Rundrohr aus Kohlefaser

Die verschiedenen Arten von Kohlefaserrohren
Es gibt zwei Haupttypen von Rohren, die wir in diesem Tutorial behandeln: pultrudierte Rohre und gerollte Rohre.
Pultrudierte Rohre weisen tendenziell kleinere Durchmesser auf und bieten die größtmögliche Festigkeit in Längsrichtung, sind jedoch anfälliger für Quetschungen oder Torsionsbrüche. Die Innen- und Außenflächen sind glatt und die Fasern sind bei genauem Hinsehen sichtbar. Diese Röhren werden geformt, indem die Fasern durch ein Harzbad und eine erhitzte Düse gezogen werden, um die Röhre zu formen. Die Fasern sind alle entlang ihrer Länge ausgerichtet. Durch das Pultrusionsverfahren weisen die Rohre zwar eine gute Steifigkeit auf, lassen sich aber leicht spalten.
Rollgewickelte Kohlefaserrohre haben tendenziell größere Durchmesser und ergeben aufgrund ihrer abwechselnden Verstärkungsschichten ein widerstandsfähigeres Rohr, insbesondere gegenüber Quetsch- und Verdrehkräften. Diese Rohre sind sowohl entlang der Länge als auch rundherum mit Fasern versehen, um die Ringfestigkeit zu erhöhen. Sie werden geformt, indem Prepreg-Schichten um einen Dorn gewickelt werden, bevor sie im Ofen ausgehärtet werden. Sie neigen dazu, eine glatte Innenoberfläche zu haben. Die äußere Oberfläche kann glatt oder gerippt sein. Die gerippte Oberfläche ist vom Herstellungsprozess übriggeblieben. Bei unseren Woven Finish-Röhren wird dieser abgeschliffen und die Röhren für ein Hochglanzfinish lackiert. Die gerollten Rohre opfern ein wenig Steifigkeit für die Ringfestigkeit, was ihnen insgesamt mehr Festigkeit und eine bessere Druck- und Spaltfestigkeit verleiht als pultrudierte Rohre.
Andere Rohrkonstruktionsmethoden umfassen die Zugwicklung, beinhalten aber auch zusätzliche spiralförmige Fasern. Filamentwicklung, bei der Fasern um einen Dorn gewickelt werden, hauptsächlich für zusätzliche Ringfestigkeit, beispielsweise in Druckbehältern. Auch Rohre können mithilfe einer Außenform und einer Innenblase geformt werden, was bei Rohren mit komplexeren Formen häufiger der Fall ist.
Mechanische Prüfung
Der Zweck dieser mechanischen Tests besteht darin, Vergleichsdaten zwischen den beiden Arten von Kohlefaserrohren, 304-Edelstahl und 6063-Aluminium, bereitzustellen. Wir verwenden bei allen Tests die gleichen Profilgrößen, nämlich 10 mm Außendurchmesser und 8 mm Innendurchmesser. Dadurch wird die Leistung im Verhältnis zueinander für identische Profile angezeigt.
Wir arbeiten nicht nach bestimmten Teststandards, da es keine gibt, die für alle durchgeführten Materialien und Tests geeignet wären. Außerdem verwenden wir keine Standard-SI-Einheiten, die in Kilogramm umgerechnet wurden. Dadurch sollen die Zahlen für viele Zuschauer verständlicher und informativer werden. Viele der Griffe wurden speziell für diese Tests hergestellt, daher müssen einige Kompromisse eingegangen werden, damit die Tests funktionieren.
Zugfestigkeitstest
Hierbei handelt es sich um einen einfachen Zugversuch, bei dem die Rohre so lange gezogen werden, bis sie versagen. Die Schläuche werden bis zur Elastizitätsgrenze gezogen und dann weiter gezogen, bis sie brechen. Die Elastizitätsgrenze wird durch den konstanten Gradienten in der Grafik angezeigt. Wenn sie nachgibt und sich plastisch verformt, verringert sich der Gradient, bis er bricht. Daher ist es viel wichtiger, die Streckgrenze zu beachten.
