[Nadaljevanje iz: Razvoj in trendi kompozitov iz ogljikovih vlaken v športu in prostem času (I. del) (1)]
3.1 Avtoklavno oblikovanje: "zlati standard" za vrhunsko tekmovalno opremo
Avtoklavno oblikovanje zagotavlja najvišjo kakovost – in najvišjo ceno – med postopki oblikovanja ogljikovih vlaken, s poroznostjo izdelka pod 1 % in mehanskimi lastnostmi blizu teoretičnih meja. Pri športni opremi ga uporablja skoraj vsa tekmovalna oprema najvišje ravni: okvirji vodilnih cestnih koles, kot sta Trek Madone in Specialized S-Works Tarmac, uporabljajo predpreg razreda Toray T800/T1000, strjen pri 120–180 stopinjah in 5–7 barih 2–4 ure, s težo okvirja le 700–800 g; vrhunske gredi za golf proizvajalcev Fujikura in Graphite Design uporabljajo prepreg iz ogljikovih vlaken Toray T1100G s strjevanjem v avtoklavu za uravnoteženje izjemne togosti in majhne teže; Sestavni deli jadranja America's Cup so prav tako oblikovani v avtoklavu za največjo zanesljivost. Naložbe v opremo običajno znašajo 20–50 milijonov RMB, stroški na enoto pa so zelo visoki, kar omejuje postopek na vrhunske konkurenčne izdelke.
3.2 Navijanje žarilne nitke: "postopek duše" za ribiške palice in gredi za golf
Navijanje filamentov je eden najpogosteje uporabljenih postopkov oblikovanja za športno opremo iz ogljikovih vlaken in je nenadomestljiv pri ribiških palicah in palicah za golf. Prameni iz ogljikovih vlaken, impregnirani s smolo, so naviti na trn pod natančnimi koti – notranji sloji pod majhnimi koti (15 stopinj –25 stopinj) zagotavljajo upogibno togost, zunanji sloji pod velikimi koti (45 stopinj –60 stopinj) zagotavljajo torzijsko togost – tako da zasnova polaganja z več koti optimizira anizotropno mehansko delovanje izdelka.
Weihai Guangwei Composites se je začel točno tukaj, z navijanjem filamenta ribiške palice. Leta 1998 je na Kitajsko uvozil prvo linijo za prepreg ogljikovih vlaken široke širine za proizvodnjo palic, nato pa se je razširil navzgor v materiale iz ogljikovih vlaken in sčasoma postal vodilni v celotni verigi kitajske industrije ogljikovih vlaken. Njegov prepreg iz ogljikovih vlaken ostaja glavna surovina grozda ribiškega pribora Weihai. Weihai, največji svetovni center za proizvodnjo ribiških palic, gosti celotno verigo, ki poteka od prepreg ogljikovih vlaken → navijanje filamentov → proizvodnja palic → predelava komponent → trženje blagovnih znamk, in predstavlja približno 60 % svetovne proizvodnje palic.
3.3 Stiskanje: "Orodje za množično proizvodnjo" za loparje in karbonske ploščice za čevlje
S stiskanjem se prepreg postavi v kovinski kalup in strdi pod toploto in pritiskom, kar zagotavlja visoko učinkovitost, dobro natančnost in primernost za velikoserijsko proizvodnjo. Pri športnih izdelkih so okvirji loparjev za tenis in badminton skoraj v celoti izdelani s stiskanjem iz preprega - kot namestitve ogljikovih vlaken (0 stopinj /±45 stopinj /90 stopinj) nadzoruje upogibno in torzijsko togost loparja ter optimizira "sladko točko". Vrhunski loparji proizvajalcev Yonex, Li-Ning, Wilson in Babolat vsi uporabljajo prepreg iz ogljikovih vlaken Toray s kompresijskim oblikovanjem.
