Pultrudēts oglekļa šķiedras caurulis pret tēraudu: ko es pateicos pircējiem pirms viņi pasūta

Es strādāju ar kompozītiem kopš 1989. gada. Vispirms rokas veidā, pēc tam pultrūzijas metodi no vidus deviņdesmitajos gados un esmu izvilcis vairāk līniju, nekā gribētu atcerēties. Katru nedēļu kāds zvana un uzdod to pašu jautājumu. Vai pultrudēts oglekļa šķiedru cauruli caurulis var aizvietot tērauda cauruli viņu konstrukcijā?

Dažreiz atbilde ir jā, un tā patiešām nav pat tuvu apšaubāma. Dažreiz es viņus pierunāju atteikties no šīs idejas, un es zaudēju pasūtījumu. Tas ir normāli. Caurslis, kas nolūst ekspluatācijā, izmaksā mums abiem vairāk nekā caurulis, ko es nekad neesmu pārdevis.

Blīvums ir viss arguments

CFRP blīvums salīdzinājumā ar tēraudu ir pirmais skaitlis, ko es uzrādu. Oglekļa šķiedru polimērs ir 1,55–1,60 g/cm³. Mīkstais tērauds ir 7,85. Alumīnijs ir 2,70. Ja nomaina vienu materiālu pret otru identiskās dimensijās, svars samazinās aptuveni par 80 procentiem.

Bet neviens patiesībā tā arī nepērk. Jūs pārprojektējat izstrādājumu ap materiālu, un, kad to darāt, godīgā ietaupījuma apmērs pie vienādas lieces stingrības ir no 55 līdz 70 procentiem. Joprojām ļoti liels. Divu metru mastā tas nozīmē starpību starp vienu cilvēku, kas to nes, un diviem cilvēkiem, kas lamājas.

Šī sprauga ir iemesls, kāpēc pultrudēta oglekļa šķiedru caurule  parādās pirmā, kad pircējam ir stingrs svara augšējais limits un projektā vairs nav brīvas vietas.

Šeit ir tā daļa, kuru lielākā daļa piegādātāju ignorē. Tērauda elastības modulis ir 200–210 GPa. Standarta moduļa pultrudētā oglekļa šķiedru polimēru kompozīta (CFRP) elastības modulis ass virzienā ir 130–165 GPa, atkarībā no šķiedru tilpuma daļas. Uz kilogramu ogleklis uzvar aptuveni astoņas reizes. Uz vienības šķērsgriezumu tērauds ir stingrāks. Ja jūsu uzdevumam ir ierobežots vietas apjoms, nevis svars, tad tērauds ir labākā izvēle, un es to pateikšu arī telefonā.

Spēka rādītāji, kuriem ir jēga

Ogļu šķiedras caurules izturība ir vieta, kur tirgotāju apraksti kļūst absurdi. Pārdošanas lapās norādītais rādītājs 3500 MPa attiecas uz neapstrādātās šķiedras filamenta stiepes izturību, nevis uz lamināta izturību. Ignorējiet šos rādītājus.

Īsta vienvirziena ogļu šķiedras izvilktā profila ass stiepes izturība pie 55–65 % šķiedras tilpuma saturiem sasniedz 1500–2400 MPa, izmantojot T700 klases pavedienus. Q235 tērauds sasniedz aptuveni 370–500 MPa. Dalot ar blīvumu, īpatnējās izturības starpība ir aptuveni 15–20 reizes lielāka. Tie ir rādītāji, pēc kuriem vajadzētu veikt konstrukciju.

Šķērsvirziena stiepes izturība ir citāda lieta, un to neviens nepublicē. Tā var būt aptuveni 30–60 MPa, jo slodzi pārnes nevis šķiedra, bet gan sveķi. Starpslāņu šķērsspriegums ir 40–70 MPa. Tieši šeit rodas bojājumi. pultrudēta oglekļa šķiedru caurule darbībā esošs izvilktā profila izstrādājums gandrīz nekad nebojājas ass virzienā stiepjot. Tas bojājas, jo kaut kas to saspiež sāniski.

