[Continuare din: Dezvoltarea și tendințele compozitelor din fibră de carbon în sport și agrement (Partea I) (1)]
3.1 Turnare în autoclavă: „Standardul de aur” pentru echipamentele de top pentru competiție
Turnarea în autoclavă oferă cea mai înaltă calitate - și cel mai mare cost - dintre procesele de turnare a fibrei de carbon, cu porozitatea produsului sub 1% și proprietăți mecanice apropiate de limitele teoretice. În articolele sportive, aproape toate echipamentele de competiție de nivel superior îl folosesc: cadrele emblematice pentru biciclete de drum, cum ar fi Trek Madone și Specialized S-Works Tarmac, folosesc preimpregnat de calitate Toray T800/T1000 întărit la 120–180 de grade și 5–7 bar timp de 2–4 ore, cu o greutate a cadrului de numai 700–800 g; arborele de golf de ultimă generație de la Fujikura și Graphite Design folosesc preimpregnat din fibră de carbon Toray T1100G cu întărire în autoclavă pentru a echilibra rigiditatea extremă și greutatea redusă; Componentele de navigație ale Cupei Americii sunt, de asemenea, turnate în autoclav pentru o fiabilitate maximă. Investiția în echipamente rulează de obicei între 20 și 50 de milioane RMB, iar costul unitar este foarte mare, limitând procesul la produse competitive de top.
3.2 Înfășurarea filamentului: „Procesul sufletului” pentru undițele de pescuit și arborele de golf
Înfășurarea filamentului este unul dintre cele mai utilizate procese de turnare pentru articolele sportive din fibră de carbon și este de neînlocuit în undițele de pescuit și arborele de golf. Câlțile din fibră de carbon impregnate cu rășină sunt înfășurate pe un dorn la unghiuri precise - straturile interioare la unghiuri mici (15 grade – 25 grade) asigură rigiditate la încovoiere, straturile exterioare la unghiuri mari (45 grade – 60 grade) oferă rigiditate la torsiune – astfel încât înclinarea în mai multe unghiuri optimizează performanța mecanică a produsului.
Weihai Guangwei Composites a început exact aici, cu bobinaj cu filament de undiță. În 1998, a importat prima linie preimpregnată din fibră de carbon cu lățime largă din China pentru a servi producția de tije, apoi a fost extinsă în amonte în materiale din fibră de carbon, devenind în cele din urmă un lider cu lanț complet în industria fibrei de carbon din China. Preimpregnatul său din fibră de carbon rămâne materia primă de bază a grupului de articole de pescuit Weihai. Weihai, cel mai mare centru de producție de undițe din lume, găzduiește un lanț complet care funcționează de la preimpregnat din fibră de carbon → bobinaj de filament → fabricarea lansete → procesarea componentelor → marketingul mărcii și reprezintă aproximativ 60% din producția globală de undițe.
3.3 Turnare prin compresie: „Instrumentul de producție în masă” pentru rachete și plăci de încălțăminte din carbon
Turnarea prin comprimare plasează preimpregnatul într-o matriță de metal și îl întărește sub căldură și presiune, oferind eficiență ridicată, precizie bună și adecvare pentru producția de loturi mari. În articolele sportive, ramele de tenis și badminton sunt realizate aproape în întregime prin turnare prin compresie prepreg - unghiul de întindere din fibră de carbon (0 grade /±45 grade /90 grade) controlează rigiditatea la îndoire și la torsiune a rachetei, optimizând „punctul dulce”. Rachetele de ultimă generație de la Yonex, Li-Ning, Wilson și Babolat folosesc toate preimpregnate din fibră de carbon Toray cu turnare prin compresie.
Plăcile de carbon pentru încălțămintea sport sunt, de asemenea, turnate prin compresie în loturi medii până la mari - mai multe straturi de fibră de carbon preimpregnată sunt întărite la căldură și presiune într-o matriță și apoi tăiate în forme de plăci de talpă. Pantofii de alergare placați cu carbon de la Nike, Li-Ning, Xtep și Anta folosesc toți acest proces. Componentele bicicletei (pipe, tije de scaun, manivele), legături de schi și carcase de echipament de protecție sunt, de asemenea, modelate pe scară largă; mărci precum Giant și Merida folosesc un număr mare de piese din carbon turnate prin compresie.
3.4 RTM și VARI: de la jante de bicicletă la carcase pentru bărci de curse
RTM (Resin Transfer Molding) folosește o matriță închisă cu injecție de rășină presurizată pentru a obține suprafețe netede pe ambele părți și producție aproape de formă netă. În articolele sportive, RTM este utilizat în principal pentru jantele de biciclete din fibră de carbon (mularea dintr-o singură piesă reduce numărul de îmbinări), capete de crose de golf (formarea de înaltă precizie a geometriilor complexe) și arborele de bastoane de hochei pe gheață (grosime variabilă a peretelui pentru greutate redusă). În comparație cu ruta prepreg-autoclavă, RTM crește eficiența producției de 3-5 ori.
VARI (infuzie de rășină asistată în vid) utilizează presiunea negativă în vid pentru a introduce rășina în fibra uscată; investiția în echipamente este redusă și procesul se potrivește pieselor mari. În articolele sportive, VARI este utilizat în principal pentru scoici de vâsle, caiace și carene de vele (3-10 m în dimensiune, prea mare pentru o autoclavă). Un cunoscut brand european de caiace folosește VARI pentru a produce caiace din fibră de carbon de calitate pentru competiție, reducând timpul ciclului pe unitate de la 40 de ore cu întindere manuală până la 12 ore și atingând o fracțiune de volum de fibre de 58%. Plăcile de surf din fibră de carbon și plăcile de stand-up paddle (SUP) folosesc și VARI; formarea sa la presiune scăzută integrează cu succes miezurile de spumă EPS cu piele din fibră de carbon, făcând produsele cu 30% mai ușoare decât plăcile de surf convenționale din fibră de sticlă.
