पुल्ट्रूड कार्बन फाइबर ट्यूब बनाम स्टील: खरीदारों को ऑर्डर देने से पहले मैं जो कहता हूँ

मैं १९८९ से कॉम्पोज़िट्स के क्षेत्र में हूँ। पहले हैंड ले-अप, फिर मध्य-१९९० के दशक से पुल्ट्रूज़न, और मैंने जितनी लाइनें खींची हैं उनकी गिनती मुझे याद नहीं है। हर सप्ताह कोई न कोई फ़ोन करके एक ही सवाल पूछता है। क्या उनके निर्माण में स्टील ट्यूब की जगह पुल्ट्रूड कार्बन फाइबर ट्यूब का उपयोग किया जा सकता है?

कभी-कभी उत्तर हाँ होता है, और वह भी बिल्कुल स्पष्ट रूप से। कभी-कभी मैं उन्हें इससे मना कर देता हूँ, और ऑर्डर खो जाता है। यह ठीक है। क्योंकि क्षेत्र में विफल होने वाली एक ट्यूब, मैंने जो ट्यूब कभी नहीं बेची, उससे दोनों के लिए अधिक लागत लाती है।

घनत्व ही पूर्ण तर्क है

सीएफआरपी का घनत्व बनाम स्टील, यह वह पहली संख्या है जो मैं तालिका पर रखता हूँ। कार्बन फाइबर रिनफोर्स्ड पॉलिमर का घनत्व १.५५ से १.६० ग्राम/घन सेमी होता है। माइल्ड स्टील का घनत्व ७.८५ है। एल्युमीनियम का घनत्व २.७० है। यदि समान आयामों पर एक को दूसरे से बदला जाए, तो वजन में लगभग ८० प्रतिशत की कमी आ जाती है।

लेकिन कोई भी व्यक्ति वास्तव में उस तरह से खरीदारी नहीं करता। आप सामग्री के आधार पर पुनः डिज़ाइन करते हैं, और जब आप ऐसा करते हैं, तो सच्ची बचत समान बेंडिंग दृढ़ता पर ५५ से ७० प्रतिशत के बीच होती है। अभी भी बहुत बड़ी है। दो-मीटर के मस्तूल पर यह एक व्यक्ति द्वारा उसे ले जाने और दो व्यक्तियों द्वारा गाली देने के बीच का अंतर है।

यह अंतर इसलिए है क्योंकि पल्ट्रूड कार्बन फाइबर ट्यूब  किसी भी खरीदार के पास कठोर वजन सीमा होने और डिज़ाइन में कोई स्थान शेष न होने पर सबसे पहले दिखाई देती है।

यह वह हिस्सा है जिसे अधिकांश आपूर्तिकर्ता छोड़ देते हैं। स्टील का मॉड्यूलस २०० से २१० जीपीए होता है। मानक-मॉड्यूलस पल्ट्रूड सीएफआरपी का अक्षीय दिशा में मॉड्यूलस, फाइबर आयतन अंश के आधार पर, १३० से १६५ जीपीए होता है। प्रति किलोग्राम, कार्बन लगभग आठ गुना बेहतर है। प्रति इकाई अनुप्रस्थ काट के लिए, स्टील अधिक दृढ़ है। यदि आपका कार्य स्थान-प्रतिबंधित है न कि वजन-प्रतिबंधित, तो स्टील बेहतर विकल्प है और मैं फ़ोन पर भी यही कहूँगा।

ऐसी ताकत की संख्याएँ जिनका कोई अर्थ होता है

कार्बन फाइबर ट्यूब की ताकत के बारे में विपणन बहुत अतिशयोक्तिपूर्ण हो जाता है। बिक्री शीट्स में ३,५०० एमपीए का उल्लेख किया जाता है क्योंकि यह कच्चे फाइबर के फिलामेंट तन्य सामर्थ्य का मान है, न कि लैमिनेट का। उन्हें अनदेखा कर दें।