Ko izvilktā profila ražošana nodrošina un ko tā atņem

Pultrūzija velk nepārtrauktu pavedienu caur sveķu vannu un tālāk sildītā veidnē. Viss notiek pie nulles grādiem. Šajā komerciāli pieejamajā procesā iegūst augstāko šķiedru tilpuma daļu, kā arī ass stīvumu, ko līdzvērtīgās izmaksās nevar sasniegt ar apvītām caurulēm.

Tas, ko jūs nesaņemiet, ir gredzenveida izturība. Parasti ir virsmas plēve, dažreiz viegls šuvju matracis biezākās daļās, un tas ir viss. Apvītās caurules satur ±45 grādu slāņus. Pultrūzijas ceļā ražotas oglekļa caurules praktiski to nedara. Tāpēc tās ļoti slikti iztur griezes spēkus un koncentrētus rādiālos slodzes spēkus.

2019. gadā es redzēju klienta 14 mm mastu plīstot pa visu garumu. Tas notika, kad caurules uzspiežamais skavas savienojums tika stingri pievilkt ar akumulatora urbi. Skava nekad neizslīdēja. Pirmā, kas sabruka, bija caurule — gredzenveida stāvoklī, pie aptuveni trešdaļas no tās maksimālās izturības lieces spēkam.

Šis troksnis paliek atmiņā.

Izmēra izvēle, nejūtoties neērti

Izmēri ir tas, kur es redzu dārgākās kļūdas. Katru izvilktu oglekļa šķiedru cauruli pārdod pēc ārējā diametra (OD), iekšējā diametra (ID) un garuma, un pircēji koncentrējas uz pirmajiem diviem parametriem, kamēr trešais nosaka, vai produkts vispār darbosies.

A6 mm oglekļa šķiedru caurule ir mazākais kataloga izmērs. Parasti 6 mm ārējais diametrs un 1 mm sienas biezums. Dronu rāmja rokturi viegliem kvadrokopteriem, teltīm paredzēto stabiņu gali, RC sistēmu spiedrodi, aktuatoru savienojumi. 1 mm bieza lamināta kārta ir tik plāna, ka neuzmanīgi lietots urbis var izraisīt slāņu atdalīšanos caurules izvadgala pusē, un to nav iespējams salabot. Urbjot, cauruli no otras puses jāatbalsta ar aizbāzni vai jāpieņem šķiedru saplīšana.

14 mm oglekļa šķiedru caurule ir izmērs, ko es visbiežāk norādu. Parasti 14 × 12 vai 14 × 10 mm, dažreiz teleskopiskas komplektācijas. Kameru slīdētāji, koku apgriešanas stabiņi, ģeodēzijas stabiņi, ķīļa spāres, antenu masti. Šajā diametrā sienas biezums ir patiesībā galvenais izvēles kritērijs, taču vairumā gadījumu cilvēki izvēlas pārāk plānu sienu. 1 mm bieza siena 14 mm caurulē ir kā dzērienu salmiņš lieces slodzes apstākļos.

2000 mm garuma šķiedru caurule pilnībā maina sarunas raksturu. Divu metru garumā ģeometrija pārņem priekšplānu no materiāla. 14 mm caurule, kas slodzēta galā, pakļaujas līkšanai, nevis izturībai. Eilera formula dod kritisko slodzi P = π²EI / (KL)². Dubultojot garumu, kritiskā slodze samazinās četrkārši. Esmu redzējis pircējus, kas specifikācijās norādījuši 2000 mm garu 6 mm cauruli 5 kg galas slodzei. Matemātika jau iepriekš bija atbildējusi «nē», vēl pirms es pacēlu telefonu. Tā būtu saliekusies kā makaronis un tad salūzusi.

