توسعه و روند کامپوزیت های فیبر کربن در ورزش و اوقات فراغت (قسمت اول) (2)

[ادامه از: توسعه و روند کامپوزیت های فیبر کربن در ورزش و اوقات فراغت (قسمت اول) (1)]

3.1 قالب گیری اتوکلاو: "استاندارد طلایی" برای تجهیزات برتر مسابقه

قالب‌گیری اتوکلاو بالاترین کیفیت - و بالاترین هزینه - را در بین فرآیندهای قالب‌گیری فیبر کربن با تخلخل محصول زیر 1% و خواص مکانیکی نزدیک به محدودیت‌های نظری ارائه می‌دهد. در کالاهای ورزشی، تقریباً تمام تجهیزات سطح بالای مسابقات از آن استفاده می‌کنند: فریم‌های پرچم‌دار دوچرخه‌های جاده‌ای مانند Trek Madone و Specialized S-Works Tarmac از Prepreg درجه T800/T1000 Toray استفاده می‌کنند که در دمای 120 تا 180 درجه و 5 تا 7 بار برای 2 تا 4 ساعت، با وزن قاب تنها 70 تا 800 گرم، استفاده می‌کنند. شفت‌های گلف پیشرفته Fujikura و Graphite Design از پیش‌آب‌سازی فیبر کربن Toray T1100G با پخت اتوکلاو برای متعادل کردن سفتی شدید و وزن سبک استفاده می‌کنند. اجزای قایقرانی جام آمریکا نیز برای حداکثر قابلیت اطمینان از قالب اتوکلاو ساخته شده است. سرمایه گذاری تجهیزات معمولاً بین 20 تا 50 میلیون یوان است و هزینه واحد بسیار بالا است و این فرآیند را به محصولات رقابتی سطح بالا محدود می کند.

3.2 سیم پیچی رشته: "فرایند روح" برای میله های ماهیگیری و میله های گلف

سیم پیچی رشته ای یکی از پرکاربردترین فرآیندهای قالب گیری برای کالاهای ورزشی فیبر کربنی است و در میله های ماهیگیری و میله های گلف غیر قابل تعویض است. یدک‌های فیبر کربن آغشته به رزین با زوایای دقیق روی سنبه پیچ می‌شوند - لایه‌های داخلی در زوایای کوچک (15 درجه تا 25 درجه) سفتی خمشی را فراهم می‌کنند، لایه‌های بیرونی در زوایای بزرگ (45 درجه تا 60 درجه) سفتی پیچشی ایجاد می‌کنند - به طوری که طراحی چیدمان چند زاویه‌ای عملکرد مکانیکی محصول را بهینه می‌کند.

کامپوزیت Weihai Guangwei دقیقاً از اینجا شروع شد، با سیم پیچی رشته میله ماهیگیری. در سال 1998 اولین خط پیش آماده سازی فیبر کربن با عرض وسیع چین را برای تولید میله وارد کرد، سپس در بالادست به مواد فیبر کربنی گسترش یافت و در نهایت تبدیل به یک رهبر زنجیره کامل در صنعت فیبر کربن چین شد. پیش آغشته سازی فیبر کربن آن، ماده خام اصلی خوشه لوازم ماهیگیری Weihai است. Weihai، بزرگترین مرکز تولید میله ماهیگیری در جهان، میزبان یک زنجیره کامل است که از فیبر کربن اولیه ← سیم پیچی رشته ای ← تولید میله ← پردازش قطعات ← بازاریابی نام تجاری اجرا می شود و حدود 60 درصد از تولید جهانی میله را به خود اختصاص می دهد.

3.3 قالب گیری فشرده: "ابزار تولید انبوه" راکت ها و صفحات کفش کربنی

قالب‌گیری فشاری، پیش‌آب‌سازی را در قالب فلزی قرار می‌دهد و آن را تحت گرما و فشار پخت می‌کند و کارایی بالا، دقت خوب و مناسب بودن را برای تولید دسته‌ای بزرگ ارائه می‌دهد. در کالاهای ورزشی، فریم های راکت تنیس و بدمینتون تقریباً به طور کامل توسط قالب گیری فشرده سازی پیش آماده سازی ساخته می شوند - زاویه قرارگیری فیبر کربن (0 درجه / ± 45 درجه / 90 درجه) خم شدن و سفتی پیچشی راکت را کنترل می کند و "نقطه شیرین" را بهینه می کند. راکت های سطح بالا از Yonex، Li-Ning، Wilson و Babolat همگی از پیش آماده سازی فیبر کربن Toray با قالب گیری فشرده سازی استفاده می کنند.