Der Test wird für alle Materialien wiederholt. Bei den Carbonrohren liegt der Fehler am Griff. Dies ist eine Einschränkung der verwendeten Greifmethode, die zu einer Konzentration der Belastung in diesem Bereich führt, sodass mit einer besseren Greifmethode viel bessere Ergebnisse zu erwarten wären. Wären sie nicht auf diese Weise gescheitert, hätten wir erwartet, dass die Pultrusion dreimal so viel wie bei Stahl und 16 mal so viel wie bei Aluminium erreichen würde.
Druckfestigkeitstest
Hierbei handelt es sich um einen relativ einfachen Drucktest, bei dem das Rohr zwischen zwei Klemmen gepresst wird. Die Metallproben verhalten sich weitgehend wie erwartet und die Carbonrohre versagen erneut am Griff, was die Grenzen der Testmethode zeigt. Das Stahlrohr schneidet mit 1,5 Tonnen am besten ab, gefolgt von den pultrudierten und gerollten Rohren mit knapp einer Tonne, während das Aluminiumrohr bei etwa einer halben Tonne versagt.
Torsionssteifigkeitstest
Wir vergleichen die Rohre mit einer bekannten Torsionsbelastung, um Vergleichsdaten zu liefern, bis die Rohre in den Klemmen verrutschen oder versagen. Es ist besonders schwierig, bei dieser Art von Tests einen guten Halt zu finden und ihn bis zum Versagen durchzuhalten, aber wir können sie auf einem bekannten Niveau testen. In diesem Fall 5 Newtonmeter, was ungefähr dem entspricht, was man mit einem Schraubenzieher erreichen kann, dann weitermachen, bis der Griff oder das Rohr versagt.
Für jedes Rohr haben wir getestet, wie viele Grad Drehung es bei einer Last von 5 Newtonmetern gab, und haben so lange weitergemacht, bis der Halt des Rohrs nachließ. Edelstahl schnitt am besten ab, gefolgt von Aluminium. Von den Kohlenstoffrohren schnitten beide schlecht ab, wobei das gerollte Rohr etwas besser abgeschnitten hat als das pultrudierte Rohr.
3-Punktbiegetest
Dies ist ein 3-Punkt-Biegetest für die Rohre. Verwendung kundenspezifischer Werkzeugköpfe zur Darstellung der elastischen und schließlich plastischen Verformung und schließlich des Versagens. Wie erwartet versagten beide Metallrohre durch plastische Verformung und Biegung. Die Kohlenstoffrohre verformten sich, bevor sie durch Risse und Quetschungen im Rohr versagten. Das gerollte Rohr schnitt mit etwa 200 kg am besten ab, dicht gefolgt vom Stahlrohr mit 175 kg. Das pultrudierte Rohr versagte bei etwa 140 kg, gefolgt vom Aluminium bei 50 kg. Dieser Test verdeutlicht insbesondere den Vorteil der zusätzlichen Ringfasern auf einem gerollten Rohr im Vergleich zu den pultrudierten Rohren.
Wenn wir das Gewicht und die relative Dichte der Materialien berücksichtigen, verschiebt sich das Gleichgewicht der Ergebnisse erheblich. Edelstahl ist mit 8 g/cm³ fast 5,5-mal so dicht wie Kohlenstoff und Aluminium mit 2,7 g/cm³ fast doppelt so dicht. Mit der Gewichtsanpassung weisen die Stahl- und Aluminiumrohre eine ähnliche Leistung auf, während die Kohlefaserrohre jetzt weit vorne liegen. Wenn wir die gleichen Anpassungen für die anderen Tests vornehmen, sehen wir für alle mit Ausnahme des Torsionstests die gleichen Ergebnisse.
Ergebnisse und Überlegungen zu pultrudierten Rohren
Wir betrachten die Ergebnisse und wie sie die Verwendung dieser Art von Röhren beeinflussen könnten. Bei reiner Zug- und Druckbelastung bieten diese Rohre für ihr Gewicht eine außergewöhnliche Leistung. Unter Belastung über die gesamte Länge sind diese pultrudierten Rohre in etwa so stark wie ein Carbonrohr, dies geht jedoch zu Lasten der Torsionsleistung, der Quetschfestigkeit und der Spaltfestigkeit.