Teleskopiskiem pielietojumiem vaicājiet rakstiski par ovālumu un taisnumu. 1 mm uz metru ir normāli. Ārējā diametra pieļaujamā novirze ±0,1–0,2 mm ir sasniedzama; lēti piegādātāji to nespēj nodrošināt — tieši tāpēc jūsu sekcijas laukā aizstrādās pusceļā.

Kad 4 collas ir pareizi, un kad tas ir muļķīgi

A4 collu garuma oglekļa šķiedru caurule ir 101,6 mm ārējais diametrs. Tas ir struktūras elements, nevis montāžas komponents. Minimālais sienas biezums jābūt 4–6 mm, citādi vietējā līkšana notiks daudz agrāk nekā tuvošanās materiāla robežvērtībām.

Rīku izgatavošana šādam izmēram ir dārga. Liels matrica, smags vilcējs un eksotermiskā reakcija biezas sienas iekšienē ir pati par sevi problēma. Rezins 6 mm biezas sienas centrā var eksotermiski reaģēt tik stipri, ka lamināts saplīst no iekšpuses uz āru. No ārpuses to nekad neredzēsiet.

Mēs pārbaudām un izmeklējam katru biezu sienu ražošanas partiju. 2021. gadā vienā pasūtījumā es pieprasīju šo pārbaudi pēc tam, kad redzēju virsmas kvalitāti, kas izskatījās pārāk laba, un atradu centra plaisas trīs paraugos no desmit. Visu partiju noraidījām. Piegādātājs argumentēja nedēļu.

Pie 4 collām jums jāuzdod sev jautājums, vai jums visur nepieciešams oglekļa šķiedras materiāls. Hibrīda slāņojums — oglekļa šķiedras ārpusē stingrībai un stikla šķiedras iekšpusē izmaksu un trieciensizturības dēļ — bieži nodrošina 80 procentus veiktspējas par pusi zemākām izmaksām. Es to teicu nepārtraukti. Tas man samazina peļņu, taču es to turpinu teikt.

Kā iegādātāji paši sabojā savus caurules

Skavas ir numurs viens slepkavnieks. Neuzlieciet skavu tieši uz izvilktas virsmas. Ielīmējiet alumīnija furelu, ievietojiet iekšēju aizbāzni vai izmantojiet sadalītu bloku ar gumijas iekšējo apvalku. Caurulei nav nozīmes jūsu skavas pievelkšanas momentam.

Tad ir galvaniskā korozija. Oglekļa šķiedra ir elektriski vadīga un noblākā nekā alumīnijs vai tērauds. Pievelciet pultrudēta oglekļa šķiedru caurule  pie alumīnija montāžas plāksnes mitrā vidē, un montāžas plāksne izšķīst. Es esmu redzējis mastus, kas pēc astoņpadsmit mēnešiem atgriezušies no jūras, kur montāžas plāksne bija samazināta līdz pelēkai kaļķakmens masai. Izolējiet ar stikla plīvura kārtu vai izmantojiet nerūsējošo tēraudu ar piemērotu blīvējumu un pieņemiet uzturēšanas intervālu.

Trešais ir griešana. Grieziet mitrā veidā, izmantojiet putekļu novadīšanu un īstu elpošanas aizsardzību. Oglekļa putekļi ir vadīgi un tie pārvietojas. Vienu darbnīcu, ko es apmeklēju 2017. gadā, sabojāja CNC vadības ierīci, jo caurules slotēšana notika uz tās pašas darba virsmas, kur tika montēti elektroniskie komponenti. Putekļi nokrita iekšā skapī un izraisīja plates īssavienojumu. Neiegrieziet oglekļa materiālu nekur tuvu savai montāžas zonai.

Tad siltums. Standarta epoksīda sistēmas pultrūzijā ir Tg kaut kur starp 80 un 120 °C. Melna caurule, kas atstāta tiešā saules gaismā Sindzjanā, sasniegs šo temperatūru jau pirms tās ielādes. Cietība samazinās, tuvojoties Tg. Tas nav garantijas prasījums, tas ir fizikas likums.