वास्तविक एकदिशिक कार्बन फाइबर पल्ट्रूड प्रोफ़ाइल, जिसमें ५५ से ६५ प्रतिशत फाइबर आयतन हो, T700-श्रेणी के रोविंग के साथ अक्षीय तन्य सामर्थ्य के रूप में १,५०० से २,४०० एमपीए प्रदान करता है। Q235 इस्पात का यील्ड लगभग ३७० से ५०० एमपीए होता है। घनत्व से भाग देने पर विशिष्ट सामर्थ्य का अंतर लगभग १५ से २० गुना होता है। यही वह संख्या है जिसके आधार पर डिज़ाइन करना उचित है।

अनुप्रस्थ तन्य सामर्थ्य एक अलग कहानी है, और यह वह संख्या है जिसे कोई भी प्रिंट नहीं करता। शायद ३० से ६० एमपीए, क्योंकि भार वहन करने वाला फाइबर नहीं, बल्कि रेजिन होता है। अंतर-लैमिनर अपरूपण ४० से ७० एमपीए के बीच होता है। यहीं से विफलताएँ उत्पन्न होती हैं। एक पल्ट्रूड कार्बन फाइबर ट्यूब सेवा में लगाए जाने पर लगभग कभी भी अक्षीय तनाव में विफल नहीं होता। यह तब विफल होता है जब कुछ इसे पार्श्व रूप से दबाता है।

पल्ट्रूज़न आपको क्या देता है, और क्या छीन लेता है

पुल्ट्रूशन निरंतर रोविंग को एक रेज़िन स्नान से होकर और एक गरम डाई में खींचता है। सब कुछ शून्य डिग्री पर चलता है। आपको किसी भी सामान्य प्रक्रिया में उपलब्ध सबसे अधिक फाइबर आयतन अनुपात मिलता है, और अक्षीय दृढ़ता जो रोल-लपेटे गए ट्यूब के समान मूल्य पर भी प्राप्त नहीं की जा सकती।

जो आपको नहीं मिलता है, वह है वलयाकार शक्ति। आमतौर पर एक सतह वील होती है, कभी-कभी भारी अनुभागों में हल्का स्टिच मैट होता है, और इतना ही। रोल-लपेटे गए ट्यूब में ±४५ डिग्री की परतें होती हैं। पुल्ट्रूड कार्बन ट्यूब मूल रूप से ऐसा नहीं करता है। इसलिए यह टॉर्शन को नहीं सहन कर सकता, और साथ ही साथ सांद्रित त्रिज्या भार को भी नहीं सहन कर सकता।

मैंने २०१९ में एक ग्राहक के १४ मिमी के मस्तूल को उसकी पूरी लंबाई में फटते हुए देखा। एक होज़ क्लैंप, जिसे बैटरी ड्रिल से कसा गया था। क्लैंप कभी नहीं फिसला। ट्यूब पहले वलयाकार दिशा में विफल हो गया, शुद्ध बेंडिंग की तुलना में लगभग एक तिहाई भार पर।

वह आवाज़ आपके मन में बनी रहती है।

बिना शर्मिंदा हुए आकार चुनना

आकार निर्धारण वह स्थान है जहाँ मैं सबसे महंगी गलतियाँ देखता हूँ। प्रत्येक पल्ट्रूड कार्बन फाइबर ट्यूब को बाहरी व्यास (OD), आंतरिक व्यास (ID) और लंबाई के आधार पर बेचा जाता है, और खरीदार पहले दो पर ध्यान केंद्रित करते हैं, जबकि तीसरा यह तय करता है कि वस्तु काम करेगी या नहीं।

ए ६ मिमी कार्बन फाइबर ट्यूब कैटलॉग के छोटे छोर पर है। आमतौर पर ६ मिमी OD, १ मिमी दीवार मोटाई। हल्के क्वाड्रोकॉप्टर्स के ड्रोन आर्म्स, टेंट के ध्रुवों के सिरे, RC पुशरॉड्स, एक्चुएटर लिंक्स। १ मिमी की मोटाई पर लैमिनेट इतना पतला होता है कि लापरवाही से ड्रिल बिट निकास के पक्ष को डिलैमिनेट कर सकती है, और इसकी मरम्मत असंभव है। इसे एक प्लग के साथ सहारा दें या फटने को स्वीकार करें।

