• Посадка и эргономика: правильная посадка имеет решающее значение для производительности и комфорта.
• Вес против стоимости: сверхлегкие корпуса имеют высокую цену за счет материалов и обработки в автоклаве.
• Политика последующего ухода и замены: шлемы являются одноразовыми средствами безопасности после значительного удара.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Являются ли шлемы из углеродного волокна более безопасными, чем шлемы из стекловолокна или поликарбоната?

A: Безопасность зависит от конструкции и сертификации. Карбоновые оболочки обеспечивают превосходную жёсткость и отличное соотношение прочности и веса, но общая безопасность зависит от конструкции оболочки, энергосбережения подкладки EPS и сертификации шлема. Качественно спроектированный стекловолоконный шлем может соответствовать тем же стандартам безопасности, что и шлем из углеродного волокна; разница, как правило, заключается в весе и цене.

В: Насколько легче шлем из углеродного волокна по сравнению со шлемами из других материалов?

О: Корпуса из углеродного волокна могут быть значительно легче — зачастую на 10–30% легче, чем аналогичные корпуса из стекловолокна, и даже легче, чем корпуса из поликарбоната — в зависимости от конструкции. Фактическая экономия веса зависит от структуры слоёв, толщины пенополистирола и наличия дополнительных аксессуаров.

В: Можно ли отремонтировать поврежденный шлем из углеродного волокна?

О: Небольшие косметические повреждения можно отремонтировать, но любой шлем, подвергшийся серьёзному удару, следует списать. Повреждения конструкции могут быть скрыты и снижать безопасность. Проконсультируйтесь с производителем; большинство стандартов безопасности рекомендуют замену после удара.

В: На какие сертификаты следует обращать внимание при выборе шлема из углеродного волокна?

A: Найдите соответствующую нормативную наклейку или этикетку для вашего рынка: DOT FMVSS 218 (США), ECE 22.06 (Европа) или Snell (добровольные испытания по более высоким стандартам). Гоночные организации могут потребовать сертификацию Snell или дополнительную омологацию.

В: Все ли шлемы из углеродного волокна полностью изготовлены из углеродного волокна?

О: Не обязательно. В некоторых шлемах внешний слой из углеродного волокна используется поверх других композитных или термопластиковых подложек. Если вес и характеристики для вас приоритетны, проверьте, изготовлена ​​ли оболочка полностью из углеродного волокна (структурный углеродный ламинат) или имеет накладку, имитирующую карбон.

Свяжитесь с нами / Просмотр продукции

Если вы хотите разработать индивидуальный корпус шлема, компоненты или другие детали из углеродного волокна, Supreem Carbon поможет вам от концепции до сертифицированного производства. Посетите сайт Supreem Carbon по адресу https://www.supreemcarbon.com/, чтобы ознакомиться с линейками продукции, включаямотоцикл из углеродного волокнадетали, автомобильные детали из углеродного волокна и индивидуальные детали из углеродного волокна или свяжитесь со службой поддержки клиентов через веб-сайт, чтобы обсудить проект.

Источники

• DOT FMVSS 218 — Министерство транспорта США / Национальная администрация безопасности дорожного движения (стандарт безопасности шлемов)
• Регламент ЕЭК 22.06 — Европейская экономическая комиссия ООН (стандарт испытаний мотоциклетных шлемов)
• Мемориальный фонд Снелла — протоколы испытаний и сертификации шлемов
• CompositesWorld — статьи о препрегах и автоклавной обработке композитных компонентов
• Журнал композитных материалов / Справочники по материаловедению — общие свойства и процессы композитных материалов
• Отчеты об отраслевых испытаниях и потребительских тестах мотоциклов (Motorcycle Consumer News и официальные документы производителей)