Στρογγυλός σωλήνας από ανθρακονήματα

Οι διαφορετικοί τύποι σωλήνων από ανθρακονήματα
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι σωλήνων που καλύπτουμε σε αυτό το σεμινάριο: Σωλήνες με σωληνώσεις και σωλήνες με ρολό.
Οι ωθούμενοι σωλήνες τείνουν να έχουν μικρότερες διαμέτρους και να παρέχουν τη μέγιστη δυνατή διαμήκη αντοχή, αλλά σε βάρος του ότι είναι πιο ευάλωτοι σε σύνθλιψη ή στρεπτικό κάταγμα. Η εσωτερική και η εξωτερική επιφάνεια αυτών είναι λείες με τις ίνες να είναι ορατές αν τις δούμε προσεκτικά. Αυτοί οι σωλήνες σχηματίζονται τραβώντας τις ίνες μέσα από ένα λουτρό ρητίνης και θερμαινόμενη μήτρα για να σχηματιστεί ο σωλήνας. Οι ίνες είναι όλες προσανατολισμένες στο μήκος τους. Η διαδικασία εξώθησης σημαίνει ότι οι σωλήνες έχουν καλό επίπεδο ακαμψίας αλλά είναι εύκολο να σχιστούν.
Οι σωλήνες από ανθρακονήματα που τυλίγονται σε ρολό τείνουν να έχουν μεγαλύτερες διαμέτρους και - λόγω των εναλλασσόμενων στρωμάτων οπλισμού τους - παράγουν έναν πιο ελαστικό σωλήνα, ειδικά για τις δυνάμεις σύνθλιψης και συστροφής. Αυτοί οι σωλήνες έχουν ίνες τόσο κατά μήκος όσο και γύρω για αντοχή στο στεφάνι. Σχηματίζονται με το τύλιγμα στρώσεων προ-εμποτίσματος γύρω από ένα μανδρέλι πριν από τη σκλήρυνση σε φούρνο. Τείνουν να έχουν ομαλό εσωτερικό φινίρισμα. Το εξωτερικό φινίρισμα μπορεί να είναι λείο ή με ραβδώσεις στο φινίρισμα. Το φινίρισμα με ραβδώσεις απομένει από τη διαδικασία κατασκευής. Στους σωλήνες μας με υφαντό φινίρισμα αυτό αλέθεται και οι σωλήνες λακαρίζονται για γυαλιστερό φινίρισμα. Οι σωλήνες που τυλίγονται σε ρολό θυσιάζουν μια μικρή ακαμψία για την αντοχή του στεφάνου, η οποία τους δίνει μεγαλύτερη αντοχή σε όλα τα επίπεδα και καλύτερη αντίσταση σύνθλιψης και διάσπασης από τους σωλήνες με αυλακώσεις.
Άλλες μέθοδοι κατασκευής σωλήνων περιλαμβάνουν την περιέλιξη έλξης, αλλά περιλαμβάνει πρόσθετες ελικοειδείς ίνες. Περιέλιξη νήματος όπου οι ίνες τυλίγονται γύρω από έναν άξονα, κυρίως για πρόσθετη αντοχή στεφάνης, όπως σε δοχεία πίεσης. Επίσης, οι σωλήνες μπορούν να καλουπωθούν χρησιμοποιώντας ένα εξωτερικό καλούπι και μια εσωτερική κύστη, που γίνεται πιο συχνά για σωλήνες με πιο πολύπλοκα σχήματα.
Μηχανικές Δοκιμές
Ο σκοπός αυτών των μηχανικών δοκιμών είναι η παροχή συγκριτικών δεδομένων μεταξύ των δύο τύπων σωλήνων από ανθρακονήματα, 304 ανοξείδωτο χάλυβα και 6063 αλουμίνιο. Χρησιμοποιούμε τα ίδια μεγέθη προφίλ σε όλες τις δοκιμές, δηλαδή 10 mm εξωτερική διάμετρος και 8 mm εσωτερική διάμετρος. Αυτό θα δείξει την απόδοση μεταξύ τους για πανομοιότυπα προφίλ.