१४ मिमी कार्बन फाइबर ट्यूब वह आकार है जिसका मैं सबसे अधिक उल्लेख करता हूँ। १४ × १२ या १४ × १०, कभी-कभी टेलीस्कोपिंग सेट्स। कैमरा स्लाइडर्स, काटने के लिए उपयोग किए जाने वाले ध्रुव, सर्वेक्षण ध्रुव, पतंग के स्पार्स, एंटीना मस्तूल। इस व्यास पर दीवार की मोटाई वास्तविक निर्णय का मुद्दा है, और अधिकांश लोग बहुत पतला चुनते हैं। १४ मिमी ट्यूब पर १ मिमी मोटाई बंद करने के भार के तहत एक पीने की भाँति है।

2000 मिमी कार्बन फाइबर ट्यूब पूरी चर्चा ही बदल देती है। दो मीटर की लंबाई पर ज्यामिति, सामग्री से अधिक महत्वपूर्ण हो जाती है। एक 14 मिमी ट्यूब जिसके शीर्ष पर भार लगाया गया हो, उसका व्यवहार विक्षेपण (बकलिंग) द्वारा नियंत्रित होता है, न कि ताकत द्वारा। यूलर का सूत्र आपको P क्रिटिकल = π²EI / (KL)² देता है। लंबाई को दोगुना करने पर क्रिटिकल भार चार गुना कम हो जाता है। मैंने खरीदारों को 5 किग्रा शीर्ष भार के लिए 2000 मिमी की 6 मिमी ट्यूब के विनिर्देश देते देखा है। फ़ोन उठाने से पहले ही गणित ने 'नहीं' कह दिया था। यह एक नूडल की तरह मुड़ जाती और फिर मुड़कर समाप्त हो जाती।

टेलीस्कोपिंग कार्य के लिए, अंडाकारता (ओवैलिटी) और सीधापन के बारे में लिखित में पूछें। एक मीटर प्रति एक मिमी सामान्य है। बाहरी व्यास की सहनशीलता ±0.1 से 0.2 मिमी तक प्राप्त की जा सकती है, और सस्ते आपूर्तिकर्ता इसे प्राप्त नहीं कर पाएँगे—जिसके कारण आपके अनुभाग क्षेत्र में आधे तक निकलने पर अटक जाते हैं।

जब 4 इंच सही है, और जब यह मूर्खतापूर्ण है

ए 4 इंच कार्बन फाइबर ट्यूब का बाहरी व्यास 101.6 मिमी है। यह एक संरचना है, न कि कोई हार्डवेयर। आपको कम से कम 4 से 6 मिमी की दीवार मोटाई की आवश्यकता होती है, अन्यथा आप सामग्री की सीमाओं के निकट भी पहुँचने से पहले ही स्थानीय विक्षेपण (लोकल बकलिंग) का शिकार हो जाएँगे।

उस आकार के लिए टूलिंग महंगी होती है। बड़ा डाई, भारी पुलर, और मोटे अनुभाग के अंदर उत्सर्जक ऊष्मा (एक्सोथर्म) अपनी ओर से एक समस्या है। ६ मिमी की दीवार के केंद्र में रेजिन इतनी तेज़ी से उत्सर्जक ऊष्मा उत्पन्न कर सकती है कि लैमिनेट अंदर से बाहर तक फट जाए। आप इसे बाहर से कभी नहीं देख पाएँगे।

हम प्रत्येक मोटी-दीवार वाले उत्पादन के नमूने को काटकर निरीक्षण करते हैं। २०२१ में एक ऑर्डर पर, मैंने सतह की गुणवत्ता देखकर यह निरीक्षण माँगा था, जो बहुत अच्छी लग रही थी, और दस नमूनों में से तीन में केंद्रीय दरार पाई गई। पूरे बैच को अस्वीकार कर दिया गया। आपूर्तिकर्ता ने एक सप्ताह तक विवाद किया।

४ इंच के आकार पर, अपने आप से पूछें कि क्या आपको हर जगह कार्बन की आवश्यकता है। एक संकर लेआउट—जिसमें कठोरता के लिए बाहरी परत में कार्बन और लागत व आघात प्रतिरोध के लिए आंतरिक परत में ग्लास हो—अक्सर आधी कीमत पर ८० प्रतिशत प्रदर्शन प्रदान करता है। मैं यह बात लगातार कहता रहता हूँ। इससे मेरी मार्जिन कम होती है, फिर भी मैं यही कहता रहता हूँ।