صفحات کربنی برای کفش های ورزشی نیز به صورت فشرده در دسته های متوسط ​​تا بزرگ قالب گیری می شوند - چندین لایه از پیش آغشته سازی الیاف کربن تحت حرارت و فشار در یک قالب پخته می شوند و سپس به شکل های صفحه ای بریده می شوند. کفش‌های دویدن با روکش کربن نایک، لی‌نینگ، اکس‌تپ و آنتا همگی از این فرآیند استفاده می‌کنند. اجزای دوچرخه (ساقه، پایه صندلی، میل لنگ)، بند اسکی و پوسته دنده محافظ نیز به طور گسترده ای قالب گیری فشرده سازی می شوند. برندهایی مانند جاینت و مریدا از تعداد زیادی قطعات کربنی قالب گیری فشرده استفاده می کنند.

3.4 RTM و VARI: از رینگ دوچرخه تا بدنه قایق های مسابقه ای

RTM (Resin Transfer Molding) از یک قالب بسته با تزریق رزین تحت فشار برای دستیابی به سطوح صاف در هر دو طرف و تولید تقریباً توری استفاده می کند. در کالاهای ورزشی، RTM عمدتاً برای رینگ‌های دوچرخه فیبر کربنی (قالب‌گیری یک تکه تعداد اتصالات را کاهش می‌دهد)، سر چوب گلف (تشکیل هندسه‌های پیچیده با دقت بالا) و شفت چوب هاکی روی یخ (ضخامت دیواره متغیر برای وزن سبک) استفاده می‌شود. در مقایسه با مسیر prepreg-autoclave، RTM راندمان تولید را 3 تا 5 برابر افزایش می دهد.

VARI (تزریق رزین با کمک خلاء) از فشار منفی خلاء برای هدایت رزین به فیبر خشک استفاده می کند. سرمایه گذاری تجهیزات کم است و این فرآیند برای قطعات بزرگ مناسب است. در کالاهای ورزشی، VARI عمدتاً برای پوسته های قایقرانی، کایاک و بدنه قایقرانی (در اندازه 3 تا 10 متر، بسیار بزرگ برای اتوکلاو) استفاده می شود. یک نام تجاری مشهور اروپایی کایاک از VARI برای تولید کایاک‌های فیبر کربنی با درجه رقابتی استفاده می‌کند و زمان چرخه در هر واحد را از 40 ساعت با دراز کردن دست به 12 ساعت کاهش می‌دهد و به کسر حجمی فیبر به 58 درصد می‌رسد. تخته های موج سواری فیبر کربن و تخته های پارویی ایستاده (SUP) نیز از VARI استفاده می کنند. شکل دهی کم فشار آن با موفقیت هسته های فوم EPS را با پوسته های فیبر کربنی ادغام می کند و محصولات را 30 درصد سبک تر از تخته های موج سواری الیاف شیشه ای معمولی می کند.

3.5 Prepreg: "ماده میانی اصلی" تولید کالاهای ورزشی

Prepreg مهمترین ماده میانی در تولید CFRP است - یک ورق نیمه پخته شده تولید شده توسط الیاف کربن از قبل آغشته به رزین. در کالاهای ورزشی، پیش‌آب ترموست (عمدتاً اپوکسی) حدود 80 درصد را تشکیل می‌دهد و به طور گسترده در قاب‌های دوچرخه، میله‌های گلف، راکت‌های تنیس و میله‌های ماهیگیری استفاده می‌شود. پیش‌آب گرمانرم (PEEK، PPS، PA6 و غیره) حدود 20 درصد را تشکیل می‌دهد و به سرعت در حال رشد است - قابلیت بازیافت، قابلیت پردازش مجدد و چرخه قالب‌گیری کوتاه (دقیقه در مقابل ساعت) به ویژه چوب‌های اسکی، تجهیزات محافظ و صفحات کفش کربنی، جایی که چقرمگی و بهره‌وری بیشترین اهمیت را دارد. Teijin یک کارخانه نوار چسب یک طرفه گرمانرم در آلمان دارد که به فیبر کربن/PEEK و فیبر کربن/PPS برای محصولات ورزشی اختصاص داده شده است.

