[Pokračování z: Vývoj a trendy kompozitů z uhlíkových vláken ve sportu a volném čase (část I) (1)]
3.1 Formování v autoklávu: „Zlatý standard“ pro špičkové závodní vybavení
Lisování v autoklávu přináší nejvyšší kvalitu – a nejvyšší náklady – mezi procesy lisování z uhlíkových vláken, s pórovitostí produktu pod 1 % a mechanickými vlastnostmi blízkými teoretickým limitům. U sportovních potřeb jej používá téměř všechna špičková soutěžní výbava: rámy vlajkových lodí, jako jsou Trek Madone a Specialized S-Works Tarmac, používají prepreg Toray T800/T1000 vytvrzený při 120–180 stupních a tlaku 5–7 barů po dobu 2–4 hodin, s hmotností rámu pouze 700–800 g; high-end golfové shafty od Fujikura a Graphite Design používají Toray T1100G prepreg z uhlíkových vláken s autoklávovým vytvrzením pro vyvážení extrémní tuhosti a nízké hmotnosti; Komponenty pro plachtění America's Cup jsou také lisovány v autoklávu pro maximální spolehlivost. Investice do zařízení obvykle dosahují 20–50 milionů RMB a jednotkové náklady jsou velmi vysoké, což omezuje proces na konkurenční produkty nejvyšší úrovně.
3.2 Navíjení vlákna: „Proces duše“ pro rybářské pruty a golfové násady
Navíjení vlákna je jedním z nejpoužívanějších lisovacích procesů pro sportovní zboží z uhlíkových vláken a je nenahraditelné u rybářských prutů a golfových násad. Pryskyřicí impregnované kabely z uhlíkových vláken jsou navíjeny na trn v přesných úhlech - vnitřní vrstvy v malých úhlech (15 stupňů -25 stupňů) poskytují tuhost v ohybu, vnější vrstvy ve velkých úhlech (45 stupňů -60 stupňů) poskytují torzní tuhost - takže konstrukce víceúhlového uložení optimalizuje anizotropní mechanický výkon produktu.
Weihai Guangwei Composites začaly přesně zde, s navíjením vlákna rybářského prutu. V roce 1998 dovezla do Číny první širokou řadu prepregů z uhlíkových vláken, která sloužila výrobě prutů, poté se rozšířila o materiály z uhlíkových vláken a nakonec se stala celořetězovým lídrem v čínském průmyslu uhlíkových vláken. Jeho prepreg z uhlíkových vláken zůstává základní surovinou skupiny rybářských potřeb Weihai. Weihai, největší světové centrum pro výrobu rybářských prutů, hostí kompletní řetězec skládající se z prepregu z uhlíkových vláken → navíjení vlákna → výroba prutů → zpracování komponent → marketing značky a představuje asi 60 % celosvětové produkce prutů.
3.3 Lisování: „Nástroj hromadné výroby“ pro rakety a uhlíkové destičky
Lisování umístí prepreg do kovové formy a vytvrdí jej teplem a tlakem, čímž nabízí vysokou účinnost, dobrou přesnost a vhodnost pro velkosériovou výrobu. Ve sportovních potřebách jsou rámy tenisových a badmintonových raket téměř výhradně vyrobeny lisováním z prepregu - úhel rozložení uhlíkových vláken (0 stupňů / ± 45 stupňů / 90 stupňů) řídí ohyb a torzní tuhost rakety, čímž se optimalizuje "sweet spot". Špičkové rakety od Yonex, Li-Ning, Wilson a Babolat všechny používají Toray prepreg z uhlíkových vláken s lisováním.
Karbonové desky pro sportovní obuv jsou také lisovány ve středních až velkých sériích - několik vrstev prepregu z uhlíkových vláken se vytvrdí za tepla a tlaku ve formě a poté se nařeže na tvary podešví. Karbonem pokovené běžecké boty od Nike, Li-Ning, Xtep a Anta využívají tento proces. Komponenty jízdních kol (představce, sedlovky, kliky), lyžařská vázání a skořepiny ochranných pomůcek jsou také široce lisované; značky jako Giant a Merida používají velké množství kompresně lisovaných karbonových dílů.
3.4 RTM a VARI: Od ráfků jízdních kol po trupy závodních člunů
RTM (Resin Transfer Molding) používá uzavřenou formu s tlakovým vstřikováním pryskyřice k dosažení hladkých povrchů na obou stranách a výroby téměř čistého tvaru. Ve sportovních potřebách se RTM používá hlavně pro ráfky kol z uhlíkových vláken (jednodílný výlisek snižuje počet spojů), hlavy golfových holí (vysoce přesné tvarování složitých geometrií) a násady hokejek (proměnná tloušťka stěny pro nízké zatížení). Ve srovnání s cestou prepreg–autokláv zvyšuje RTM efektivitu výroby 3–5krát.
VARI (Vacuum Assisted Resin Infusion) využívá vakuový podtlak k vhánění pryskyřice do suchého vlákna; investice do zařízení jsou nízké a proces vyhovuje velkým dílům. Ve sportovních potřebách se VARI používá hlavně pro veslařské mušle, kajaky a trupy plachetnic (velikost 3–10 m, příliš velká pro autokláv). Známá evropská značka kajaků používá VARI k výrobě soutěžních kajaků z uhlíkových vláken, přičemž zkracuje dobu cyklu na jednotku ze 40 hodin s ručním pokládáním na 12 hodin a dosahuje podílu vláken na objemu 58 %. Surfovací prkna z uhlíkových vláken a stojací paddle boardy (SUP) také používají VARI; jeho nízkotlaké tvarování úspěšně integruje pěnová jádra EPS s potahy z uhlíkových vláken, díky čemuž jsou produkty o 30 % lehčí než konvenční surfovací prkna ze skleněných vláken.
