Σωλήνας από άνθρακα με διαδικασία πουλτρούσιον έναντι χάλυβα: Τι λέω στους αγοραστές πριν παραγγείλουν

Είναι 1989 που εργάζομαι στον τομέα των σύνθετων υλικών. Αρχικά με χειροκίνητη επίστρωση, στη συνέχεια με επαγωγική επεξεργασία από τα μέσα της δεκαετίας του 1990 και έχω διεξαγάγει περισσότερες γραμμές από όσες θυμάμαι. Κάθε εβδομάδα κάποιος τηλεφωνεί και ρωτάει το ίδιο πράγμα. Μπορεί ένας εξαγόμενο καρβόνιο ινων tube να αντικαταστήσει τον χαλύβδινο σωλήνα στην κατασκευή τους;

Μερικές φορές η απάντηση είναι ναι και δεν υπάρχει καν σύγκριση. Μερικές φορές τους αποτρέπω και χάνω την παραγγελία. Αυτό είναι εντάξει. Ένας σωλήνας που αποτυγχάνει στο πεδίο κοστίζει και στους δύο μας περισσότερο από έναν σωλήνα που δεν πούλησα ποτέ.

Η πυκνότητα είναι ολόκληρο το επιχείρημα

Η πυκνότητα του CFRP σε σύγκριση με τον χάλυβα είναι ο πρώτος αριθμός που αναφέρω. Το πολυμερές ενισχυμένο με ίνες άνθρακα κυμαίνεται στα 1,55 έως 1,60 g/cm³. Ο ήπιος χάλυβας είναι 7,85. Το αλουμίνιο είναι 2,70. Αν αντικαταστήσετε τον έναν με τον άλλο σε ταυτόσημες διαστάσεις, μειώνετε το βάρος κατά περίπου 80 τοις εκατό.

Αλλά κανείς δεν αγοράζει πραγματικά με αυτόν τον τρόπο. Ξανασχεδιάζεις γύρω από το υλικό, και όταν το κάνεις, η ειλικρινής εξοικονόμηση κυμαίνεται μεταξύ 55 και 70 τοις εκατό σε ίση καμπτική δυσκαμψία. Εξακολουθεί να είναι τεράστια. Σε ένα δίμετρο ιστό, αυτό είναι η διαφορά μεταξύ ενός ανθρώπου που τον μεταφέρει και δύο ανθρώπων που βρίζουν.

Αυτό το κενό είναι ο λόγος για τον οποίο το ελκυστικός σωλήνας από άνθρακα  εμφανίζεται πρώτο όποτε ένας αγοραστής έχει σκληρό ορισμένο ανώτατο όριο βάρους και δεν υπάρχει πλέον χώρος στο σχεδιασμό.

Αυτό είναι το σημείο που παραλείπουν οι περισσότεροι προμηθευτές. Ο μέτρος ελαστικότητας του χάλυβα είναι 200 έως 210 GPa. Το τυπικού μέτρου εκτανόμενο CFRP έχει μέτρο 130 έως 165 GPa κατά την αξονική κατεύθυνση, ανάλογα με το κλάσμα όγκου των ινών. Ανά κιλό, το άνθρακας κερδίζει κατά παράγοντα οκτώ περίπου. Ανά μονάδα διατομής, ο χάλυβας είναι πιο δύσκαμπτος. Αν η εργασία σου είναι περιορισμένη ως προς τον χώρο και όχι ως προς το βάρος, ο χάλυβας είναι η καλύτερη επιλογή και θα το πω ξεκάθαρα στο τηλέφωνο.

Αριθμοί Αντοχής Που Έχουν Νόημα

Η αντοχή των σωλήνων από ίνες άνθρακα είναι το σημείο όπου η διαφήμιση γίνεται ανόητη. Τα φύλλα πωλήσεων αναφέρουν 3.500 MPa, επειδή αυτή είναι η εφελκυστική αντοχή της ακατέργαστης ίνας, όχι του σύνθετου υλικού. Αγνόησε αυτούς τους αριθμούς.

Ένα πραγματικό μονοκατευθυντικό προφίλ από ανθρακονήματα, που παράγεται με διέλαση, με όγκο ίνας 55 έως 65 τοις εκατό, παρέχει εφελκυσμό κατά μήκος του άξονα 1.500 έως 2.400 MPa με ροβίνγκ κλάσης T700. Το χάλυβας Q235 παρουσιάζει όριο ροής περίπου 370 έως 500 MPa. Αν διαιρέσετε με την πυκνότητα, η διαφορά στην ειδική αντοχή είναι περίπου 15 έως 20 φορές. Αυτός είναι ο αριθμός που αξίζει να ληφθεί υπόψη κατά τον σχεδιασμό.

