Hoe Kies je de Beste Koolstofvezelbuis voor een Toepassing?

Er zijn twee hoofdtypen buizen die we in deze handleiding behandelen: Pultrusiebuizen en gewikkelde Buizen.

Gepultrudeerde buizen hebben over het algemeen kleinere diameters en bieden de maximaal mogelijke longitudinale sterkte, maar zijn daardoor kwetsbaarder voor verplettering of torsiebreuk. Het binnen- en buitenoppervlak hiervan is glad, waarbij de vezels zichtbaar zijn als je er goed naar kijkt. Deze buizen worden gevormd door de vezels door een harsbad en een verwarmde matrijs te trekken om de buis te vormen. De vezels zijn allemaal in de lengterichting georiënteerd. Het pultrusieproces zorgt ervoor dat de buizen een goede stijfheid hebben, maar gemakkelijk splijten.

Gewikkelde koolstofvezel buizen zijn doorgaans de grotere diameters en – dankzij hun afwisselende lagen van versterking – produceren een veerkrachtigere buis, vooral tegen druk- en torsiekrachten. Deze buizen hebben vezels zowel in de lengterichting als rondom voor ringstijfheid. Ze worden gevormd door lagen prepreg rond een doorn te wikkelen voordat ze in de oven worden uitgehard. Ze hebben meestal een gladde binnenafwerking. De buitenafwerking kan glad of geribbeld zijn. De geribbelde afwerking is een overblijfsel van het productieproces. Bij onze buizen met geweven afwerking wordt dit afgeslepen en worden de buizen gelakt voor een hoogglans afwerking. De gewikkelde buizen offeren een kleine hoeveelheid stijfheid op voor ringstijfheid, wat hen meer rondom sterkte en een betere druk- en splijtbestendigheid geeft dan pultrusiebuizen.

Andere methoden voor buisconstructie omvatten pull winding, maar dan met extra spiraalvormige vezels. Filament winding, waarbij vezels rond een doorn worden gewikkeld, voornamelijk voor extra ringsterkte, zoals in drukvaten. Buizen kunnen ook worden gevormd met behulp van een buitenmal en een binnenblaas, wat vaker wordt gedaan voor buizen met complexere vormen.

Het doel van deze mechanische tests is om vergelijkende gegevens te leveren tussen de twee soorten koolstofvezel buizen, 304 roestvrij staal en 6063 aluminium. We gebruiken dezelfde profielafmetingen tijdens de tests, namelijk 10mm buitendiameter en 8mm binnendiameter. Dit toont de prestaties ten opzichte van elkaar voor identieke profielen.

We werken niet volgens specifieke testnormen, omdat er geen normen zijn die zouden werken voor alle materialen en tests die worden uitgevoerd. We gebruiken ook geen standaard SI-eenheden, maar hebben omgerekend naar kilogrammen. Dit is om de cijfers herkenbaarder en informatiever te maken voor veel kijkers. Veel van de klemmen zijn speciaal voor deze tests geproduceerd, dus er zullen enkele compromissen moeten worden gesloten om de tests te laten werken.

Dit is een eenvoudige trekproef waarbij aan de buizen wordt getrokken totdat ze breken. Er wordt aan de buizen getrokken tot hun elastische limiet en vervolgens verder getrokken totdat ze breken. De elastische limiet wordt aangegeven door de constante helling op de grafiek en wanneer deze begint te vloeien en overgaat in plastische vervorming, neemt de helling af totdat deze breekt. Het vloeipunt is dus veel belangrijker om op te merken.

De test wordt herhaald voor alle materialen. Bij de koolstof buizen vindt de breuk plaats bij de klem. Dit is een beperking van de gebruikte klemmethode, die een concentratie van spanning in dat gebied veroorzaakt, dus met een betere klemmethode zouden veel hogere resultaten worden verwacht. Als ze niet op deze manier waren bezweken, zouden we verwachten dat de pultrusie 3 keer zo groot zou zijn als staal en 16 keer zo groot als aluminium.

Dit is een relatief eenvoudige druktest waarbij de buis tussen twee klemmen wordt geperst. De metalen samples gedragen zich vrijwel zoals verwacht en de koolstofbuizen falen opnieuw bij de klem, wat de beperkingen van de testmethode aantoont. De stalen buis presteert het beste met 1.5 ton, gevolgd door de pultrusie- en gewikkelde buizen met iets minder dan een ton, waarbij de aluminium buis faalt bij ongeveer een halve ton.

We vergelijken de buizen met een bekende torsiebelasting om vergelijkende gegevens te leveren totdat de buizen in de klemmen slippen of breken. Het is bijzonder moeilijk om een goede grip te krijgen bij dit soort tests om vast te houden tot aan de breuk, maar we kunnen ze tot een bekend niveau testen. In dit geval 5 newtonmeter, wat ongeveer is wat je met een schroevendraaier kunt bereiken, en dan doorgaan totdat de klem of buis breekt.

Voor elke buis hebben we getest hoeveel graden rotatie er was bij 5 newtonmeter belasting en zijn we doorgegaan totdat de klem van de buis faalde. Roestvrij staal presteerde het beste, gevolgd door aluminium. Van de koolstofbuizen presteerden beide slecht, waarbij de gewikkelde buis iets beter presteerde dan de gepultrudeerde.

