Come realizzare un tubo in fibra di carbonio avvolto in un rotolo

Il processo di avvolgimento in rotolo prevede l'avvolgimento di fibra di carbonio preimpregnata attorno a un mandrino metallico e quindi il punto di partenza è avere un mandrino metallico del diametro corretto per la dimensione del tubo che si desidera creare. Poiché la fibra di carbonio verrà avvolta attorno all'esterno del mandrino, il mandrino stesso deve avere un diametro esterno che corrisponda al diametro interno del tubo in fibra di carbonio che lo utilizzerai per realizzare. Il diametro esterno del tubo in fibra di carbonio sarà determinato dalla quantità di rinforzo (il numero di strati) che avvolgi attorno al mandrino.

Nel video utilizziamo un mandrino in alluminio perché l'elevato coefficiente di dilatazione termica (CTE) dell'alluminio lo rende adatto al processo di avvolgimento del rotolo. È possibile utilizzare acciaio o altri metalli, ma i metalli con un CTE più elevato renderanno il processo più semplice.

Se vuoi produrre un tubo conico in fibra di carbonio, molto probabilmente dovrai utilizzare un tornio per trasformare un'asta di alluminio solida per creare un mandrino conico.

Una volta ottenuto un mandrino delle dimensioni corrette, assicurati che sia completamente pulito e il più liscio possibile per facilitare l'estrazione. Il mandrino deve quindi essere accuratamente preparato ad alta temperatura agente distaccante chimico, come Easy-Lease.

Sebbene in teoria sia possibile utilizzare tipi alternativi di rinforzo, come un tessuto asciutto impregnato con una resina epossidica, in pratica solo la fibra di carbonio preimpregnata offre la precisione e la facilità di manipolazione necessarie per il processo di avvolgimento del rotolo.

Nel tutorial utilizziamo uno strato di XPREG® XC110 preimpregnato tessuto da 210 g all'interno del tubo, seguito da diversi strati di XC130 preimpregnato unidirezionale da 300 g, rifinito con uno strato finale di preimpregnato tessuto XC110 da 210 g nuovamente sull'esterno del tubo. Poiché il preimpregnato tessuto ha fibre orientate nell'asse di 0° (lungo la lunghezza del tubo) e nell'asse di 90° (intorno alla circonferenza del tubo), questi strati aggiungono ciò che è noto come forza del cerchio al tubo, rendendolo meno vulnerabile alle forze di schiacciamento o scoppio e alle scheggiature. La maggior parte del rinforzo, nell'asse 0°, conferisce al tubo la sua rigidità longitudinale.

Modificando la stratificazione per includere più o meno strati tessuti o modificando o alternando l'orientamento degli strati unidirezionali è possibile ottimizzare con precisione le prestazioni del tubo per il suo uso specifico. Ad esempio, un tubo per un albero di trasmissione incontrerà principalmente forze di torsione e quindi la fibra unidirezionale può essere allineata fuori asse, ad esempio a 45°, appositamente per gestire queste forze.

Una volta che il rinforzo in fibra di carbonio preimpregnato è stato avvolto il più strettamente possibile attorno al mandrino, il rinforzo viene quindi avvolto strettamente con un nastro termoretraibile composito per garantire un ulteriore consolidamento.

Quando si applica il nastro termoretraibile è importante assicurarsi che vi sia molta sovrapposizione. Ogni avvolgimento del nastro avanza solo di pochi millimetri lungo il tubo. Anche se richiede molto tempo a mano, avere molte sovrapposizioni in questo modo fornirà una pressione di consolidamento molto maggiore quando il nastro si contrae durante la polimerizzazione.

Oltre al mandrino, è probabile che la disponibilità di un forno per la polimerizzazione del tubo costituisca il principale fattore limitante quando si considera il processo di avvolgimento del rotolo al di fuori di un ambiente di produzione completo. Tuttavia, a differenza di altri processi di prepreg, il processo di avvolgimento su rullo non richiede un controllo preciso della temperatura o i cicli di polimerizzazione a più fasi "rampa e immersione" spesso necessari. Né il processo richiede una linea di vuoto attiva nel forno. Pertanto, gli unici requisiti di un forno per polimerizzare tubi avvolti in rotoli sono il controllo di base della temperatura e dimensioni sufficienti per inserire il tubo. A seconda delle dimensioni del tubo che si desidera realizzare, qualsiasi cosa, da un forno domestico a un forno per verniciatura a polvere. potrebbe essere utilizzato.

Nel video tutorial, stiamo utilizzando il nostro Forno per la polimerizzazione di compositi di precisione OV301. Il preimpregnato XPREG XC110 viene caricato nel forno a 120°C, a temperatura costante, e lasciato polimerizzare per 1 ora e 30 minuti.