खरीदार अपने स्वयं के ट्यूब कैसे नष्ट करते हैं

क्लैम्प्स सबसे बड़े हत्यारे हैं। कभी भी पल्ट्रूड सतह पर सीधे क्लैम्प न लगाएँ। एक एल्युमीनियम फेरुल को चिपकाएँ, एक आंतरिक प्लग लगाएँ, या रबर लाइनर के साथ विभाजित ब्लॉक का उपयोग करें। ट्यूब को आपके क्लैम्प टॉर्क की चिंता नहीं है।

फिर गैल्वेनिक करोज़न है। कार्बन फाइबर विद्युत्-चालक है और एल्युमीनियम या स्टील की तुलना में अधिक नोबल है। एक पल्ट्रूड कार्बन फाइबर ट्यूब  को एक एल्युमीनियम ब्रैकेट से गीले वातावरण में बोल्ट करें और ब्रैकेट घुल जाता है। मैंने १८ महीने तक ओशन पर रहने के बाद वापस आए मस्तूलों को देखा है, जिनके फिटिंग धूसर पेस्ट में बदल गए थे। एक काँच के वील परत के साथ अलग करें, या उचित सीलेंट के साथ स्टेनलेस का उपयोग करें और रखरखाव के अंतराल को स्वीकार करें।

कटिंग तीसरी समस्या है। गीली कटिंग, धूल निष्कर्षण, वास्तविक श्वसन सुरक्षा। कार्बन धूल चालक है और यह फैलती है। २०१७ में मैंने जिस शॉप का दौरा किया था, वहाँ एक सीएनसी नियंत्रक खराब हो गया था क्योंकि वे इलेक्ट्रॉनिक्स के असेंबली के उसी बेंच पर ट्यूब को स्लॉट कर रहे थे। धूल कैबिनेट के अंदर जमा हो गई और बोर्ड को शॉर्ट कर दिया। कार्बन को अपने असेंबली क्षेत्र के पास कहीं भी न काटें।

फिर गर्म करें। पल्ट्रूशन में मानक एपॉक्सी प्रणालियों का टीजी (Tg) कहीं बीच में ८० से १२० °से होता है। ज़िनजियांग में सीधे सूर्य के प्रकाश में छोड़ी गई एक काली ट्यूब, आपके द्वारा उसे लोड करने से पहले ही उस सीमा के करीब पहुँच जाएगी। जैसे-जैसे आप टीजी के करीब पहुँचते हैं, कठोरता कम हो जाती है। यह कोई वारंटी दावा नहीं है, यह भौतिकी है।

लगभग कितना खर्च आएगा

खरीदार हमेशा मुझसे अनुप्रयोग बताए बिना ही एक संख्या माँगते हैं। इसलिए यहाँ दामों की सीमा दी गई है, और यह रोविंग की कीमतों के साथ बदलती है, जो २०२२ के बाद से अस्थिर रही हैं।

टी३००-वर्ग की रोविंग से बनी ६ मिमी ट्यूब की कीमत बड़े पैमाने पर उत्पादन में लगभग ३ से ६ डॉलर प्रति मीटर है। १४ मिमी के आकार की कीमत ८ से १५ डॉलर प्रति मीटर है। टी७०० पर जाने पर ३० से ४० प्रतिशत अधिक जोड़ें, क्योंकि रोविंग की कीमत स्वयं अधिक है, न कि कोई अतिरिक्त मार्जिन जोड़ रहा हो। ४ इंच की ट्यूब जिसकी दीवार ५ मिमी मोटी हो, की कीमत १२० से २०० डॉलर प्रति मीटर है, और आप यहाँ सामग्री के साथ-साथ डाई के समय के लिए भी भुगतान कर रहे हैं।