Dit is een buigtest met 3 punten voor de buizen. Met behulp van aangepaste gereedschapskoppen om elastische en uiteindelijk plastische vervorming en uiteindelijk falen te tonen. Zoals verwacht faalden beide metalen buizen door plastische vervorming en buiging. De koolstofbuizen bogen door voordat ze faalden door scheuren en verbrijzeling van de buis. De gewikkelde buis presteerde het beste met ongeveer 200kg, op de voet gevolgd door de stalen buis met 175kg. De pultrusiebuis faalde bij ongeveer 140kg, gevolgd door het aluminium bij 50kg. Deze test benadrukt met name het voordeel van de extra ringvezels op een gewikkelde buis vergeleken met de pultrusiebuizen.

Wanneer we rekening houden met het gewicht en de relatieve dichtheid van de materialen, verschuift het evenwicht van de resultaten aanzienlijk. Roestvrij staal is bijna 5,5 keer zo dicht als koolstof met 8g/cm³ en aluminium bijna het dubbele met 2,7g/cm³. Met de aanpassing voor gewicht presteren de stalen en aluminium buizen vergelijkbaar, waarbij de koolstofvezel buizen nu ver voor liggen. Als we dezelfde aanpassing voor de andere tests doen, zien we dezelfde resultaten voor alle tests, behalve de torsietest.

In dit gedeelte bespreken we de resultaten en hoe deze het gebruik van dit type buizen kunnen beïnvloeden. Bij zuivere trek- en drukbelastingen bieden deze buizen uitzonderlijke prestaties voor hun gewicht. In de lengterichting belast, zijn deze gepultrudeerde buizen ongeveer zo sterk als een koolstof buis kan zijn, maar dit gaat ten koste van de torsieprestaties, verplettering en weerstand tegen splijten.

Dit maakt gepultrudeerde buizen ideaal voor toepassingen zoals pijlschachten, duw-trekstangen, UAV's, vliegers, robotica en tentstokken. Ze worden ook gezien in inbeddingstoepassingen zoals instrumenthalzen en vleugelstructuren. Omdat ze in een matrijs worden geproduceerd, is er een redelijk nauwkeurige tolerantie op de buitendiameter en binnendiameter, maar als u op zoek bent naar telescopische secties, is het waarschijnlijk dat u één buis kleiner moet schuren om een goede pasvorm te krijgen.

In dit gedeelte bespreken we de resultaten en hoe deze het gebruik van dit type buizen kunnen beïnvloeden. Zoals te zien is in de trek- en druktests, presteren deze buizen bijna net zo goed als de gepultrudeerde buizen. De 3-punts buigtest benadrukte echt het voordeel van de ringvezels en de weerstand tegen verplettering die ze boden ten opzichte van de gepultrudeerde buizen. Het benadrukte ook hoe de ringvezels de torsieweerstand enigszins verbeteren.

Het is de extra ringsterkte die betekent dat ze, hoewel iets zwakker in stijfheid, betere allround prestaties in de praktijk bieden in vergelijking met de gepultrudeerde buizen. Omdat ze rond een doorn zijn gemaakt, is de binnendiameter het meest nauwkeurig, waarbij de buitenkant afhankelijk is van hoe deze is afgewerkt.

De geweven afwerking buizen bieden de beste cosmetische uitstraling met de weving in het zicht en een hoogglans afwerking. De geweven laag draagt echter ook bij aan de ringsterkte en het voorkomen van scheurvoortplanting en het beperken van splintervorming. Dit maakt ze ideaal voor toepassingen zoals fietszadelpennen, camera-apparatuur, ultralichte vliegtuigen, drone-armen enz.

De niet-geweven gewikkeld buizen presteren nog steeds uitstekend, maar zijn waarschijnlijk beter geschikt voor toepassingen waar cosmetica niet zo belangrijk is, of de voordelen van de geweven laag niet zo cruciaal zijn. Dit kan zijn voor helmstokverlengingen, roeispanen, robotica, UAV-armen of zelfs raamreinigingsstokken en soortgelijke toepassingen.

Hoewel de prestaties van koolstofvezel buizen voor veel toepassingen zeer goed zijn, zijn er ook beperkingen en toepassingen waar koolstofvezel buizen mogelijk niet ideaal of geschikt zijn. We zullen hier enkele veelvoorkomende voorbeelden behandelen. Een goed voorbeeld waarbij koolstofvezel mogelijk niet geschikt is, zijn toepassingen bij hoge temperaturen. Koolstofvezel zal ernstig verslechteren boven 120°C. Ze zijn niet geschikt voor toepassingen met hoge slijtage, zoals glijlagers en bussen, waar het oppervlak zeer snel zal slijten. Precisiebewerkingen, zoals het snijden van schroefdraad, werken niet goed, omdat de schroefdraad erg zwak zou zijn - een betere oplossing is om een metalen insert of iets dergelijks te gebruiken met de schroefdraad in het metaal voor dergelijke toepassingen.

Het verbinden van buizen vereist composietversterking of complexe verbindingsstukken. Het kan ook niet worden gevormd en zal zijn huidige vorm willen behouden, dus toepassingen zoals gebogen sturen enz. zouden niet mogelijk zijn met geprefabriceerde buizen. Dergelijke buizen kunnen echter worden gemaakt, zoals te zien is in deze video; Lamineren en Vacuümzakken van een Koolstofvezel Buis met Behulp van een Gedeelde Mal.

Ondanks deze beperkingen bieden koolstofvezel buizen een hoge mate van prestatie voor de juiste toepassingen en als zodanig biedt Easy Composites een selectie van verschillende soorten en maten buizen die geschikt zijn voor vele toepassingen.