Ο εγκάρσιος εφελκυσμός είναι διαφορετική υπόθεση, και είναι ο αριθμός που κανείς δεν δημοσιεύει. Ίσως 30 έως 60 MPa, επειδή το φορτίο μεταφέρεται από τη ρητίνη, όχι από τις ίνες. Η διαστρωματική διάτμηση κυμαίνεται από 40 έως 70 MPa. Εκεί προκύπτουν οι αστοχίες. ελκυστικός σωλήνας από άνθρακα σε λειτουργία σχεδόν ποτέ δεν αστοχεί σε αξονικό εφελκυσμό. Αστοχεί επειδή κάτι το συμπιέζει πλευρικά.

Τι σας προσφέρει η διέλαση και τι σας στερεί

Η διέλαση τραβά συνεχή ροβίνγκ μέσα από λουτρό ρητίνης και στη συνέχεια μέσα σε θερμαινόμενο καλούπι. Όλα λειτουργούν σε μηδενική γωνία. Λαμβάνετε το υψηλότερο ποσοστό όγκου ινών που είναι διαθέσιμο σε οποιαδήποτε βιομηχανική διαδικασία, καθώς και αξονική δυσκαμψία που κανένας σωλήνας με τυλιγμένη επιφάνεια δεν μπορεί να ανταγωνιστεί στην ίδια τιμή.

Αυτό που δεν λαμβάνετε είναι η αντοχή σε οπισθοδρόμηση (hoop strength). Συνήθως υπάρχει μια επιφανειακή μεμβράνη, και μερικές φορές ένα ελαφρύ πλεγμένο ύφασμα (stitch mat) στις πιο βαριές περιοχές — και αυτό είναι σχεδόν το σύνολο. Οι σωλήνες που τυλίγονται σε ρολό (roll-wrapped) περιέχουν στρώματα σε γωνίες ±45 μοιρών. Σωλήνας από παρασυρόμενο (pultruded) ανθρακονήμα ουσιαστικά δεν την έχει. Γι’ αυτό αντιπαθεί τη στρέψη και αντιπαθεί επίσης τα εντοπισμένα ακτινικά φορτία.

Παρακολούθησα το 2019 έναν πελάτη να έχει τον 14 mm μαστό του να ραγίζει κατά μήκος ολόκληρης της διάστασής του. Ένας σφιγκτήρας σωλήνα (hose clamp), σφιγμένος με ηλεκτρικό δράπανο. Ο σφιγκτήρας δεν γλίστρησε ποτέ. Ο σωλήνας απέτυχε πρώτος — σε οπισθοδρόμηση (hoop failure) — σε περίπου το ένα τρίτο του φορτίου που θα μπορούσε να αντέξει σε καθαρή κάμψη.

Αυτός ο ήχος μένει για πάντα στη μνήμη σας.

Επιλογή Διαστάσεως Χωρίς Να Ενοχληθείτε

Η επιλογή διαστάσεως είναι εκεί όπου παρατηρώ τα πιο ακριβά λάθη. Κάθε σωλήνας από παρασυρόμενο ανθρακονήμα πωλείται με βάση την εξωτερική διάμετρο (OD), την εσωτερική διάμετρο (ID) και το μήκος· οι αγοραστές επικεντρώνονται συνήθως στις δύο πρώτες, ενώ η τρίτη καθορίζει κατά πόσο το αντικείμενο λειτουργεί καθόλου.

Aσωλήνας ανθρακονήματος 6 mm είναι το μικρότερο άκρο του καταλόγου. Συνήθως 6 mm εξωτερική διάμετρος, 1 mm πάχος τοιχώματος. Βραχίονες drones σε ελαφριά τετρακόπτερα, άκρα ράβδων σκηνών, ράβδοι ελέγχου RC, συνδέσμους ενεργοποιητών. Στα 1 mm, το στρώμα είναι τόσο λεπτό, ώστε ένα απρόσεκτο τρυπάνι μπορεί να προκαλέσει αποστρώματοποίηση στην πλευρά εξόδου, και δεν υπάρχει δυνατότητα επισκευής. Υποστηρίξτε το με ένα βύσμα ή αποδεχθείτε την τριχοειδή διάσπαση.

