Hoe kies je de beste koolstofvezelbuis voor een toepassing?

Er zijn twee hoofdtypen buizen die we in deze tutorial behandelen: Gepultrudeerde buizen en opgerolde buizen.

Gepultrudeerde buizen hebben meestal een kleinere diameter en bieden een zo groot mogelijke sterkte in de lengterichting, maar dit gaat ten koste van de kwetsbaarheid voor verbrijzeling of torsiefractuur. De binnen- en buitenkant zijn glad en de vezels zijn zichtbaar als je ze van dichtbij bekijkt. Deze buizen worden gevormd door de vezels door een harsbad en een verwarmde matrijs te trekken om de buis te vormen. De vezels zijn over de hele lengte georiënteerd. Door het pultrusieproces hebben de buizen een goede stijfheid, maar ze zijn gemakkelijk te splijten.

Opgerolde koolstofvezelbuizen hebben meestal een grotere diameter en zijn door hun afwisselende versterkingslagen veerkrachtiger, vooral bij druk- en torsiekrachten. Deze buizen hebben vezels zowel in de lengte als rondom voor hoepelsterkte. Ze worden gevormd door lagen pre-preg 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 overgebleven van het productieproces. Bij onze Woven Finish kokers wordt deze afgeslepen en worden de kokers gelakt voor een hoogglanzende afwerking. De gerolde buizen offeren een klein beetje stijfheid op voor hoepelsterkte, waardoor ze meer allround sterkte hebben en beter bestand zijn tegen pletten en splijten dan gepultrudeerde buizen.

Andere methoden om buizen te maken zijn onder andere trekwinden, maar dan met extra spiraalvormige vezels. Filament winding waarbij vezels rond een doorn worden gewikkeld, voornamelijk voor extra hoepelsterkte zoals in drukvaten. Buizen kunnen ook worden gegoten met behulp van een buitenmal en een binnenblaas, wat vaker gebeurt voor buizen met complexere vormen.

Het doel van deze mechanische tests is om vergelijkende gegevens te verkrijgen tussen de twee soorten koolstofvezelbuizen, 304 roestvast staal en 6063 aluminium. We gebruiken dezelfde profielmaten voor alle tests, namelijk 10 mm buitendiameter en 8 mm binnendiameter. Dit toont de prestaties ten opzichte van elkaar voor identieke profielen.

We werken niet volgens specifieke teststandaarden omdat er geen standaarden zijn die geschikt zijn voor alle materialen en testen die we doen. We gebruiken ook geen standaard SI-eenheden, maar hebben deze omgerekend naar kilogram. Dit is om de cijfers begrijpelijker en informatiever te maken voor veel mensen die kijken. Veel van de handvatten zijn speciaal voor deze tests gemaakt, dus er zullen wat compromissen worden gesloten om de tests te laten werken.

Dit is een eenvoudige trektest waarbij aan de buizen wordt getrokken tot ze breken. Er wordt aan de buizen getrokken tot hun elastische grens en dan verder getrokken tot ze breken. De elasticiteitsgrens wordt aangegeven door de constante gradiënt op de grafiek en wanneer de buis begint mee te geven en overgaat op plastische vervorming, neemt de gradiënt af tot de buis breekt. Daarom is de rekgrens veel belangrijker om op te merken.

De test wordt herhaald voor alle materialen. Bij de koolstofbuizen is het falen bij de greep. Dit is een beperking van de gebruikte grijpmethode die een spanningsconcentratie in dat gebied veroorzaakt, dus met een betere grijpmethode zouden veel betere resultaten te verwachten zijn. Als ze niet op deze manier waren bezweken, hadden we verwacht dat de pultrusie 3 keer die van staal en 16 keer die van aluminium zou meten.

Dit is een relatief eenvoudige drukproef waarbij de buis tussen twee handgrepen wordt gedrukt. De metalen monsters gedragen zich ongeveer zoals verwacht en de koolstofbuizen falen opnieuw bij de greep, wat de beperkingen van de testmethode aantoont. De stalen buis presteert met 1,5 ton het beste, gevolgd door de gepultrudeerde en gewikkelde buizen met iets minder dan een ton en de aluminium buis bezwijkt bij ongeveer een halve ton.

We vergelijken de buizen met een bekende torsiebelasting om vergelijkende gegevens te verkrijgen tot de buizen in de handgrepen wegglijden of het begeven. Het is bijzonder moeilijk om bij dit soort tests een goede grip te krijgen om ze vast te houden tot ze bezwijken, maar we kunnen ze wel testen tot een bekend niveau. In dit geval 5 newtonmeter, wat ongeveer is wat je met een schroevendraaier kunt bereiken, en dan doorgaan tot de greep of de buis het begeeft.

Voor elke buis testten we hoeveel graden rotatie er was bij 5 newtonmeter belasting en gingen door tot de grip van de buizen het begaf. Roestvrij staal presteerde het beste, gevolgd door aluminium. De koolstofbuizen presteerden allebei slecht, waarbij de gewikkelde buis iets beter presteerde dan de gepultrudeerde buis.

