Как изготавливается препрег из углеродного волокна: этапы производства

Как изготавливается препрег из углеродного волокна: этапы производства

Обзор: что такое препреговое углеродное волокно и почему оно важно

Препрег из углеродного волокна – это ткань из углеродного волокна, предварительно пропитанная частично отвержденной термореактивной смолой (чаще всего эпоксидной). Соотношение смолы и вязкости смолы контролируется до точного значения, после чего смола охлаждается для остановки отверждения, что позволяет получить готовый к укладке материал, обеспечивающий стабильные механические свойства, воспроизводимые результаты производства и превосходное качество поверхности для высокопроизводительных деталей из углеродного волокна. Производителям и покупателям препрегов из углеродного волокна понимание этапов производства помогает реалистично оценивать сроки поставки, стоимость и эксплуатационные характеристики.

Шаг 1 — Сырье: выбор волокон и смол для препрега из углеродного волокна

Двумя основными составляющими являются армирующее углеродное волокно и смоляная матрица. Выбор углеродного волокна (стандартный модуль, средний модуль, высокий модуль) определяет жёсткость и прочность; распространённые виды переплетения включают полотняное, саржевое и однонаправленное плетение, используемое для различных структурных задач. Выбор смолы (наиболее распространённые эпоксидные системы) определяет режим отверждения, температуру стеклования (Tg), прочность и рабочую температуру. Препреги с высокой Tg используются для деталей моторного отсека или высокотемпературных автомобильных компонентов; закалённые эпоксидные смолы предпочтительны там, где важна ударопрочность.

Основные коммерческие соображения при выборе препрега из углеродного волокна:

• Целевая Tg (например, 120–200 °C для многих эпоксидных систем)
• Желаемая архитектура волокон (саржа для эстетики, однонаправленное волокно для прочности)
• Липкость смолы и окно обработки (влияет на скорость выкладки)
• Срок годности и обращение с замороженными продуктами

Шаг 2 — Состав смолы и контроль качества препрега из углеродного волокна

Производители разрабатывают смолу с контролируемой вязкостью и частичным отверждением (стадия B), подходящую для пропитки. Для соответствия специфическим требованиям к детали могут быть добавлены такие добавки, как упрочнители, добавки, повышающие текучесть, и разделительные составы. Контроль качества на этом этапе имеет решающее значение:

• Испытание вязкости и жизнеспособности смолы
• Характеристика времени гелеобразования и кинетики отверждения
• Прослеживаемость партий и входной контроль

Эти элементы управления гарантируют равномерную пропитку волокна смолой и предсказуемое поведение отверждения во время циклов автоклавирования или обработки в печи.

Шаг 3 — Пропитка: тщательное смачивание волокна

Методы пропитки при производстве препрегов обычно включают:

• Горячий расплав/каландрирование: смоляная пленка наносится и прессуется в пучки волокон между валками, затем температура регулируется для достижения равномерного распределения смолы.
• Пропитка раствором: смола, растворенная в растворителе, проходит через ткань, после чего растворитель удаляется. Для высокопрочных препрегов этот метод применяется реже из-за необходимости обработки растворителем.
• Перенос смоляной пленки: готовые смоляные пленки накладываются на волокна и пропускаются через нагретые ролики.

Цели при оплодотворении:

• Точное содержание смолы (обычно контролируется в узком диапазоне)
• Равномерное смачивание всех волокон (без сухих мест)
• Желаемая объемная доля волокна (Fv)

Производители деталей для автомобилей и мотоциклов часто допускают допуски содержания смолы в пределах нескольких процентов по весу, чтобы гарантировать стабильные механические свойства и качество поверхности после отверждения.

Шаг 4 — B-стадия и охлаждение: фиксация препрега

После пропитки материал частично отверждается (стадия B) для повышения вязкости и липкости до контролируемого уровня. Затем его быстро охлаждают, обычно наматывают на рулоны и хранят в контролируемом холодильном хранилище (морозильной камере). Охлаждение предотвращает дальнейшее отверждение и продлевает срок годности. Типичные условия хранения:

• Хранение в замороженном виде при температуре около -18 °C (0 °F) в течение срока годности, который часто указывается в месяцах (обычно 6–12 месяцев в зависимости от состава)
• Кратковременная обработка при контролируемой температуре (при температуре окружающей среды в течение нескольких часов или дней в зависимости от срока годности продукта)

Для обеспечения однородности необходимы правильные протоколы обработки; тепло или длительное время выдержки снижают липкость и могут изменить свойства конечной детали.