Aptuvenā cena

Pircēji vienmēr prasa skaitli, pirms pastāsta man par lietojumu. Tāpēc šeit ir diapazons, un tas mainās atkarībā no rovinga cenām, kuras kopš 2022. gada ir bijušas nestabila.

6 mm caurule no T300 klases rovinga apmēram maksā 3–6 dolārus metrā lielos daudzumos. 14 mm izmēri maksā 8–15 dolārus. Pārejot uz T700, cena palielinās par 30–40 procentiem, jo pats rovings ir dārgāks, nevis tāpēc, ka kāds pievieno papildu naudu. 4 collu caurule ar 5 mm sienu maksā 120–200 dolārus metrā, un jūs maksājat tikpat daudz par matricas izmantošanas laiku, cik par materiālu.

Līdzvērtīga ārējā diametra bezšuvju tērauda caurule maksā 2–4 dolārus metrā. Šis attiecības koeficients pārsteidz cilvēkus, kuri lasa tikai blīvuma tabulu. A pultrudēta oglekļa šķiedru caurule ir piecas līdz trīsdesmit reizes lielāka par materiāla izmaksām, un jūs to iegādājaties tāpēc, ka svara samazināšana kompensē izmaksas vēlākās darbībās — transportēšanā, uzstādīšanas darbos, elektromotorā, kuru vairs nepieciešas, vai kravas tilpumā, ko tagad var pārvadāt.

Ja neviena no šīm priekšrocībām nepiemērojama, iegādājieties tēraudu. Es tiešām to domāju.

Jautājumi, kurus jāuzdod pirms pasūtījuma nosūtīšanas

Prasiet norādīt stikla šķiedru kvalitāti — T300, T700 vai kādu citu, kas nav marķēta un iegādāta no starpnieka noliktavas. Prasiet norādīt šķiedru tilpuma daļu, un ja viņi to nevar norādīt, tad to nekad nav mērījuši. Prasiet, kuru sveķu sistēmu izmanto — epoksīdu vai vinilēsteru — un kāda ir to stiklošanās temperatūra (Tg). Prasiet rakstiski norādīt taisnības pieļaujamo novirzi.

Prasiet paraugu pilnā garumā, nevis 200 mm sagriezumu. Sagriezumi slēpj lieces, vītnešanas un matricas līnijas, kas redzamas tikai divu metru garumā. Jautājiet, vai tie veic testus saskaņā ar ASTM D3916 vai ISO 527 standartiem, vai vienkārši katru mēnesi izvelk vienu paraugu un cer.

Apultrudētu oglekļa šķiedru cauruli ražojoša uzņēmuma ražotājs, kurš nevar norādīt savas matricas rovinga pavediena izmēru, tikai min, un jūs esat tas, kurš maksā, kad minējums ir nepareizs.

Arī vienojieties par rīku izmaksām un minimālo pasūtījuma daudzumu jau iepriekš. Standarta izmēri tiek nosūtīti dienu laikā. Piemēram, pielāgots 4 collu profils ar 5 mm biezumu prasa jaunu matricu, trīs līdz piecas nedēļas un papildus maksu par rīku izgatavošanu. Neviens to nevēlas dzirdēt, taču tas ir labāk nekā pārsteigums rēķinā.

Tērauds nav miris

Es izmantoju tēraudu. Tas ir lēts, izturīgs, iztur smagus apstākļus, UV starojums tam nekaitē, un to var metināt pat laukā, izmantojot ģeneratoru un slīpmašīnu.

Ogleklis ir risinājums, kad svars ir problēma, ko citādi nevar atrisināt. A pultrudēta oglekļa šķiedru caurule dara kaut ko, ko neviens metāls nespēj: tas iztur nopietnu slodzi tikai piektajā daļā no masas. Cieniet tā vājās vietas, un tas ilgst ilgāk par tēraudu, ko esat aizvietojuši.

Neievērojot šos ierobežojumus, jūs pēc astoņpadsmit mēnešiem zvanīsiet man, jautājot, kāpēc tas sabruka.