[Ciąg dalszy z: Rozwój i trendy w zakresie kompozytów z włókna węglowego w sporcie i rekreacji (część I) (1)]
3.1 Formowanie w autoklawie: „Złoty standard” dla najlepszego sprzętu wyczynowego
Formowanie w autoklawie zapewnia najwyższą jakość i najwyższy koszt wśród procesów formowania włókien węglowych, przy porowatości produktu poniżej 1% i właściwościach mechanicznych bliskich teoretycznym granicom. W sprzęcie sportowym wykorzystuje go prawie cały najwyższej klasy sprzęt wyczynowy: flagowe ramy rowerów szosowych, takie jak Trek Madone i Specialized S-Works Tarmac, wykorzystują prepreg Toray T800/T1000 utwardzany w temperaturze 120–180 stopni i 5–7 barów przez 2–4 godziny, przy masie ramy zaledwie 700–800 g; wysokiej klasy drążki golfowe firm Fujikura i Graphite Design wykorzystują prepreg z włókna węglowego Toray T1100G utwardzany w autoklawie, aby zrównoważyć ekstremalną sztywność i lekkość; Elementy żeglarskie Pucharu Ameryki są również formowane w autoklawie, aby zapewnić maksymalną niezawodność. Inwestycje w sprzęt zwykle kosztują 20–50 milionów RMB, a koszt jednostkowy jest bardzo wysoki, co ogranicza proces do konkurencyjnych produktów najwyższej klasy.
3.2 Nawijanie włókna: „Proces duszy” w przypadku wędek i kijów golfowych
Nawijanie włókien jest jednym z najczęściej stosowanych procesów formowania artykułów sportowych z włókna węglowego i jest niezastąpione w wędkach i kijach golfowych. Impregnowane żywicą kable z włókna węglowego są nawijane na trzpień pod precyzyjnymi kątami - wewnętrzne warstwy pod małymi kątami (15 stopni - 25 stopni) zapewniają sztywność na zginanie, zewnętrzne warstwy pod dużymi kątami (45 stopni - 60 stopni) zapewniają sztywność skrętną - dzięki czemu konstrukcja z wieloma kątami optymalizuje anizotropowe właściwości mechaniczne produktu.
Firma Weihai Guangwei Composites rozpoczęła swoją działalność właśnie tutaj, od nawijania włókien wędki. W 1998 r. zaimportowała pierwszą w Chinach linię prepregów z włókna węglowego o dużej szerokości do produkcji prętów, a następnie rozszerzyła swoją działalność na materiały z włókna węglowego, ostatecznie stając się liderem pełnego łańcucha w chińskim przemyśle włókien węglowych. Podstawowym surowcem klastra sprzętu wędkarskiego Weihai pozostaje prepreg z włókna węglowego. Weihai, największe na świecie centrum produkcji wędek, obejmuje kompletny łańcuch obejmujący prepreg z włókna węglowego → nawijanie włókien → produkcję wędek → obróbkę komponentów → marketing marki i odpowiada za około 60% światowej produkcji wędek.
3.3 Formowanie tłoczne: „narzędzie do masowej produkcji” rakiet i płytek do butów z włókna węglowego
Formowanie tłoczne umieszcza prepreg w metalowej formie i utwardza go pod wpływem ciepła i ciśnienia, zapewniając wysoką wydajność, dobrą precyzję i przydatność do produkcji wielkoseryjnej. W przypadku artykułów sportowych ramy rakiet do tenisa i badmintona są prawie w całości wykonane metodą formowania tłocznego z prepregu – kąt ułożenia włókna węglowego (0 stopni / ± 45 stopni / 90 stopni) kontroluje sztywność zginania i skrętu rakiety, optymalizując „najlepszy punkt”. Wszystkie wysokiej klasy rakiety firm Yonex, Li-Ning, Wilson i Babolat wykorzystują prepreg z włókna węglowego Toray z formowaniem tłocznym.