Δεν εργαζόμαστε σύμφωνα με συγκεκριμένα πρότυπα δοκιμών, καθώς δεν υπάρχουν κανένα που να λειτουργεί για όλα τα υλικά και τις δοκιμές που γίνονται. Επίσης, δεν χρησιμοποιούμε τυπικές μονάδες SI που έχουν μετατραπεί σε κιλά. Αυτό γίνεται για να γίνουν οι φιγούρες πιο σχετικές και ενημερωτικές για πολλούς ανθρώπους που παρακολουθούν. Πολλές από τις λαβές έχουν κατασκευαστεί ειδικά για αυτές τις δοκιμές, επομένως θα υπάρξουν κάποιοι συμβιβασμοί για να λειτουργήσουν τα τεστ.
Δοκιμή αντοχής σε εφελκυσμό
Αυτή είναι μια απλή δοκιμή εφελκυσμού όπου οι σωλήνες τραβιέται μέχρι να αποτύχουν. Οι σωλήνες έλκονται μέχρι το όριο ελαστικότητάς τους και στη συνέχεια έλκονται περαιτέρω μέχρι να σπάσουν. Το όριο ελαστικότητας υποδεικνύεται από τη σταθερή κλίση στο γράφημα και όταν αρχίζει να υποχωρεί και να κινείται προς πλαστική παραμόρφωση, η κλίση μειώνεται μέχρι να σπάσει. Ως εκ τούτου, το σημείο απόδοσης είναι πολύ πιο σημαντικό να σημειωθεί.
Η δοκιμή επαναλαμβάνεται για όλα τα υλικά. Με τους σωλήνες άνθρακα, η αστοχία είναι στη λαβή. Αυτός είναι ένας περιορισμός της χρησιμοποιούμενης μεθόδου πρόσφυσης, η οποία τοποθετεί μια συγκέντρωση πίεσης σε αυτήν την περιοχή, επομένως με μια καλύτερη μέθοδο λαβής, θα αναμένονταν πολύ υψηλότερα αποτελέσματα. Αν δεν είχαν αποτύχει με αυτόν τον τρόπο, θα περιμέναμε ότι η ώθηση θα ήταν 3 φορές μεγαλύτερη από αυτή του χάλυβα και 16 φορές αυτή του αλουμινίου.
Δοκιμή αντοχής σε θλίψη
Αυτή είναι μια σχετικά απλή δοκιμή συμπίεσης που πιέζει τον σωλήνα μεταξύ δύο λαβών. Τα μεταλλικά δείγματα συμπεριφέρονται σχεδόν όπως αναμενόταν και οι σωλήνες άνθρακα και πάλι αποτυγχάνουν στη λαβή, δείχνοντας τους περιορισμούς της μεθόδου δοκιμής. Ο χαλύβδινος σωλήνας έχει την καλύτερη απόδοση με 1,5 τόνους, ακολουθούμενος από τους αυλακωτούς και τυλιγμένους σε ρολό σωλήνες λίγο λιγότερο από έναν τόνο, με τον σωλήνα αλουμινίου να αποτυγχάνει σε περίπου μισό τόνο.
Δοκιμή στρεπτικής ακαμψίας
Συγκρίνουμε τους σωλήνες με ένα γνωστό στρεπτικό φορτίο για να παρέχουμε συγκριτικά δεδομένα έως ότου οι σωλήνες γλιστρήσουν στις λαβές ή αστοχήσουν. Είναι ιδιαίτερα δύσκολο να κρατήσουμε καλά σε αυτό το είδος δοκιμής μέχρι την αποτυχία, αλλά μπορούμε να τα δοκιμάσουμε σε ένα γνωστό επίπεδο. Σε αυτή την περίπτωση 5 νεόμετρα, δηλαδή περίπου ό,τι μπορείτε να πετύχετε με το κατσαβίδι, μετά συνεχίστε μέχρι να αστοχήσει η λαβή ή ο σωλήνας.
Για κάθε σωλήνα δοκιμάσαμε πόσες μοίρες περιστροφής υπήρχαν στα 5 newton μέτρα φορτίου και συνεχίσαμε μέχρι να αποτύχει η λαβή των σωλήνων. Ο ανοξείδωτος χάλυβας είχε την καλύτερη απόδοση, ακολουθούμενος από το αλουμίνιο. Από τους σωλήνες άνθρακα και οι δύο είχαν κακή απόδοση με τον τυλιγμένο σε ρολό σωλήνα ελαφρώς έξω, εκτελώντας τον αυλακωμένο.