तुलनीय बाहरी व्यास वाली सीमलेस स्टील ट्यूब की कीमत २ से ४ डॉलर प्रति मीटर है। यह अनुपात उन लोगों को चौंका देता है जो केवल घनत्व चार्ट पढ़ते हैं। ए पल्ट्रूड कार्बन फाइबर ट्यूब यह सामग्री की लागत का पाँच से तीस गुना है, और आप इसे इसलिए खरीदते हैं क्योंकि वजन में कमी से आने वाले लाभ—जैसे परिवहन लागत, स्थापना श्रम, मोटर की बचत जो अब आवश्यक नहीं है, या अब ले जाए जा सकने वाले भार में वृद्धि—इसकी कीमत को पूरी तरह से वसूल कर लेते हैं।

अगर उपरोक्त में से कोई भी लाभ लागू नहीं होता है, तो स्टील खरीदें। मैं यही कह रहा हूँ।

खरीद आदेश भेजने से पहले क्या पूछना चाहिए

रोविंग के ग्रेड के बारे में पूछें—T300, T700, या कोई अनलेबल्ड उत्पाद जो किसी ब्रोकर के गोदाम से आया हो। फाइबर के आयतन अंश के बारे में पूछें, और अगर वे यह नहीं बता सकते, तो इसका मतलब है कि उन्होंने कभी मापा ही नहीं है। पूछें कि कौन-सी रेजिन प्रणाली का उपयोग किया गया है—एपॉक्सी या विनाइल एस्टर—और उसका Tg क्या है। सीधेपन की सहनशीलता के बारे में लिखित में पूछें।

पूरी लंबाई का नमूना माँगें, २०० मिमी का कोई छोटा टुकड़ा नहीं। छोटे टुकड़े विकृति, मोड़ और डाई लाइन्स को छुपा देते हैं, जो केवल दो मीटर से अधिक की लंबाई पर प्रकट होते हैं। पूछें कि क्या वे ASTM D3916 या ISO 527 के अनुसार परीक्षण करते हैं, या फिर वे सिर्फ एक महीने में एक कूपन खींचकर आशा करते हैं।

ए पल्ट्रूड कार्बन फाइबर ट्यूब निर्माता जो निर्माता अपने स्वयं के डाई में उपयोग की जा रही रोविंग के टो के आकार के बारे में आपको नहीं बता सकता, वह अनुमान लगा रहा है, और जब यह अनुमान गलत होता है, तो आप ही उसकी कीमत चुकाते हैं।

उपकरण और न्यूनतम ऑर्डर मात्रा (MOQ) को भी पहले ही तय कर लें। मानक आकार के उत्पाद कुछ दिनों में शिप किए जा सकते हैं। एक कस्टम 4 इंच प्रोफाइल जिसकी दीवार की मोटाई 5 मिमी हो, के लिए एक नया डाई बनाना होगा, जिसमें तीन से पाँच सप्ताह का समय लगेगा और उपकरण शुल्क भी लगेगा। कोई भी इसे सुनना पसंद नहीं करता, लेकिन यह बिल पर अचानक आने वाले शुल्क से कहीं बेहतर है।

स्टील अभी भी मरा नहीं है

मैं स्टील का उपयोग करता हूँ। यह सस्ता है, मजबूत है, इसे कठोर उपयोग में लाया जा सकता है, यूवी किरणें इस पर कोई प्रभाव नहीं डालतीं, और आप इसे किसी भी क्षेत्र में जनरेटर और ग्राइंडर की सहायता से वेल्ड कर सकते हैं।

जब वजन वह समस्या हो जिसे आप किसी अन्य तरीके से हल नहीं कर सकते, तो कार्बन ही समाधान है। एक पल्ट्रूड कार्बन फाइबर ट्यूब ऐसा कुछ करता है जो कोई भी धातु नहीं कर सकती: यह द्रव्यमान के पाँचवें हिस्से पर गंभीर भार वहन करता है। जहाँ यह कमजोर है, वहाँ सावधानी बरतें, और यह उस स्टील से भी अधिक समय तक चलेगा जिसे आपने बदल दिया है।

अगर आप इन सीमाओं की अनदेखी करेंगे, तो अठारह महीने बाद आप मुझसे फ़ोन पर बात कर रहे होंगे और पूछ रहे होंगे कि यह टूट क्यों गया।