Dadurch eignen sich pultrudierte Rohre ideal für Anwendungen wie Pfeilschäfte, Schubstangen, UAVs, Drachen, Robotik und Zeltstangen. Sie kommen auch bei Einbettungsanwendungen wie Instrumentenhälsen und Flügelstrukturen vor. Da sie in einer Form hergestellt werden, gibt es eine einigermaßen genaue Toleranz für Außen- und Innendurchmesser. Wenn Sie jedoch nach Teleskopabschnitten suchen, müssen Sie wahrscheinlich ein Rohr kleiner schleifen, um eine gute Passform zu erhalten.
Ergebnisse und Überlegungen zu gerollten Tuben
In diesem Abschnitt betrachten wir die Ergebnisse und wie sie die Verwendung dieser Art von Röhren beeinflussen könnten. Wie aus den Zug- und Drucktests hervorgeht, erbringen diese Rohre fast die gleiche Leistung wie die pultrudierten Rohre. Der Drei-Punkt-Biegetest hat den Vorteil der Ringfasern und die Druckfestigkeit, die sie gegenüber den pultrudierten Rohren bieten, wirklich deutlich gemacht. Es wurde auch hervorgehoben, wie die Reifenfasern die Torsionsfestigkeit leicht verbessern.
Es ist die zusätzliche Ringfestigkeit, die dazu führt, dass sie im Vergleich zu pultrudierten Rohren trotz etwas geringerer Steifigkeit eine bessere Allround-Leistung in der Praxis bieten. Da es um einen Dorn herum hergestellt wird, ist der Innendurchmesser am genauesten, während der Außendurchmesser von der Endbearbeitung abhängt.
Die Rohre mit gewebter Oberfläche bieten mit der sichtbaren Webart und der Hochglanzoberfläche das beste kosmetische Erscheinungsbild. Allerdings trägt die gewebte Schicht auch zur Reifenfestigkeit bei und verhindert die Ausbreitung von Rissen sowie die Begrenzung des Splitterns. Dadurch sind sie ideal für Anwendungen wie Fahrradsattelstützen, Kameraausrüstung, Ultraleichtflugzeuge, Drohnenarme usw.
Die nicht gewebten, rollengewickelten Tuben erbringen immer noch hervorragende Leistungen, wären aber wahrscheinlich besser für Anwendungen geeignet, bei denen Kosmetika nicht so wichtig sind oder die Vorteile der gewebten Schicht nicht so wichtig sind. Dazu können Pinnenverlängerungen, Ruderruder, Robotik, UAV-Arme oder sogar Fensterputzstangen und ähnliche Anwendungen gehören.
Einschränkungen von Kohlefaserrohren
Obwohl die Leistung von Kohlefaserrohren für viele Anwendungen sehr gut ist, gibt es auch Einschränkungen und Verwendungszwecke, bei denen Kohlefaserrohre möglicherweise nicht ideal oder geeignet sind. Wir werden hier einige gängige Beispiele behandeln. Ein gutes Beispiel dafür, dass Kohlefaser möglicherweise nicht geeignet ist, sind Hochtemperaturanwendungen. Bei Temperaturen über 120 Grad zersetzt sich Kohlefaser stark. Sie eignen sich nicht für Anwendungen mit hohem Abrieb, wie z. B. Gleitlager und Buchsen, bei denen die Oberfläche sehr schnell verschleißt. Präzisionsbearbeitung wie das Schneiden von Gewinden funktioniert nicht gut, da das Gewinde sehr schwach wäre. Eine bessere Lösung besteht darin, für solche Anwendungen einen Metalleinsatz oder ähnliches mit dem Gewinde im Metall zu verwenden.
Das Verbinden von Rohren erfordert eine Verbundverstärkung oder die Herstellung komplexer Verbindungsstücke. Außerdem lässt es sich nicht formen und möchte seine aktuelle Form beibehalten, sodass Anwendungen wie gebogene Lenker usw. mit vorgefertigten Rohren nicht möglich wären. Allerdings können solche Röhren wie in diesem Video gezeigt hergestellt werden; Laminieren und Verpacken eines Kohlefaserrohrs mit einer geteilten Form.