لوله گرد فیبر کربن

انواع مختلف لوله فیبر کربنی
دو نوع لوله اصلی وجود دارد که ما در این آموزش به آنها می پردازیم: لوله های Pultruded و Roll Wrapped Tubes.
لوله‌های پالترود معمولاً قطرهای کوچک‌تری دارند و حداکثر استحکام طولی ممکن را ارائه می‌کنند اما به قیمت آسیب‌پذیری بیشتر در برابر شکستگی یا شکستگی پیچشی. سطح داخلی و خارجی اینها صاف است و اگر از نزدیک به آنها نگاه شود الیاف قابل مشاهده است. این لوله ها با کشیدن الیاف از طریق یک حمام رزین و قالب گرم شده برای تشکیل لوله تشکیل می شوند. الیاف همه به سمت پایین در جهت طول خود هستند. فرآیند pultrusion به این معنی است که لوله ها دارای سطح سفتی خوبی هستند اما به راحتی تقسیم می شوند.
لوله‌های فیبر کربنی رول‌پیچ شده قطرهای بیشتری دارند و - به دلیل لایه‌های تقویت‌کننده متناوبشان - لوله‌های انعطاف‌پذیرتری تولید می‌کنند، به‌ویژه برای له کردن و پیچش نیروها. این لوله ها دارای الیاف در طول و اطراف برای استحکام حلقه هستند. آنها با پیچاندن لایه های پیش آغشته به دور سنبه قبل از پخت در فر تشکیل می شوند. آنها تمایل دارند یک پوشش داخلی صاف داشته باشند. پوشش بیرونی می تواند صاف یا آجدار باشد. پایان آجدار از فرآیند تولید باقی مانده است. در لوله‌های بافته شده ما این کار آسیاب شده و لوله‌ها برای براقیت بالا لاک می‌شوند. لوله‌های رول‌پیچ شده مقدار کمی سفتی را قربانی استحکام حلقه می‌کنند که به آنها استحکام بیشتر و مقاومت در برابر له شدن و شکافتن بهتری نسبت به لوله‌های pultruded می‌دهد.
روش های دیگر ساخت لوله شامل سیم پیچی کششی است اما شامل الیاف مارپیچ اضافی است. سیم پیچی رشته ای که در آن الیاف به دور یک سنبه پیچیده می شوند، در درجه اول برای استحکام حلقه اضافی مانند مخازن تحت فشار. همچنین لوله‌ها را می‌توان با استفاده از قالب بیرونی و مثانه داخلی قالب‌گیری کرد، که معمولاً برای لوله‌هایی با اشکال پیچیده‌تر انجام می‌شود.
تست مکانیکی
هدف از این آزمایش های مکانیکی ارائه داده های مقایسه ای بین دو نوع لوله فیبر کربنی، فولاد ضد زنگ 304 و آلومینیوم 6063 است. ما از همان اندازه های پروفیل در طول آزمایش ها استفاده می کنیم، یعنی 10 میلی متر قطر خارجی و 8 میلی متر قطر داخلی. این عملکرد را نسبت به یکدیگر برای پروفایل های یکسان نشان می دهد.
ما با هیچ استاندارد آزمایشی خاصی کار نمی کنیم، زیرا هیچ استانداردی وجود ندارد که برای همه مواد و آزمایش هایی که انجام می شود کار کند. همچنین ما از واحدهای استاندارد SI که به کیلوگرم تبدیل شده اند استفاده نمی کنیم. این برای این است که ارقام برای بسیاری از مردمی که تماشا می‌کنند مرتبط‌تر و آموزنده‌تر شود. بسیاری از دستگیره ها به طور خاص برای این تست ها تولید شده اند، بنابراین برخی مصالحه ها برای انجام آزمایش ها وجود دارد.
تست مقاومت کششی
این یک آزمایش کششی ساده است که در آن لوله ها تا زمانی که شکست بخورند کشیده می شوند. لوله ها تا حد الاستیک خود کشیده می شوند و سپس بیشتر کشیده می شوند تا شکسته شوند. حد الاستیک با گرادیان ثابت روی نمودار نشان داده می شود و هنگامی که شروع به تسلیم شدن و تغییر شکل پلاستیکی می کند، گرادیان کاهش می یابد تا زمانی که شکسته شود. به این ترتیب توجه به نقطه تسلیم بسیار مهمتر است.