3.5 Prepreg: „Základní mezimateriál“ výroby sportovního zboží
Prepreg je nejdůležitějším mezimateriálem při výrobě CFRP - polovytvrzená fólie vyrobená předimpregnováním uhlíkových vláken pryskyřicí. U sportovních potřeb tvoří termosetový prepreg (hlavně epoxid) asi 80 % a je široce používán v rámech jízdních kol, golfových násadách, tenisových raketách a rybářských prutech; termoplastický prepreg (PEEK, PPS, PA6 a další) tvoří asi 20 % a rychle roste – jeho recyklovatelnost, opětovná zpracovatelnost a krátký lisovací cyklus (minuty versus hodiny) vyhovují zejména lyžím, ochranným pomůckám a karbonovým deskám bot, kde na houževnatosti a produktivitě záleží nejvíce. Teijin provozuje továrnu na výrobu termoplastických jednosměrných pásek v Německu, která se věnuje výrobě karbonových vláken/PEEK a karbonových vláken/PPS prepregů pro sportovní zboží.
4. Srovnání materiálů: Proč se uhlíkové vlákno stalo první volbou pro sportovní zboží?
Základním požadavkem při výběru materiálů pro sportovní zboží je „lehčí, pevnější, odolnější, odolnější“. Uhlíkové vlákno vykazuje ohromné výhody ve všech čtyřech dimenzích:
Specifická pevnost (síla/hustota) uhlíkových vláken je 10krát větší než u oceli, 8krát větší než u slitiny hliníku a 5krát větší než u slitiny titanu – přesně to je kombinace extrémně nízké hmotnosti a vysoké pevnosti, kterou sportovní zboží vyžaduje. Uhlíkové vlákno však není univerzální řešení: jeho křehkost znamená, že při silném nárazu může dojít ke katastrofálnímu selhání, takže u hokejek, hran lyží a dalších aplikací vyžadujících vysokou houževnatost se často používá hybridní tkaní uhlík/aramid využívající vynikající odolnost aramidu proti nárazu, která kompenzuje křehkost uhlíkových vláken. Špičková řada prutů EXSENS od Shimano používá hybridní uhlíkové vlákno a aramid, což výrazně zlepšuje nárazovou houževnatost při zachování nízké hmotnosti.
Co se nákladů týče, karbonové vlákno pro velké vleky (48 K/50 K) kleslo na 80–100 RMB/kg, čímž se mezera neustále zužuje skleněným vláknem (8–15 RMB/kg). Rychlé uvolnění velké kapacity uhlíkových vláken společností Jilin Chemical Fiber Group urychluje přesun uhlíkových vláken z profesionální konkurence na trhy masových spotřebitelů. Vezmeme-li jako příklad kola z uhlíkových vláken, použití uhlíkových vláken s velkým vlekem může snížit náklady na materiál rámu asi o 40 %, čímž se ceny uhlíkových kol na základní úrovni sníží z 8 000 RMB na 5 000 RMB.
5. Základní aplikace: Jak uhlíková vlákna přetvářejí krajinu sportovního zboží
5.1 Golfové hole: „První bitevní pole“ Carbon Fiber
Golfové hole jsou největším samostatným trhem sportovních aplikací pro uhlíková vlákna. Když byla v 70. letech 20. století komercializována uhlíková vlákna, golfové hole a rybářské pruty patřily mezi první sportovní zboží, které je přijalo. Podle QYResearch se očekává, že celosvětové prodeje golfových holí z uhlíkových vláken do roku 2031 dosáhnou 5,854 miliardy RMB, což představuje složené roční tempo růstu 7,0 %.
Po technologické stránce využívá měnič TaylorMade Qi10 LS design „Infinity Carbon Crown“ s 60 vrstvami uhlíkových vláken a dvojitě zakřiveným obličejem, přičemž karbon pokrývá 97 % plochy korunky pro dosažení vynikající účinnosti přenosu energie. Hřídele řady Tour AD od Graphite Design využívají prepreg z uhlíkových vláken Toray T1100G a technologii nano-slitiny, což výrazně zvyšuje strukturální tuhost bez zvýšení hmotnosti. Callaway (roční příjmy přibližně 1,8 miliardy USD) a TaylorMade (přibližně 1,5 miliardy USD) jsou dvě přední světové značky golfových holí z uhlíkových vláken a obě získávají základní materiály z uhlíkových vláken výhradně od japonské společnosti Toray.
Stojí za zmínku, že materiály z uhlíkových vláken pro špičkové čínské golfové hole z uhlíkových vláken jsou až z 87 % závislé na dovozu, což ponechává obrovský prostor pro domácí substituci. Cesta vývoje Guangwei Composites – počínaje rybářským náčiním Weihai a postupně se rozšiřující proti proudu do materiálů z uhlíkových vláken – nabízí pro toto odvětví replikovatelný model: začněte s poptávkou po sportovním zboží na koncovém trhu, integrujte materiály proti proudu zpět a uzavřete smyčku průmyslového řetězce.
[Pokračování: Vývoj a trendy kompozitů z uhlíkových vláken ve sportu a volném čase (část I) (3)]
[Zdroj] China Composite Industry Association (CCIA), oficiální stránky
[Původní odkaz] https://ccia.xin/xingyebaogao/3618.html