3-Δοκιμή Point Bend
Αυτή είναι μια δοκιμή κάμψης 3 σημείων για τους σωλήνες. Χρησιμοποιώντας προσαρμοσμένες κεφαλές εργαλείων για εμφάνιση ελαστικής και τελικά πλαστικής παραμόρφωσης και τελικά αστοχίας. Όπως ήταν αναμενόμενο, και οι δύο μεταλλικοί σωλήνες απέτυχαν λόγω πλαστικής παραμόρφωσης και κάμψης. Οι σωλήνες άνθρακα παρεκτράπηκαν πριν αστοχήσουν λόγω της ρωγμής και της σύνθλιψης του σωλήνα. Ο σωλήνας τυλιγμένος σε ρολό είχε την καλύτερη απόδοση περίπου στα 200 κιλά, ακολουθούμενος από τον χαλύβδινο σωλήνα στα 175 κιλά. Ο αυλακωμένος σωλήνας απέτυχε περίπου στα 140 κιλά, ακολουθούμενος από τον αλουμίνιο στα 50 κιλά. Αυτή η δοκιμή υπογραμμίζει ιδιαίτερα το πλεονέκτημα των πρόσθετων ινών στεφάνης σε ένα σωλήνα τυλιγμένο σε ρολό σε σύγκριση με τους αυλακωτούς σωλήνες.
Όταν λαμβάνουμε υπόψη το βάρος και τη σχετική πυκνότητα των υλικών, η ισορροπία των αποτελεσμάτων μεταβάλλεται σημαντικά. Το ανοξείδωτο είναι σχεδόν 5,5 φορές πιο πυκνό από τον άνθρακα στα 8 g/cm³ και το αλουμίνιο σχεδόν διπλάσιο στα 2,7 g/cm³. Με τη ρύθμιση για το βάρος, οι σωλήνες από χάλυβα και αλουμίνιο έχουν παρόμοια απόδοση με τους σωλήνες από ανθρακονήματα τώρα πολύ μπροστά. Κάνοντας την ίδια ρύθμιση για τις άλλες δοκιμές, βλέπουμε τα ίδια αποτελέσματα για όλες εκτός από τη δοκιμή στρέψης.
Pultruded Tube Αποτελέσματα & Θεωρήσεις
Εξετάζουμε τα αποτελέσματα και πώς μπορεί να επηρεάσει τη χρήση αυτού του τύπου σωλήνων. Σε καθαρά εφελκυστικά και θλιπτικά φορτία, αυτοί οι σωλήνες προσφέρουν εξαιρετική απόδοση για το βάρος τους. Φορτωμένοι στο μήκος τους, αυτοί οι αυλακωτοί σωλήνες είναι περίπου τόσο ισχυροί όσο ένας σωλήνας άνθρακα, αλλά αυτό συμβαίνει σε βάρος της στρεπτικής απόδοσης, της σύνθλιψης και της αντίστασης στο σχίσιμο.
Αυτό καθιστά τους αυλακωτούς σωλήνες ιδανικούς για εφαρμογές όπως άξονες βέλους, ράβδοι έλξης ώθησης, UAV, χαρταετοί, ρομποτική και κοντάρια σκηνής. Βλέπονται επίσης σε εφαρμογές ενσωμάτωσης όπως λαιμοί οργάνων και δομές φτερών. Καθώς παράγονται σε καλούπι, υπάρχει μια εύλογα ακριβής ανοχή στο OD και το ID, ωστόσο, αν ψάχνετε για τηλεσκοπικά τμήματα, είναι πιθανό να χρειαστεί να τρίψετε ένα σωλήνα μικρότερο για να έχετε μια άνετη εφαρμογή.
Αποτελέσματα και συλλογισμοί σωλήνων σε ρολό
Σε αυτή την ενότητα εξετάζουμε τα αποτελέσματα και πώς μπορεί να επηρεάσει τη χρήση αυτού του τύπου σωλήνων. Όπως φαίνεται στις δοκιμές τάσης και συμπίεσης, αυτοί οι σωλήνες αποδίδουν σχεδόν εξίσου καλά με τους ωθούμενους. Η δοκιμή κάμψης τριών σημείων ανέδειξε πραγματικά τα πλεονεκτήματα των ινών στεφάνης και την αντίσταση σύνθλιψης που πρόσφεραν πάνω από τους αυλακωτούς σωλήνες. Τόνισε επίσης πώς οι ίνες στεφάνης βελτιώνουν ελαφρώς τη στρεπτική αντίσταση.