Karbonske plošče za športne copate so prav tako stisnjene v srednjih do velikih serijah - več plasti preprega iz ogljikovih vlaken se strdijo pod toploto in pritiskom v kalupu in nato razrežejo v oblike podplatnih plošč. Ta postopek uporabljajo karbonski tekaški copati Nike, Li-Ning, Xtep in Anta. Kolesarske komponente (krmila, sedežne opore, gonilke), smučarske vezi in školjke zaščitne opreme so prav tako široko obdelane s stiskanjem; blagovne znamke, kot sta Giant in Merida, uporabljajo veliko število kompresijsko ulitih ogljikovih delov.
3.4 RTM and VARI: From Bicycle Rims to Racing Boat Hulls
RTM (Resin Transfer Molding) uporablja zaprt kalup z vbrizgavanjem smole pod pritiskom za doseganje gladkih površin na obeh straneh in proizvodnjo skoraj neto oblike. V športni opremi se RTM uporablja predvsem za platišča koles iz ogljikovih vlaken (enodelno oblikovanje zmanjša število spojev), glave palic za golf (visoko natančno oblikovanje zapletenih geometrij) in gredi palic za hokej na ledu (spremenljiva debelina stene za manjšo težo). V primerjavi s potjo prepreg–avtoklav RTM poveča učinkovitost proizvodnje za 3–5-krat.
VARI (Vacuum Assisted Resin Infusion) uporablja vakuumski podtlak, da potisne smolo v suha vlakna; naložba v opremo je majhna in postopek ustreza velikim delom. V športni opremi se VARI uporablja predvsem za lupine za veslanje, kajake in jadralne trupe (velikosti 3–10 m, prevelike za avtoklav). Znana evropska blagovna znamka kajaka uporablja VARI za izdelavo kajakov iz ogljikovih vlaken tekmovalnega razreda, pri čemer skrajša čas cikla na enoto s 40 ur z ročnim polaganjem na 12 ur in doseže volumski delež vlaken 58 %. Deske za surfanje iz ogljikovih vlaken in deske za veslanje stoje (SUP) prav tako uporabljajo VARI; njegovo nizkotlačno oblikovanje uspešno združuje jedra iz pene EPS s prevlekami iz ogljikovih vlaken, zaradi česar so izdelki 30 % lažji od običajnih desk za surfanje iz steklenih vlaken.
3.5 Prepreg: "Osnovni vmesni material" za proizvodnjo športne opreme
Prepreg je najpomembnejši vmesni material v proizvodnji CFRP – polposušena plošča, proizvedena s predhodno impregnacijo ogljikovih vlaken s smolo. V športni opremi predstavlja duroplastni prepreg (predvsem epoksi) približno 80 % in se pogosto uporablja v okvirjih koles, gredi za golf, teniških loparjih in ribiških palicah; termoplastični prepreg (PEEK, PPS, PA6 in drugi) predstavlja približno 20 % in hitro raste - njegova možnost recikliranja, ponovne obdelave in kratek cikel oblikovanja (minute v primerjavi z urami) še posebej ustrezajo smučem, zaščitni opremi in karbonskim ploščam za čevlje, kjer sta žilavost in produktivnost najpomembnejši. Teijin upravlja tovarno termoplastičnih enosmernih trakov v Nemčiji, namenjeno prepregom iz ogljikovih vlaken/PEEK in ogljikovih vlaken/PPS za športno opremo.