Dit is een buigtest met 3 punten voor de buizen. Met aangepaste gereedschapskoppen om elastische en uiteindelijk plastische vervorming en uiteindelijk bezwijken te tonen. Zoals verwacht bezweken beide metalen buizen door plastische vervorming en buiging. De koolstofbuizen bogen door voordat ze bezweken door barsten en verbrijzeling van de buis. De gewikkelde buis presteerde het beste bij ongeveer 200 kg, op de voet gevolgd door de stalen buis bij 175 kg. De gepultrudeerde buis bezweek bij ongeveer 140 kg gevolgd door de aluminium buis bij 50 kg. Deze test benadrukt vooral het voordeel van de extra hoepelvezels op een gerolde buis in vergelijking met de gepultrudeerde buizen.

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

In dit hoofdstuk bekijken we de resultaten en hoe deze het gebruik van dit type buizen kunnen beïnvloeden. Bij pure trek- en drukbelasting bieden deze buizen uitzonderlijke prestaties voor hun gewicht. Belast over hun lengte zijn deze gepultrudeerde buizen ongeveer even sterk als een koolstofbuis maar dit gaat ten koste van hun torsievermogen, verbrijzeling en weerstand tegen splijten.

Dit maakt gepultrudeerde buizen ideaal voor toepassingen zoals pijlassen, trekstangen, UAV's, vliegers, robotica en tentstokken. Ze worden ook gebruikt voor inbeddingstoepassingen zoals instrumenthalzen en vleugelstructuren. Omdat ze in een matrijs worden geproduceerd, is er een redelijk nauwkeurige tolerantie op OD en ID, maar als je telescopische secties wilt, is het waarschijnlijk dat je een buis kleiner moet schuren om een goede pasvorm te krijgen.

In deze sectie bekijken we de resultaten en hoe dit het gebruik van dit type buizen kan beïnvloeden. Zoals we bij de trek- en compressietests zagen, presteerden deze buizen bijna even goed als de gepultrudeerde buizen. De driepuntsbuigtest benadrukte echt het voordeel van de hoepelvezels en de kreukelweerstand die ze boden ten opzichte van de gepultrudeerde buizen. Het benadrukte ook hoe de hoepelvezels de torsieweerstand iets verbeteren.

Het is de extra hoepelsterkte die betekent dat ze, hoewel ze iets zwakker zijn in stijfheid, betere allround prestaties bieden in vergelijking met de gepultrudeerde buizen. Omdat ze rond een doorn worden gemaakt, is de binnendiameter het nauwkeurigst, terwijl de buitenkant afhangt van de afwerking.

De buizen met geweven afwerking bieden het beste cosmetische uitzicht met het zichtbare weefsel en een hoogglanzende afwerking. De geweven laag draagt echter ook bij aan de sterkte van de hoepel, voorkomt scheurgroei en beperkt splinteren. Dit maakt ze ideaal voor toepassingen zoals fietszadelpennen, camera-apparatuur, ultralichte vliegtuigen, drone-armen enz.

De niet-geweven opgerolde buizen presteren nog steeds uitstekend, maar zijn waarschijnlijk beter geschikt voor toepassingen waarbij cosmetica niet zo belangrijk is of waarbij de voordelen van de geweven laag niet zo kritisch zijn. Denk maar aan disselverlengstukken, roeispanen, robotica, UAV-armen of zelfs glazenwasserspalen en gelijkaardige toepassingen.

Hoewel de prestaties van koolstofvezelbuizen voor veel toepassingen erg goed zijn, zijn er ook beperkingen en toepassingen waarbij koolstofvezelbuizen niet ideaal of geschikt zijn. We zullen hier enkele veelvoorkomende voorbeelden behandelen. Een goed voorbeeld van toepassingen waarbij koolstofvezel niet geschikt is, zijn toepassingen bij hoge temperaturen. Koolstofvezel gaat boven de 120°C sterk achteruit. Ze zijn niet geschikt voor toepassingen met veel slijtage zoals glijlagers en bussen waar het oppervlak zeer snel slijt. Precisiebewerking zoals het snijden van schroefdraad werkt niet goed omdat de schroefdraad dan erg zwak is - een betere oplossing is het gebruik van een metalen insert of iets dergelijks met de schroefdraad in het metaal voor dergelijke toepassingen.

Voor het verbinden van buizen is een composietversterking of het maken van complexe verbindingsstukken nodig. Het kan ook niet worden gevormd en zal zijn huidige vorm willen behouden, dus toepassingen zoals gebogen sturen enz. zijn niet mogelijk met kant-en-klare buizen. Zulke buizen kunnen echter wel worden gemaakt, zoals te zien is in deze video: Lamineren en opzakken van een koolstofvezelbuis met behulp van een gespleten mal.

Ondanks deze beperkingen bieden koolstofvezelbuizen een hoog prestatieniveau voor de juiste toepassingen en daarom biedt Easy Composites een selectie van verschillende soorten en maten buizen die geschikt zijn voor vele toepassingen.