3.5 Prepreg: „Materialul intermediar de bază” al producției de articole sportive
Preimpregnatul este cel mai important material intermediar în fabricarea CFRP - o foaie semiîntărită produsă prin pre-impregnarea fibrei de carbon cu rășină. În articolele sportive, preimpregnatul termorigid (în principal epoxidic) reprezintă aproximativ 80% și este utilizat pe scară largă în cadre de biciclete, arbori de golf, rachete de tenis și undițe de pescuit; preimpregnatul termoplastic (PEEK, PPS, PA6 și altele) reprezintă aproximativ 20% și crește rapid - reciclabilitatea, reprocesabilitatea și ciclul scurt de turnare (minute față de ore) se potrivesc în special schiurilor, echipamentelor de protecție și plăcilor de încălțăminte din carbon, unde duritatea și productivitatea contează cel mai mult. Teijin operează o fabrică de benzi termoplastice unidirecționale în Germania dedicată fibrei de carbon/PEEK și fibrei de carbon/PPS preimpregnate pentru articole sportive.
4. Comparația materialelor: de ce a devenit fibra de carbon prima alegere pentru articolele sportive?
Cererea de bază în selecția materialelor pentru articole sportive este „mai ușoară, mai puternică, mai rezistentă, mai durabilă”. Fibra de carbon prezintă avantaje copleșitoare în toate cele patru dimensiuni:
Rezistența specifică (rezistența/densitatea) fibrei de carbon este de 10 ori mai mare decât cea a oțelului, de 8 ori mai mare decât cea a aliajului de aluminiu și de 5 ori mai mare decât cea a aliajului de titan - exact combinația dintre ușurință extremă și rezistență ridicată pe care o urmăresc articolele sportive. Dar fibra de carbon nu este un răspuns universal: fragilitatea ei înseamnă că eșecul catastrofal poate apărea sub un impact sever, așa că în bastoanele de hochei pe gheață, marginile de schi și alte aplicații care necesită rezistență ridicată, este adesea adoptată țeserea hibridă carbon/aramidă, folosind rezistența excelentă la impact a aramidei pentru a compensa fragilitatea fibrei de carbon. Seria de lansete EXSENS de ultimă generație a lui Shimano utilizează un hibrid de fibră de carbon plus aramidă, îmbunătățind semnificativ rezistența la impact, menținând în același timp greutatea redusă.
Din punct de vedere al costului, fibra de carbon de remorcare mare (48K/50K) a scăzut la 80–100 RMB/kg, reducând continuu decalajul cu fibra de sticlă (8–15 RMB/kg). Eliberarea rapidă a capacității mari de fibră de carbon de remorcare de către Jilin Chemical Fiber Group accelerează trecerea fibrei de carbon de la concurența profesională la piețele de consum de masă. Luând ca exemplu bicicletele din fibră de carbon, utilizarea fibrei de carbon cu remorcare mare poate reduce costul materialului cadrului cu aproximativ 40%, scăzând prețurile bicicletelor de carbon de la nivel de intrare de la 8.000 RMB la 5.000 RMB.
5. Aplicații de bază: Cum fibra de carbon remodelează peisajul articolelor sportive
5.1 Cluburi de golf: „Primul câmp de luptă” al fibrei de carbon
Cluburile de golf sunt cea mai mare piață de aplicații sportive pentru fibra de carbon. Când fibra de carbon a fost comercializată în anii 1970, crose de golf și undițele de pescuit au fost printre primele produse sportive care au adoptat-o. Potrivit QYResearch, vânzările globale de crose de golf din fibră de carbon vor ajunge la 5,854 miliarde RMB până în 2031, o rată de creștere anuală compusă de 7,0%.
Din punct de vedere tehnologic, driverul TaylorMade Qi10 LS folosește designul „Infinity Carbon Crown” cu 60 de straturi de fibră de carbon și o față dublă curbă, carbonul care acoperă 97% din suprafața coroanei pentru a obține o eficiență excelentă a transferului de energie. Arborele din seria Tour AD de la Graphite Design utilizează tehnologia preimpregnată din fibră de carbon Toray T1100G și nanoaliaj, crescând foarte mult rigiditatea structurală fără a adăuga greutate. Callaway (venit anual de aproximativ 1,8 miliarde USD) și TaylorMade (aproximativ 1,5 miliarde USD) sunt cele două mărci de top la nivel mondial în crose de golf din fibră de carbon și ambele își aprovizionează materialele de bază din fibră de carbon exclusiv din Toray din Japonia.
Este demn de remarcat faptul că materialele din fibră de carbon pentru crose de golf din fibră de carbon de ultimă generație din China sunt dependente de import până la 87%, lăsând spațiu imens pentru înlocuirea internă. Calea de dezvoltare a Guangwei Composites - pornind de la echipamentul de pescuit Weihai și extinzându-se treptat în amonte în materiale din fibră de carbon - oferă un model replicabil pentru industrie: începeți de la cererea de articole sportive de pe piața finală, integrați materialele din amonte în sens invers și închideți bucla lanțului industrial.
[Continuare: Dezvoltarea și tendințele compozitelor din fibră de carbon în sport și agrement (Partea I) (3)]
[Sursa] China Composites Industry Association (CCIA), site oficial
[Link original] https://ccia.xin/xingyebaogao/3618.html