Οι άνθρακος-ίνες σωλήνες διαμέτρου 14 mm είναι αυτοί που αναφέρω συχνότερα. 14 × 12 ή 14 × 10, μερικές φορές σε τηλεσκοπικά σύνολα. Οι συσκευές ολίσθησης καμερών, οι ράβδοι κλαδέματος, οι ράβδοι γεωδαισίας, οι δοκοί χαρταετών και οι κεραίες. Το πάχος του τοιχώματος σε αυτήν τη διάμετρο είναι η πραγματική απόφαση, και οι περισσότεροι επιλέγουν υπερβολικά λεπτό. 1 mm σε σωλήνα 14 mm είναι σαν καλαμάκι υπό καμπτικό φορτίο.

Ένας σωλήνας από ίνες άνθρακα μήκους 2000 mm αλλάζει εντελώς τη συζήτηση. Σε δύο μέτρα, η γεωμετρία υπερισχύει του υλικού. Ένας σωλήνας διαμέτρου 14 mm που φορτίζεται στην άκρη του καθορίζεται από το λυγισμό, όχι από την αντοχή. Ο τύπος του Euler δίνει P_critical = π²EI / (KL)². Διπλασιάστε το μήκος και η κρίσιμη φόρτιση μειώνεται κατά τέσσερις φορές. Έχω δει αγοραστές να ζητούν 2000 mm σωλήνα διαμέτρου 6 mm για φόρτιση 5 kg στην άκρη. Τα μαθηματικά έλεγαν «όχι» πριν ακόμα σηκώσω το τηλέφωνο. Θα έλυγε σαν νούδλες και στη συνέχεια θα συνεθλίβετο.

Για τηλεσκοπική χρήση, ζητήστε εγγράφως πληροφορίες για την οβαλότητα και την ευθυγράμμιση. Ένα χιλιοστό ανά μέτρο είναι κανονικό. Η ανοχή της εξωτερικής διαμέτρου (OD) ±0,1 έως 0,2 mm είναι εφικτή· οι φθηνότεροι προμηθευτές δεν την επιτυγχάνουν, και αυτός είναι ο λόγος που οι τμήσεις σας κολλάνε στο μισό δρόμο στο πεδίο.

Πότε είναι σωστό το 4 ίντσες και πότε είναι ανόητο

Aσωλήνας από ίνες άνθρακα 4 ιντσών έχει εξωτερική διάμετρο (OD) 101,6 mm. Αυτό είναι δομή, όχι εξοπλισμός. Χρειάζεστε τουλάχιστον 4 έως 6 mm πάχος τοίχωμα, διαφορετικά θα έχετε τοπικό λυγισμό πολύ πριν φτάσετε κοντά στα όρια του υλικού.

Το εργαλείωμα γι' αυτό το μέγεθος είναι ακριβό. Μεγάλο καλούπι, ισχυρός ελκυστήρας και η εξώθερμη αντίδραση στο εσωτερικό ενός παχύτερου τμήματος δημιουργεί πρόβλημα από μόνη της. Η ρητίνη στο κέντρο ενός τοιχώματος 6 mm μπορεί να υποστεί έντονη εξώθερμη αντίδραση, αρκετά ισχυρή για να ραγίσει το στρώμα από το εσωτερικό προς τα έξω. Δεν θα το δείτε ποτέ από το εξωτερικό.

Τμηματοποιούμε και εξετάζουμε κάθε παρτίδα με παχιά τοιχώματα. Σε μία παραγγελία το 2021 ζήτησα αυτή τη διαδικασία μετά την παρατήρηση επιφανειακής ποιότητας που φαινόταν υπερβολικά καλή, και ανακάλυψα ραγίσματα στο κέντρο σε τρία από τα δέκα δείγματα. Απέρριψα ολόκληρη την παρτίδα. Ο προμηθευτής επέμενε επί μία εβδομάδα.

Στα 4 ίντσες, ρωτήστε τον εαυτό σας αν χρειάζεστε άνθρακα σε όλο το μήκος. Ένα υβριδικό στρώμα — άνθρακας στο εξωτερικό για σκληρότητα και γυαλί στο εσωτερικό για χαμηλότερο κόστος και καλύτερη αντοχή σε κρούσεις — προσφέρει συχνά το 80% της απόδοσης με το μισό κόστος. Το λέω αυτό συνεχώς. Μου κόβει περιθώριο κέρδους, και όμως το λέω ξανά και ξανά.