آزمایش برای همه مواد تکرار می شود. با لوله های کربن، شکست در چنگال است. این یک محدودیت در روش گرفتن استفاده شده است که تمرکز تنش را در آن ناحیه قرار می دهد، بنابراین با یک روش گرفتن بهتر، نتایج بسیار بالاتری انتظار می رود. اگر آنها در این راه شکست نمی‌خوردند، انتظار می‌رفتیم که انقباض 3 برابر فولاد و 16 برابر آلومینیوم باشد.
تست مقاومت فشاری
این یک تست فشاری نسبتا ساده است که لوله را بین دو دستگیره فشار می دهد. نمونه‌های فلزی تقریباً مطابق انتظار عمل می‌کنند و لوله‌های کربنی مجدداً در چنگال شکست می‌خورند که نشان‌دهنده محدودیت‌های روش آزمایش است. لوله فولادی با وزن 1.5 تن بهترین عملکرد را دارد و پس از آن لوله های فشرده شده و رول شده با وزن کمتر از یک تن و لوله آلومینیومی در حدود نیم تن از کار می افتد.
تست سفتی پیچشی
ما لوله‌ها را با یک بار پیچشی شناخته شده مقایسه می‌کنیم تا داده‌های مقایسه‌ای را ارائه کنیم تا زمانی که لوله‌ها در دستگیره‌ها بلغزند یا از کار بیفتند. به خصوص دشوار است که در این نوع آزمون ها را تا زمان شکست حفظ کنیم، اما ما می توانیم آنها را تا سطح شناخته شده ای آزمایش کنیم. در این مورد 5 نیوتن متر است که تقریباً با پیچ گوشتی می توانید به دست آورید، سپس ادامه دهید تا دستگیره یا لوله از کار بیفتد.
برای هر لوله آزمایش کردیم که چند درجه چرخش در 5 نیوتن متر بار وجود دارد و تا زمانی ادامه دادیم که گرفتن لوله ها از کار بیفتد. فولاد ضد زنگ بهترین عملکرد را داشت و پس از آن آلومینیوم. از لوله‌های کربنی، هر دوی آنها عملکرد ضعیفی داشتند و لوله‌های رول‌پیچ شده کمی به سمت بیرون انجام می‌شدند.
3-تست خم شدن نقطه
این یک تست خمشی 3 نقطه ای برای لوله ها است. استفاده از سر ابزار سفارشی برای نشان دادن تغییر شکل الاستیک و در نهایت پلاستیک و در نهایت خرابی. همانطور که انتظار می رفت، هر دو لوله فلزی از طریق تغییر شکل پلاستیکی و خمش شکست خوردند. لوله های کربنی قبل از شکست در اثر ترک خوردن و له شدن لوله منحرف شدند. لوله رول پیچیده شده در حدود 200 کیلوگرم بهترین عملکرد را داشت و به دنبال آن لوله فولادی با وزن 175 کیلوگرم بود. لوله pultruded در حدود 140 کیلوگرم و سپس آلومینیوم در 50 کیلوگرم شکست خورد. این آزمایش به ویژه مزایای الیاف حلقه اضافی را در یک لوله رول پیچیده در مقایسه با لوله های pultruded برجسته می کند.
هنگامی که وزن و چگالی نسبی مواد را در نظر می گیریم، تعادل نتایج به طور قابل توجهی تغییر می کند. ضد زنگ تقریباً 5.5 برابر چگالی کربن با 8 گرم در سانتی متر مکعب و آلومینیوم تقریباً دو برابر با 2.7 گرم در سانتی متر مکعب است. با تنظیم وزن، لوله‌های فولادی و آلومینیومی عملکرد مشابهی با لوله‌های فیبر کربنی دارند. با انجام همین تنظیم برای سایر تست ها، نتایج یکسانی را برای همه به جز تست پیچشی مشاهده می کنیم.
نتایج و ملاحظات لوله پراکنده
ما نتایج و چگونگی تاثیر آن بر استفاده از این نوع لوله ها را در نظر می گیریم. در بارهای کششی و فشاری خالص، این لوله ها عملکردی استثنایی نسبت به وزن خود ارائه می دهند. این لوله‌های ضخیم‌شده با در نظر گرفتن طول خود، تقریباً به اندازه یک لوله کربنی قوی هستند، اما این به قیمت عملکرد پیچشی، خرد شدن و مقاومت در برابر شکافتن است.