Είναι η πρόσθετη αντοχή του στεφάνου που σημαίνει, αν και ελαφρώς πιο αδύναμα σε ακαμψία, προσφέρουν καλύτερη απόδοση στον πραγματικό κόσμο σε όλα τα επίπεδα σε σύγκριση με τους αυλακωτούς σωλήνες. Όντας γύρω από ένα μανδρέλι, η εσωτερική διάμετρος είναι πιο ακριβής με την εξωτερική να εξαρτάται από τον τρόπο φινιρίσματος.
Οι υφαντές σωλήνες φινιρίσματος προσφέρουν την καλύτερη αισθητική εμφάνιση με την ύφανση στην εμφάνιση και το γυαλιστερό φινίρισμα. Ωστόσο, το υφαντό στρώμα προσθέτει επίσης την αντοχή του στεφάνου και την πρόληψη της διάδοσης των ρωγμών και τον περιορισμό του θραύσματος. Αυτό τα καθιστά ιδανικά για εφαρμογές όπως στύλους καθισμάτων ποδηλάτου, εξοπλισμός κάμερας, εξαιρετικά ελαφριά αεροσκάφη, βραχίονες drone κ.λπ.
Οι σωλήνες με τυλιγμένο ρολό χωρίς ύφασμα εξακολουθούν να έχουν εξαιρετική απόδοση, αλλά πιθανότατα θα ήταν καλύτεροι για εφαρμογές εάν τα καλλυντικά δεν είναι τόσο σημαντικά ή τα οφέλη του υφαντού στρώματος δεν είναι τόσο κρίσιμα. Αυτό θα μπορούσε να περιλαμβάνει προεκτάσεις φρεατίων, κουπιά κωπηλασίας, ρομποτική, βραχίονες UAV ή ακόμα και κοντάρια καθαρισμού παραθύρων και παρόμοιες εφαρμογές.
Περιορισμοί σωλήνων από ανθρακονήματα
Αν και η απόδοση των σωλήνων από ανθρακονήματα είναι πολύ καλή για πολλές εφαρμογές, υπάρχουν επίσης περιορισμοί και χρήσεις όπου οι σωλήνες από ανθρακονήματα μπορεί να μην είναι ιδανικοί ή κατάλληλοι. Θα καλύψουμε εδώ μερικά κοινά παραδείγματα. Ένα καλό παράδειγμα όπου οι ίνες άνθρακα μπορεί να μην είναι κατάλληλες είναι οι εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας. Οι ίνες άνθρακα θα αλλοιωθούν σοβαρά πάνω από 120 βαθμούς. Δεν είναι κατάλληλα για εφαρμογές που περιλαμβάνουν υψηλά επίπεδα τριβής όπως συρόμενα ρουλεμάν και δακτύλιοι όπου η επιφάνεια φθείρεται πολύ γρήγορα. Η κατεργασία ακριβείας όπως το κόψιμο των νημάτων δεν λειτουργεί καλά, καθώς το νήμα θα ήταν πολύ αδύναμο - μια καλύτερη λύση είναι να χρησιμοποιήσετε ένα μεταλλικό ένθετο ή παρόμοιο με το νήμα στο μέταλλο για τέτοιες εφαρμογές.
Η ένωση σωλήνων θα χρειαστεί σύνθετη ενίσχυση ή κατασκευή σύνθετων τεμαχίων ένωσης. Επίσης, δεν μπορεί να διαμορφωθεί και θα θέλει να διατηρήσει το σημερινό του σχήμα, επομένως εφαρμογές όπως λυγισμένα τιμόνια κ.λπ. δεν θα ήταν δυνατές με προκατασκευασμένους σωλήνες. Ωστόσο, τέτοιοι σωλήνες μπορούν να κατασκευαστούν όπως φαίνεται σε αυτό το βίντεο. Πλαστικοποίηση και τοποθέτηση σε σάκκο σωλήνα από ανθρακονήματα με χρήση σχιστού καλουπιού.