4. Primerjava materialov: Zakaj so ogljikova vlakna postala prva izbira za športno opremo?
Osnovna zahteva pri izbiri materiala za športne izdelke je "lažji, močnejši, bolj odporen, bolj vzdržljiv". Ogljikova vlakna kažejo izjemne prednosti v vseh štirih dimenzijah:
Specifična trdnost (trdnost/gostota) ogljikovih vlaken je 10-krat večja od jekla, 8-krat večja od aluminijeve zlitine in 5-krat večja od titanove zlitine – natanko kombinacija izredno lahke in visoke trdnosti, ki jo potrebujejo športni izdelki. Toda ogljikova vlakna niso univerzalen odgovor: njihova krhkost pomeni, da lahko pride do katastrofalne okvare ob hudih udarcih, zato se pri palicah za hokej na ledu, robnikih smuči in drugih aplikacijah, ki zahtevajo visoko žilavost, pogosto uporablja karbonsko/aramidno hibridno tkanje, ki uporablja odlično odpornost na udarce aramida za izravnavo krhkosti ogljikovih vlaken. Shimanova vrhunska serija palic EXSENS uporablja hibrid ogljikovih vlaken in aramida, kar bistveno izboljša udarno žilavost in hkrati zmanjša težo.
Glede na ceno so velika ogljikova vlakna (48K/50K) padla na 80–100 RMB/kg, kar nenehno zmanjšuje vrzel s steklenimi vlakni (8–15 RMB/kg). Hitra sprostitev zmogljivosti velikih vlečnih ogljikovih vlaken s strani Jilin Chemical Fiber Group pospešuje premik ogljikovih vlaken iz profesionalne konkurence na množične potrošniške trge. Če za primer vzamemo kolesa iz ogljikovih vlaken, lahko uporaba ogljikovih vlaken z veliko vleko zniža stroške materiala okvirja za približno 40 %, s čimer se znižajo cene začetnih karbonskih koles z 8000 RMB na 5000 RMB.
5. Osnovne aplikacije: Kako ogljikova vlakna preoblikujejo krajino športne opreme
5.1 Palice za golf: "Prvo bojno polje" ogljikovih vlaken
Palice za golf so največji posamezni trg športnih aplikacij za ogljikova vlakna. Ko so bila ogljikova vlakna komercializirana v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, so bile palice za golf in ribiške palice med prvimi športnimi izdelki, ki so jih sprejeli. Po podatkih QYResearch naj bi svetovna prodaja palic za golf iz ogljikovih vlaken do leta 2031 dosegla 5,854 milijarde RMB, kar je skupna letna stopnja rasti 7,0 %.
Kar zadeva tehnologijo, gonilnik TaylorMade Qi10 LS uporablja zasnovo "Infinity Carbon Crown" s 60 plastmi ogljikovih vlaken in dvojno ukrivljeno stranjo, pri čemer karbon pokriva 97 % površine krone, da doseže odlično učinkovitost prenosa energije. Gredi serije Tour AD podjetja Graphite Design uporabljajo tehnologijo preprega iz ogljikovih vlaken Toray T1100G in nano-zlitine, kar močno poveča strukturno togost brez dodajanja teže. Callaway (letni prihodek približno 1,8 milijarde USD) in TaylorMade (približno 1,5 milijarde USD) sta dve vodilni svetovni blagovni znamki na področju palic za golf iz ogljikovih vlaken, obe pa pridobivata svoje osnovne materiale iz ogljikovih vlaken izključno iz japonskega podjetja Toray.
Omeniti velja, da so materiali iz ogljikovih vlaken za kitajske vrhunske palice za golf iz ogljikovih vlaken do 87 % odvisni od uvoza, kar pušča ogromno prostora za domačo zamenjavo. Razvojna pot podjetja Guangwei Composites – začenši z ribiškim priborom Weihai in se postopoma širi navzgor v materiale iz ogljikovih vlaken – ponuja ponovljiv model za industrijo: začnite s povpraševanjem po športnih izdelkih na končnem trgu, integrirajte materiale navzgor v obratni smeri in zaprite zanko industrijske verige.
[Nadaljevanje: Razvoj in trendi kompozitov iz ogljikovih vlaken v športu in prostem času (I. del) (3)]
[Vir] Uradno spletno mesto Kitajskega združenja industrije kompozitov (CCIA).
[Izvirna povezava] https://ccia.xin/xingyebaogao/3618.html