Шаг 5 — Резка, комплектация и выкладка деталей из препрега из углеродного волокна

Препреги разрезаются на слои с помощью режущих столов с ЧПУ для получения точных форм. Для сложныхмотоцикл из углеродного волокнаВ автомобильных деталях каждый слой пронумерован и собран в порядке укладки. В зависимости от сложности и объёма детали может использоваться автоматизация (роботизированная укладка) или ручная укладка. Критические моменты:

• Ориентация слоев должна соответствовать техническим характеристикам (допуски ±0,5° для высокопроизводительных деталей, где это возможно)
• Последовательность слоев контролирует прочность, жесткость и эстетичный вид.
• Этапы удаления лишнего материала (вакуумная и низконапорная консолидация) позволяют удалить скопившийся воздух перед окончательным отверждением.

Хорошие производители предоставляют подробную документацию по выкладке и оснастку, которые гарантируют воспроизводимость каждой партии деталей из препрега из углеродного волокна.

Шаг 6 — Вакуумная упаковка, оснастка и отверждение (автоклав или печь)

Окончательное отверждение обеспечивает целостность ламината под воздействием тепла и давления. Два основных способа отверждения:

• Автоклавное отверждение: высокое давление (часто 3–7 бар) и контролируемые температурные переходы обеспечивают превосходное уплотнение и сокращение пустот — стандарт для деталей аэрокосмической отрасли и многих высококачественных автомобильных деталей.
• Процессы прессования в печи или внеавтоклавного формования (OOA): используйте соответствующие металлические формы или специализированные инструменты для достижения консолидации без полного давления в автоклаве. Препреги OOA имеют специальный химический состав, минимизирующий образование пустот.

Типичный цикл автоклавного отверждения включает в себя повышение температуры до заданного значения, выдержку (выдержку) в течение заданного времени и контролируемое охлаждение. Для максимального повышения температуры стеклования (Tg) обычно применяется пост-отверждение при повышенной температуре.

Шаг 7 — Извлечение из формы, обрезка и вторичные операции

После отверждения и охлаждения детали извлекаются из формы, проверяются и подгоняются под окончательные размеры. Вторичные операции включают:

• Обрезка и сверление с ЧПУ
• Приклеивание вставок или металлической фурнитуры
• Покраска, нанесение прозрачного покрытия или полировка плетения для визуальных компонентов

Контроль допусков и размерная стабильность зависят от качества инструмента и терморегулирования в процессе отверждения. Для изготовления деталей из препрега на заказ из углеродного волокна часто требуется точная обработка на станках с ЧПУ для достижения идеальной посадки и качества сборки в автомобиле.

Шаг 8 — Проверка и обеспечение качества препрега из углеродного волокна

Комплексный контроль качества гарантирует соответствие каждой детали спецификациям. Типичные методы проверки:

• Визуальный осмотр на предмет поверхностных дефектов
• Ультразвуковое С-сканирование и простукивание для выявления внутренних пустот и расслоений
• Ультразвуковой или ультразвуковой толщинометр для измерения толщины ламината
• Механические испытания образцов-купонов на растяжение, сдвиг и межслойные свойства

Прослеживаемость (коды партий волокон и смол) и отчеты о проверках все чаще востребованы производителями оригинального оборудования и требовательными клиентами.

Шаг 9 — Упаковка и хранение: сохранение целостности препрега из углеродного волокна

Готовые детали из препрега или предварительно вырезанные комплекты упаковываются таким образом, чтобы предотвратить попадание влаги, загрязнение и деформацию. При возврате на хранение необработанные рулоны препрега необходимо повторно заморозить в соответствии с рекомендациями производителя. Для поставщиков готовых деталей правильная упаковка минимизирует повреждения при транспортировке и проблемы с внешним видом.

Препреговое углеродное волокно и традиционное мокрое плетение: практическое сравнение

Ниже приведено краткое сравнение, которое поможет покупателям решить, какой процесс соответствует их потребностям.

Источники типичных параметров процесса и компромиссов перечислены в конце статьи.