Płyty węglowe do obuwia sportowego są również formowane tłocznie w średnich i dużych partiach – kilka warstw prepregu z włókna węglowego utwardza się w formie pod wpływem ciepła i ciśnienia, a następnie wycina w kształty podeszwy. Wszystkie buty do biegania z powłoką węglową firm Nike, Li-Ning, Xtep i Anta korzystają z tego procesu. Elementy rowerów (wsporniki, sztyce, korby), wiązania narciarskie i skorupy sprzętu ochronnego są również powszechnie formowane metodą tłoczenia; marki takie jak Giant i Merida wykorzystują dużą liczbę części z włókna węglowego formowanych ciśnieniowo.
3.4 RTM i VARI: od felg rowerowych po kadłuby łodzi regatowych
RTM (formowanie żywicą) wykorzystuje zamkniętą formę z wtryskiem żywicy pod ciśnieniem, aby uzyskać gładkie powierzchnie po obu stronach i produkcję w kształcie zbliżonym do netto. W artykułach sportowych RTM stosowany jest głównie do obręczy rowerowych z włókna węglowego (jednoczęściowe formowanie zmniejsza liczbę połączeń), główek kijów golfowych (wysoka precyzja formowania o złożonej geometrii) i trzonków kijów hokejowych (zmienna grubość ścianek zapewniająca lekkość). W porównaniu z metodą prepreg-autoklaw, RTM podnosi efektywność produkcji 3–5 razy.
VARI (wlew żywicy wspomagany próżniowo) wykorzystuje podciśnienie próżniowe do wprowadzenia żywicy do suchego włókna; Inwestycje w sprzęt są niskie, a proces nadaje się do dużych części. W artykułach sportowych VARI stosowany jest głównie do muszli wioślarskich, kajaków i kadłubów żaglowych (o wielkości 3–10 m, za dużych na autoklaw). Znana europejska marka kajaków wykorzystuje VARI do produkcji kajaków z włókna węglowego klasy konkurencyjnej, skracając czas cyklu na jednostkę z 40 godzin przy ręcznym układaniu do 12 godzin i osiągając udział objętościowy włókien wynoszący 58%. Deski surfingowe z włókna węglowego i deski do wiosłowania na stojąco (SUP) również korzystają z VARI; formowanie pod niskim ciśnieniem z powodzeniem łączy rdzenie z pianki EPS z powłokami z włókna węglowego, dzięki czemu produkty są o 30% lżejsze niż konwencjonalne deski surfingowe z włókna szklanego.
3.5 Prepreg: „Podstawowy materiał pośredni” do produkcji artykułów sportowych
Prepreg to najważniejszy materiał pośredni w produkcji CFRP – półutwardzony arkusz powstający w wyniku wstępnej impregnacji włókna węglowego żywicą. W artykułach sportowych termoutwardzalny prepreg (głównie epoksyd) stanowi około 80% i jest szeroko stosowany w ramach rowerów, kijach golfowych, rakietach tenisowych i wędkach; Prepreg termoplastyczny (PEEK, PPS, PA6 i inne) stanowi około 20% i szybko rośnie – jego możliwość recyklingu, ponownego przetwarzania i krótki cykl formowania (minuty w stosunku do godzin) szczególnie nadają się do nart, sprzętu ochronnego i wkładek do butów z włókna węglowego, gdzie wytrzymałość i produktywność mają największe znaczenie. Teijin prowadzi w Niemczech fabrykę termoplastycznych taśm jednokierunkowych, specjalizującą się w produkcji prepregów z włókna węglowego/PEEK i włókna węglowego/PPS do artykułów sportowych.