این باعث می شود که لوله های pultruded برای کاربردهایی مانند شفت های پیکان، میله های فشاری، پهپادها، بادبادک ها، روباتیک و میله های چادر ایده آل باشند. آنها همچنین در کاربردهای تعبیه شده مانند گردن ابزار و سازه های بال دیده می شوند. از آنجایی که آنها در قالب تولید می شوند، تلورانس قابل قبولی در OD و ID وجود دارد، با این حال، اگر به دنبال بخش های تلسکوپی هستید، احتمالاً باید یک لوله کوچکتر را سنباده بزنید تا به تناسب خوبی برسید.
نتایج و ملاحظات لوله پیچیده شده با رول
در این بخش به نتایج و چگونگی تأثیر آن بر استفاده از این نوع لوله ها می پردازیم. همانطور که در تست‌های کشش و فشار مشاهده می‌شود، این لوله‌ها تقریباً به خوبی عملکرد pultruded دارند. آزمایش خمش سه نقطه ای واقعاً مزایای الیاف حلقه و مقاومت له شدن آنها را بر روی لوله های pultruded نشان داد. همچنین نشان داد که چگونه الیاف حلقه مقاومت پیچشی را کمی بهبود می بخشد.
این استحکام حلقه اضافی است که به این معنی است که اگرچه از نظر سفتی کمی ضعیف‌تر است، اما در مقایسه با لوله‌های pultruded عملکرد بهتری در دنیای واقعی ارائه می‌دهند. قطر داخلی که در اطراف سنبه ساخته می شود دقیق ترین است و قسمت بیرونی آن به نحوه تکمیل آن بستگی دارد.
لوله های بافته شده بهترین ظاهر آرایشی را با بافت براق و براقیت بالا ارائه می دهند. با این حال، لایه بافته شده همچنین به استحکام حلقه و جلوگیری از انتشار ترک و محدود کردن خرد شدن می‌افزاید. این آنها را برای کاربردهایی مانند پایه صندلی دوچرخه، تجهیزات دوربین، هواپیماهای فوق سبک، بازوهای هواپیماهای بدون سرنشین و غیره ایده آل می کند.
لوله‌های رول بدون بافته شده هنوز عملکرد خوبی دارند، اما احتمالاً برای کاربردهایی که لوازم آرایشی اهمیت چندانی ندارند یا مزایای لایه بافته شده آنقدر مهم نیست، مناسب‌تر خواهند بود. این می تواند شامل اکستنشن های پنجه، پاروهای پارویی، روباتیک، بازوهای پهپاد یا حتی میله های تمیز کردن پنجره و کاربردهای مشابه باشد.
محدودیت های لوله های فیبر کربنی
اگرچه عملکرد لوله های فیبر کربن برای بسیاری از کاربردها بسیار خوب است، اما محدودیت ها و کاربردهایی نیز وجود دارد که در آن لوله های فیبر کربنی ممکن است ایده آل یا مناسب نباشند. ما در اینجا به چند مثال متداول خواهیم پرداخت. یک مثال خوب که در آن فیبر کربن ممکن است مناسب نباشد، کاربردهای دمای بالا است. فیبر کربن به شدت در بالای 120 درجه خراب می شود. آنها برای کاربردهایی که شامل سطوح بالای ساییدگی هستند، مانند یاتاقان‌های کشویی و بوش‌هایی که سطح آن خیلی سریع فرسوده می‌شود، مناسب نیستند. ماشینکاری دقیق مانند برش نخ ها به خوبی کار نمی کند زیرا نخ بسیار ضعیف خواهد بود - راه حل بهتر استفاده از یک درج فلزی یا مشابه با نخ در فلز برای چنین کاربردهایی است.
اتصال لوله ها به تقویت کامپوزیت یا ساخت قطعات اتصال پیچیده نیاز دارد. همچنین نمی‌تواند شکل بگیرد و می‌خواهد شکل فعلی خود را حفظ کند، بنابراین کاربردهایی مانند دسته‌های خمیده و غیره با لوله‌های از پیش ساخته امکان‌پذیر نیست. با این حال، می توان چنین لوله هایی را همانطور که در این ویدئو مشاهده می کنید، ساخت. لمینیت و بسته بندی لوله فیبر کربنی با استفاده از قالب شکاف.