Лучшие практики производства и распространенные ошибки

Лучшие практики:

• Строгое управление холодовой цепью при хранении и транспортировке препрега
• Подробные документы по компоновке и файлы раскроя для резки с ЧПУ
• Использование этапов дебаллинга и вакуума во время укладки для удаления захваченного воздуха
• Контролируемые уровни отверждения и регистрируемые журналы автоклавирования или печи для прослеживаемости

Распространенные ошибки:

• Длительное время выдержки при температуре окружающей среды приводит к частичному отверждению и плохому закреплению
• Неправильное вакуумирование приводит к пористости
• Неправильная ориентация слоев или неправильное индексирование комплектации, приводящее к ослаблению конструкции

Решение этих проблем сокращает объемы брака, повторной обработки и гарантийные обязательства для коммерческих поставщиков деталей из препрега из углеродного волокна.

Как указать детали из препрега из углеродного волокна при закупке

Если вы покупатель, заказывающий индивидуальные детали из препрега из углеродного волокна (например,детали мотоцикла из углеродного волокнаили автомобильные компоненты), включите в свою спецификацию следующее:

• Система материалов: тип углеродного волокна, плетение и тип смолы (с желаемой Tg)
• График и ориентация слоев (или поставка инженерных чертежей)
• Требования к отделке поверхности (прозрачное покрытие, краска, необработанное плетение)
• Допуски и критические размеры
• Воздействие окружающей среды (УФ, химикаты, рабочая температура)
• Объем производства и ожидаемые сроки поставки

Поставщики, имеющие опыт работы с препрегом из углеродного волокна, преобразуют эти требования в предложения по оснастке, графики выкладки и сметы расходов.

Supreem Carbon: индивидуальные детали из препрега из углеродного волокна и преимущества их производства

Компания Supreem Carbon, основанная в 2017 году, является производителем деталей из углеродного волокна для автомобилей и мотоциклов, специализирующимся на изготовлении деталей по индивидуальному заказу. Мы объединяем НИОКР, проектирование, производство и продажи для предоставления высококачественных продуктов и услуг. Мы специализируемся на технологических исследованиях и разработках изделий из углеродного композита и производстве сопутствующих товаров. Наши основные предложения включают в себя изготовление на заказ и модификациюаксессуары из углеродного волокнадля транспортных средств, а также производство багажа и спортивного инвентаря из углеродного волокна.

Основные производственные преимущества Supreem Carbon для проектов по производству препрегов из углеродного волокна:

• Опытный научно-исследовательский и технический персонал: 45 квалифицированных производственных и технических сотрудников поддерживают разработку технологических процессов и контроль качества.
• Специализированная производственная мощность: ~4500 м2 производственных площадей, обеспечивающих стабильное производство и быстрое масштабирование.
• Широкий ассортимент продукции и возможность ее персонализации: более 1000 типов продукции, в том числе более 500 изготовленных на заказ деталей из углеродного волокна, что свидетельствует об опыте в области инструментальной и производственной оснастки.
• Процессы, ориентированные на качество: использование точной резки с ЧПУ, контролируемое хранение, возможность отверждения в автоклавах и печах, а также тщательные режимы проверки для поставки однородных деталей.

Основные категории продуктов:

• Детали мотоцикла из углеродного волокна: обтекатели, крылья, элементы отделки с подгонкой и отделкой уровня OEM
• Автомобильные детали из углеродного волокна: внутренняя отделка, внешние аэродинамические детали, легкие панели
• Детали из углеродного волокна, изготовленные на заказ: индивидуальные проекты для производителей оригинального оборудования, тюнеров и мелкосерийных производителей

Видение Supreem Carbon — стать мировым лидеромпроизводитель изделий из углеродного волокна. Для запросов, каталогов продукции и обсуждения проектов посетитеhttps://www.supreemcarbon.com/.

Ожидания по качеству, срокам поставки и стоимости для деталей из препрега из углеродного волокна

Качество: Ожидается стабильное качество механических свойств и превосходное качество поверхности по сравнению с процессами мокрой выкладки. Поставщики должны предоставить технические характеристики материалов и образцы.