Πώς οι αγοραστές καταστρέφουν μόνοι τους τους σωλήνες τους

Οι σφιγκτήρες είναι ο αριθμός ένα εχθρός. Μην τοποθετείτε ποτέ σφιγκτήρες απευθείας επάνω σε επιφάνεια που έχει παραχθεί με διέλαση. Κολλήστε ένα αλουμινένιο δακτύλιο, τοποθετήστε ένα εσωτερικό βύσμα ή χρησιμοποιήστε ένα διχοτομούμενο μπλοκ με ελαστικό επένδυμα. Το σωλήνα δεν ενδιαφέρεται για τη ροπή σφίξιμος του σφιγκτήρα σας.

Υπάρχει επίσης η γαλβανική διάβρωση. Η άνθρακο-ίνα είναι ηλεκτρικά αγώγιμη και πιο «ευγενής» από το αλουμίνιο ή το χάλυβα. Στερεώστε ένα ελκυστικός σωλήνας από άνθρακα  σε αλουμινένια βάση σε υγρό περιβάλλον και η βάση διαλύεται. Έχω δει παντούνια να επιστρέφουν μετά από δεκαοκτώ μήνες σε θαλάσσιο περιβάλλον με το εξάρτημα να έχει μετατραπεί σε γκρι πάστα. Απομονώστε με ένα στρώμα γυάλινου υφάσματος ή χρησιμοποιήστε ανοξείδωτο χάλυβα με κατάλληλο στεγανοποιητικό και αποδεχτείτε το διάστημα συντήρησης.

Η κοπή είναι η τρίτη πρόκληση. Κόβετε με νερό, χρησιμοποιείτε απορρόφηση σκόνης και φοράτε πραγματική προστασία της αναπνοής. Η σκόνη άνθρακα είναι αγώγιμη και διαδίδεται. Ένα εργαστήριο που επισκέφθηκα το 2017 κατέστρεψε έναν ελεγκτή CNC επειδή έκοβαν σωλήνες στο ίδιο πάγκο όπου συνέρραπταν ηλεκτρονικά. Η σκόνη καθίζει μέσα στον πίνακα και προκάλεσε βραχυκύκλωμα στην πλακέτα. Μην κόβετε άνθρακα οπουδήποτε κοντά στην περιοχή συναρμολόγησής σας.

Στη συνέχεια, θέρμανση. Τα τυπικά εποξειδικά συστήματα στη διαδικασία παλουστρούσιον έχουν θερμοκρασία γυάλινης μετάβασης (Tg) κάπου μεταξύ 80 και 120 °C. Ένα μαύρο σωλήνας που αφήνεται στον άμεσο ήλιο στην Σιντζιάνγκ θα πλησιάσει αυτήν την τιμή ακόμη και πριν τον φορτώσετε. Η ελαστικότητα μειώνεται καθώς πλησιάζετε την Tg. Δεν πρόκειται για αξίωση εγγύησης, αλλά για φυσική.

Το Κόστος, Περίπου

Οι αγοραστές ζητούν πάντα έναν αριθμό πριν μου αναφέρουν την εφαρμογή. Ως εκ τούτου, παραθέτω το εύρος τιμών, το οποίο μεταβάλλεται με τις τιμές των ροβινγκ, οι οποίες έχουν είναι ασταθείς από το 2022.

Ένας σωλήνας διαμέτρου 6 mm με ροβινγκ κλάσης T300 κοστίζει περίπου 3 έως 6 δολάρια ανά μέτρο σε μεγάλες ποσότητες. Οι σωλήνες διαμέτρου 14 mm κοστίζουν 8 έως 15 δολάρια. Μεταβαίνοντας σε ροβινγκ κλάσης T700, η τιμή αυξάνεται κατά 30 έως 40 τοις εκατό, επειδή το ίδιο το ροβινγκ είναι ακριβότερο, όχι επειδή κάποιος προσθέτει περιθώριο. Ένας σωλήνας διαμέτρου 4 ιντσών με τοίχωμα 5 mm κοστίζει 120 έως 200 δολάρια ανά μέτρο, και πληρώνετε τόσο για τον χρόνο χρήσης της μήτρας όσο και για το υλικό.