4. مقایسه مواد: چرا فیبر کربن اولین انتخاب برای کالاهای ورزشی شده است؟

تقاضای اصلی در انتخاب مواد برای کالاهای ورزشی "سبک تر، قوی تر، انعطاف پذیرتر، بادوام تر" است. فیبر کربن در هر چهار بعد دارای مزایای چشمگیری است:

استحکام ویژه (استحکام/ چگالی) فیبر کربن 10 برابر فولاد، 8 برابر آلیاژ آلومینیوم و 5 برابر آلیاژ تیتانیوم است - دقیقاً ترکیبی از سبک وزن بسیار بالا و استحکام بالا که کالاهای ورزشی دنبال می کنند. اما فیبر کربن یک پاسخ جهانی نیست: شکنندگی آن به این معنی است که شکست فاجعه‌بار می‌تواند در اثر ضربه‌های شدید رخ دهد، بنابراین در چوب‌های هاکی روی یخ، لبه‌های اسکی و سایر کاربردهایی که به چقرمگی بالا نیاز دارند، اغلب از بافت هیبریدی کربن/آرامید استفاده می‌شود که از مقاومت عالی آرامید در برابر ضربه برای جبران شکنندگی فیبر کربن استفاده می‌شود. سری میله های رده بالای شیمانو EXSENS از فیبر کربن به همراه هیبرید آرامید استفاده می کند که به طور قابل توجهی مقاومت ضربه را بهبود می بخشد و وزن را کاهش می دهد.

با هزینه، فیبر کربن بزرگ (48K/50K) به RMB 80-100/kg کاهش یافته است و به طور مداوم فاصله را با فیبر شیشه کاهش می دهد (RMB 8-15/kg). انتشار سریع ظرفیت فیبر کربن بزرگ توسط گروه فیبر شیمیایی Jilin، حرکت فیبر کربن را از رقابت حرفه ای به بازارهای مصرف انبوه سرعت می بخشد. با در نظر گرفتن دوچرخه های فیبر کربنی به عنوان مثال، استفاده از فیبر کربن یدک کش بزرگ می تواند هزینه مواد قاب را تا حدود 40 درصد کاهش دهد و قیمت دوچرخه های کربنی سطح پایه را از 8000 یوان به محدوده 5000 یوان کاهش دهد.

5. برنامه های اصلی: چگونه فیبر کربن چشم انداز کالاهای ورزشی را تغییر می دهد

5.1 باشگاه گلف: "نخستین میدان نبرد" فیبر کربن

باشگاه‌های گلف بزرگ‌ترین بازار کاربردی ورزشی تکی برای فیبر کربن هستند. هنگامی که فیبر کربن در دهه 1970 تجاری شد، چوب های گلف و میله های ماهیگیری جزو اولین کالاهای ورزشی بودند که از آن استفاده کردند. با توجه به QYResearch، انتظار می رود فروش جهانی چوب های گلف فیبر کربن تا سال 2031 به 5.854 میلیارد یوان برسد که نرخ رشد سالانه مرکب 7.0 درصد است.

در بخش فناوری، درایور TaylorMade Qi10 LS از طراحی "Infinity Carbon Crown" با 60 لایه فیبر کربن و یک صفحه منحنی دوگانه استفاده می کند که کربن 97٪ از سطح تاج را پوشش می دهد تا بازده انتقال انرژی عالی را به دست آورد. شفت های سری Tour AD شرکت Graphite Design از فناوری پیش آغشته سازی فیبر کربن و نانو آلیاژ Toray T1100G استفاده می کنند که سفتی ساختار را بدون افزودن وزن به شدت افزایش می دهد. Callaway (درآمد سالانه حدود 1.8 میلیارد دلار) و TaylorMade (حدود 1.5 میلیارد دلار) دو برند جهانی پیشرو در چوب های گلف فیبر کربن هستند و هر دو مواد اصلی فیبر کربن خود را منحصراً از Toray ژاپن تهیه می کنند.

شایان ذکر است که مواد فیبر کربن برای چوب های گلف فیبر کربن پیشرفته چین تا 87 درصد به واردات وابسته است و فضای زیادی برای جایگزینی داخلی باقی می گذارد. مسیر توسعه کامپوزیت گوانگ‌وی - که از وسایل ماهیگیری ویهای شروع می‌شود و به تدریج در بالادست به مواد فیبر کربنی گسترش می‌یابد - مدلی قابل تکرار برای این صنعت ارائه می‌کند: شروع از تقاضای کالاهای ورزشی در بازار نهایی، ادغام مواد بالادستی به صورت معکوس، و بستن حلقه زنجیره صنعت.

[ادامه دارد: توسعه و روند کامپوزیت های فیبر کربن در ورزش و اوقات فراغت (قسمت اول) (3)]

[منبع] انجمن صنعت کامپوزیت چین (CCIA)، وب سایت رسمی

[لینک اصلی] https://ccia.xin/xingyebaogao/3618.html