4. Porównanie materiałów: dlaczego włókno węglowe stało się pierwszym wyborem w przypadku artykułów sportowych?
Podstawowym wymogiem przy doborze materiałów do artykułów sportowych jest „lżejszy, mocniejszy, bardziej sprężysty i trwały”. Włókno węglowe wykazuje zdecydowane zalety we wszystkich czterech wymiarach:
Specyficzna wytrzymałość (wytrzymałość/gęstość) włókna węglowego jest 10 razy większa niż w przypadku stali, 8 razy większa w przypadku stopu aluminium i 5 razy większa w przypadku stopu tytanu – dokładnie to połączenie ekstremalnej lekkości i wysokiej wytrzymałości, do których dążą artykuły sportowe. Jednak włókno węglowe nie jest uniwersalną odpowiedzią: jego kruchość oznacza, że pod silnym uderzeniem może nastąpić katastrofalna awaria, dlatego w kijach hokejowych, krawędziach nart i innych zastosowaniach wymagających dużej wytrzymałości często stosuje się hybrydowe tkanie węgiel/aramid, wykorzystując doskonałą odporność na uderzenia aramidu, aby zrównoważyć kruchość włókna węglowego. Wysokiej klasy seria wędzisk Shimano EXSENS wykorzystuje hybrydę włókna węglowego i aramidu, co znacznie poprawia odporność na uderzenia, jednocześnie obniżając wagę.
Pod względem kosztów cena włókna węglowego do dużych holowników (48 tys./50 tys.) spadła do 80–100 RMB/kg, stale zmniejszając różnicę w stosunku do włókna szklanego (8–15 RMB/kg). Szybkie udostępnienie przez Jilin Chemical Fibre Group mocy produkcyjnych włókien węglowych do dużych holowników przyspiesza przejście włókien węglowych z profesjonalnej konkurencji na rynki masowych konsumentów. Biorąc za przykład rowery z włókna węglowego, zastosowanie włókna węglowego o dużym przekroju może obniżyć koszt materiału ramy o około 40%, obniżając ceny podstawowych rowerów z włókna węglowego z 8000 RMB do 5000 RMB.
5. Podstawowe zastosowania: jak włókno węglowe zmienia krajobraz artykułów sportowych
5.1 Kluby golfowe: „Pierwsze pole bitwy” włókna węglowego
Kluby golfowe to największy pojedynczy rynek zastosowań sportowych włókna węglowego. Kiedy w latach 70. XX wieku wprowadzono na rynek włókno węglowe, kije golfowe i wędki były jednymi z pierwszych artykułów sportowych, które je zastosowały. Według QYResearch oczekuje się, że globalna sprzedaż kijów golfowych z włókna węglowego osiągnie do 2031 r. 5,854 miliarda RMB, co oznacza złożoną roczną stopę wzrostu na poziomie 7,0%.
Od strony technologicznej przetwornik TaylorMade Qi10 LS wykorzystuje konstrukcję „Infinity Carbon Crown” z 60 warstwami włókna węglowego i podwójnie zakrzywioną powierzchnią czołową, przy czym węgiel pokrywa 97% obszaru korony, aby osiągnąć doskonałą efektywność przenoszenia energii. Wały serii Tour AD firmy Graphite Design wykorzystują prepreg z włókna węglowego Toray T1100G i technologię nanostopów, znacznie zwiększając sztywność konstrukcji bez zwiększania wagi. Callaway (roczne przychody na poziomie około 1,8 miliarda dolarów) i TaylorMade (około 1,5 miliarda dolarów) to dwie wiodące światowe marki klubów golfowych z włókna węglowego i obie pozyskują swoje podstawowe materiały z włókna węglowego wyłącznie od japońskiej firmy Toray.
Warto zauważyć, że materiały z włókna węglowego wykorzystywane w wysokiej klasy chińskich klubach golfowych z włókna węglowego są w aż do 87% zależne od importu, co pozostawia ogromne pole do zastąpienia na rynku krajowym. Ścieżka rozwoju Guangwei Composites – począwszy od sprzętu wędkarskiego Weihai i stopniowo rozszerzająca się na materiały z włókna węglowego – oferuje powtarzalny model dla branży: zacznij od zapotrzebowania na towary sportowe na rynku końcowym, integruj materiały z wydobycia w odwrotną stronę i zamknij pętlę łańcucha branżowego.
[Ciąg dalszy: Rozwój i trendy w zakresie kompozytów z włókna węglowego w sporcie i rekreacji (Część I) (3)]
[Źródło] Chińskie Stowarzyszenie Przemysłu Kompozytowego (CCIA), oficjalna strona internetowa
[Oryginalny link] https://ccia.xin/xingyebaogao/3618.html