Ένας αδιάβροχος χάλυβας σωλήνας με αντίστοιχη εξωτερική διάμετρο κοστίζει 2 έως 4 δολάρια ανά μέτρο. Αυτός ο λόγος εκπλήσσει τους ανθρώπους που διαβάζουν μόνο τον πίνακα πυκνότητας. Ένα ελκυστικός σωλήνας από άνθρακα είναι πέντε έως τριάντα φορές το κόστος του υλικού, και το αγοράζετε επειδή η εξοικονόμηση βάρους αποδίδει κόστος σε μεταγενέστερα στάδια: στις μεταφορές, στο εργατικό κόστος εγκατάστασης, στον κινητήρα που δεν χρειάζεστε πλέον ή στο φορτίο που μπορείτε τώρα να μεταφέρετε.

Αν κανένα από αυτά δεν ισχύει, αγοράστε χάλυβα. Εννοώ ακριβώς αυτό.

Τι να ρωτήσετε πριν στείλετε την παραγγελία αγοράς

Ρωτήστε για την κατηγορία της ροβίνγκ: T300, T700 ή κάτι χωρίς ετικέτα από το απόθεμα ενός μεσίτη. Ρωτήστε για τον όγκο των ινών (fiber volume fraction), και αν δεν μπορούν να σας το δώσουν, δεν το έχουν ποτέ μετρήσει. Ρωτήστε ποιο σύστημα ρητίνης χρησιμοποιούν—εποξειδική ή βινυλεστέρ—και ποια είναι η θερμοκρασία γυάλινης μετάβασης (Tg). Ρωτήστε επίσης για την ανοχή ευθυγράμμισης, εγγεγραμμένη γραπτώς.

Ζητήστε δείγμα πλήρους μήκους, όχι αποκομμένο τμήμα 200 mm. Τα αποκομμένα τμήματα κρύβουν καμπύλωση, στρέψη και γραμμές καλουπιού που εμφανίζονται μόνο σε μήκος δύο μέτρων και πάνω. Ρωτήστε αν διενεργούν δοκιμές σύμφωνα με το ASTM D3916 ή το ISO 527, ή αν απλώς ελέγχουν ένα δείγμα τον μήνα και ελπίζουν.

Aκατασκευαστής ελασμάτων άνθρακα με διέλαση ο κατασκευαστής που δεν μπορεί να σας πει το μέγεθος των νημάτων (tow size) στη ροβίνγκ που χρησιμοποιεί στο δικό του καλούπι, απλώς μαντεύει, και εσείς είναι αυτός που πληρώνει όταν η μαντεψιά είναι λανθασμένη.

Επίσης, εξοφλήστε εκ των προτέρων τα έξοδα εργαλειοθηκών και την ελάχιστη ποσότητα παραγγελίας (MOQ). Τα τυποποιημένα μεγέθη αποστέλλονται σε λίγες ημέρες. Ένα προσαρμοσμένο προφίλ διαμέτρου 4 ιντσών με τοίχωμα 5 mm σημαίνει νέο καλούπι, χρόνο παραγωγής τρεις έως πέντε εβδομάδες και επιπλέον χρέωση για εργαλειοθήκη. Κανείς δεν το ακούει με χαρά, αλλά είναι καλύτερο από μια έκπληξη στον τιμοκατάλογο.

Ο χάλυβας δεν έχει πεθάνει

Χρησιμοποιώ χάλυβα. Είναι φθηνός, είναι ανθεκτικός, αντέχει σκληρή χρήση, η υπεριώδης ακτινοβολία δεν τον επηρεάζει καθόλου και μπορείτε να τον συγκολλήσετε στο πεδίο με γεννήτρια και γωνιακό τροχό.

Το ανθρακούχο υλικό είναι η λύση όταν το βάρος είναι το πρόβλημα που δεν μπορείτε να επιλύσετε με κανέναν άλλο τρόπο. Ένα ελκυστικός σωλήνας από άνθρακα κάνει κάτι που κανένα μέταλλο δεν μπορεί: μεταφέρει σημαντικά φορτία με το ένα πέμπτο της μάζας. Σεβαστείτε τα όριά του και θα διαρκέσει περισσότερο από τον χάλυβα που αντικαταστήσατε.

Αγνοήστε αυτά τα όρια και θα με καλέσετε σε δεκαοκτώ μήνες, ρωτώντας γιατί έσπασε.