Сроки выполнения: Для проектов по созданию новой оснастки сроки выполнения обычно включают проектирование и изготовление оснастки (2–8 недель в зависимости от сложности), закупку препрега, изготовление образцов и их валидацию (2–6 недель). Производство может быть сокращено после валидации оснастки и комплектации. Размеры партий и индивидуальные требования к отделке влияют на сроки выполнения.

Стоимость: Детали из препрега, как правило, дороже, чем детали, изготовленные методом влажной выкладки, из-за стоимости материалов, специальной обработки, инструмента и автоклавного отверждения. Однако стоимость одной детали снижается с увеличением объёма производства и уровня автоматизации; для высокопроизводительных или видимых компонентов высокое качество часто оправдывается производительностью и внешним видом.

Вопросы охраны окружающей среды, здоровья и безопасности

При работе с препрегом из углеродного волокна необходимо уделять внимание:

• Контроль пыли во время обрезки (используйте пылесосы HEPA и средства индивидуальной защиты при резке отвержденных компонентов)
• Безопасное обращение и хранение смол и препрегов (холодильная цепь и контроль разливов)
• Правильная вентиляция во время операций вторичной обработки и нанесения покрытий

Соблюдение нормативных требований (местных стандартов безопасности и правил утилизации отходов) является частью ответственной практики производства и цепочки поставок.

Часто задаваемые вопросы — Препрег из углеродного волокна: ответы на часто задаваемые вопросы

В: Каков типичный срок годности препрега из углеродного волокна?A: Срок годности зависит от рецептуры и условий хранения. Многие препреги, хранящиеся при температуре около -18°C, имеют срок годности в морозильной камере 6–12 месяцев; для некоторых специализированных систем срок годности может отличаться. Производители указывают предельные сроки годности для хранения при температуре окружающей среды.

В: Можно ли изготавливать препреговые детали без автоклава?О: Да — препреги, изготовленные без автоклава (OOA), и процессы литья под давлением позволяют проводить отверждение в печи без высокого давления в автоклаве. Однако автоклавное отверждение, как правило, обеспечивает меньшее содержание пустот и предпочтительно для деталей с самыми высокими эксплуатационными характеристиками.

В: Как выбрать между саржевым и полотняным переплетением препрега из углеродного волокна по внешнему виду?О: Саржевое переплетение популярно для изготовления видимых деталей автомобилей и мотоциклов благодаря своему диагональному, привлекательному рисунку и драпируемости; полотняное переплетение создаёт эффект шахматной доски и зачастую более прочное. Однонаправленные (UD) ленты используются там, где критически важна направленная прочность.

В: Поддаются ли ремонту детали из препрега с углеродным волокном?A: Небольшой локальный ремонт (инъекции смолы, заплатки) возможен, но требует применения соответствующих методов ремонта композитных материалов. Крупный структурный ремонт часто требует замены деталей для обеспечения их работоспособности.

В: Является ли препрег более экологичным, чем мокрая выкладка?A: Препреги могут сократить отходы за счёт точного использования смолы и повышения выхода годных изделий, но системы смол и переработка отходов после окончания срока службы остаются проблемами для всех термореактивных композитов. Исследования в области перерабатываемых матриц и термопластичных препрегов продолжаются.

Свяжитесь с Supreem Carbon — запросите предложение или ознакомьтесь с нашей продукцией

Для заказа деталей из препрега из углеродного волокна, изготовления прототипов или серийного производства деталей для мотоциклов, автомобилей или других деталей из углеродного волокна по индивидуальному заказу, пожалуйста, свяжитесь с Supreem Carbon. Посетите наш веб-сайт:https://www.supreemcarbon.com/Чтобы просмотреть категории продукции или запросить коммерческое предложение, наша команда проконсультирует вас по выбору материалов, инструмента и срокам изготовления в соответствии с целями вашего проекта.

Ссылки и источники

• Техническая литература и информация о продукции от основных поставщиков и производителей препрегов (например, Hexcel, Toray) относительно хранения препрегов, циклов отверждения и выбора материала.
• Отраслевые статьи и технические обзоры CompositesWorld о методах производства препрегов и обработке в автоклаве по сравнению с OOA.
• Стандартные методы производства композитных материалов, описанные в руководствах по композитным материалам и их обработке (общий отраслевой консенсус по методам вакуумной упаковки, удаления лишнего материала и контроля качества).