Кованый карбон — технология получения

Кованый карбон — знакомимся со старым знакомым

Этот монохромный шедевр чем-то напоминает некоторые виды мрамора, канкринитсодержащий мариуполит (плутоническая порода) и даже аэрофотоснимок округа Аламанс в Северной Каролине (США).

Канкринитсодержащий мариуполит

Округ Аламанс, Северная Каролина

Но это только внешне!

Углепластик, который вы знаете

Так уж вышло, что нашему потребителю чаще на глаза попадается карбон с четко организованным рисунком, характерным для определенных видов препрегов. Как правило, рисунки узнаваемые — они подчеркивают точную геометрию прямых линий изделия, как и любую другую, даже если геометрия сплошь криволинейная. Это — одно из визуальных свойств углепластика: усиливать строгость прямых углов и эффектно компенсировать кривые.

Элегантный хаос рисунка

Подобно тому, как невозможно найти два одинаковых рисунка натурального мрамора, так невозможно получить два одинаковых рисунка кованого карбона. Его отличительная внешняя особенность — именно в неровных и ассиметрично расположенных осколках разных оттенков серого. Так что, если вы — обладатель цельной вещи или детали из кованого углерода, то можете не сомневаться, что второй такой нет ни у кого.

Как и когда была создана технология кованых композитов

Кованый карбон был изобретен еще в середине 2000-х гг. одним из крупнейших и известнейших итальянских автопроизводителей — Lamborghini. Целью, из-за которой вообще началось это движение, была попытка снизить стоимость композитных деталей и повысить темпы производства. Просто в то время инженеры-технологи Lamborghini как раз пытались найти замену кованым алюминиевым рычагам управления подвеской.

Объединившись, компания по производству изделий для гольфа Callaway Golf Company, Вашингтонский университет и, собственно, автопроизводитель Lamborghini совместно провели обширные исследования с последующей разработкой материала, который обладал такими уникальными характеристиками:

• превосходная устойчивость к усталостному разрушению;

• невосприимчивость к воздействию влаги;

• высокая устойчивость к повреждениям и дефектам;

• более низкий модуль упругости по сравнению с алюминием;

• высокая механическая прочность;

• что немаловажно для итальянцев — более высокая адаптивность к потребностям дизайнеров.

Хотя был этот материал не совсем новым для данного альянса. Углеродное волокно — композит, с которым Lamborghini имела долгую «совместную историю» еще с 1983 года. По словам гендиректора Automobili Lamborghini Стефано Доменикали, в этом даже заключается один из самых важных ключей к успеху Lamborghini в прошлом, настоящем и будущем.

Так или иначе, технология кованых углепластиков дебютировала в 2010 году в конструкции суперкара Lamborghini Sesto Elemento, где этот материал был использован для изготовления рычагов управления, монококового шасси и множества других комплектующих. Это позволило снизить общий вес модели Sesto Elemento на 25 %(!). А процесс изготовления всех деталей от сырья до готового продукта занял не более часа!

Что же это такое — кованый карбон?

По сути, это модернизация уже существующей технологии получения углеродного волокна. Изобретателем ее считается Паоло Фераболи — основатель и руководитель лаборатории передовых композитных конструкций. Свое изобретение он описывал как «революцию в соединениях из армированного углеродным волокном полимера (углепластика)».

По словам Фераболи, кованый композит — это не конкретный материал или отдельный процесс, а комплексная технология, которая сочетает в себе характеристики материала, технические характеристики процесса, а также инженерные и конструкторские знания, которые в совокупности позволяют создать отдельную композитную деталь из углеродного волокна.

Несколько слов об авторе и его открытии

Изобретатель является и вдохновителем, и автором технологии получения кованых композитов. Но нельзя сказать, что идея пришла ему вдруг. Еще задолго до первых образцов Фераболи экспериментировал с измельченными углеродными волокнами и понял, что этот материал на самом деле является очень выносливым и невосприимчивым к большому износу. В конечном итоге открытие и привело к разработке передовой технологии компрессионного формования, использующей разные составы для формования листов из углеродного волокна.

Кроме того, технология дала неограниченные возможности в формировании сложных геометрических форм без особых изысканий в плане точной ориентации волокон. Именно эти преимущественные отличия от традиционных технологий сделали данную методу получения кованого карбона полезной для производства сложных деталей со множеством отверстий и креплений.

В общем, не зря технология была расценена основателем как очень перспективная, с посылом на будущее в создании облегченных изделий разных размеров и форм с увеличенной функциональностью и стойкостью. То есть полностью соответствующей тому, что когда-то сказал Фераболи: «То, что заставляет машину двигаться, — это двигатель. Всё остальное — просто вес».

Как результат, широко разрекламированный компанией Lamborghini запуск производства этого материала и использование его в собственных суперкарах действительно помог продвинуть в мейнстрим и популяризировать кованый углепластик как альтернативу традиционным углеродным полотнам.

Отличие углеродного волокна от обычного

Как правило, углепластиковое волокно получают укладывая препреги в форму и заливая их смолой в нескольких вариациях данного процесса. Кованый карбон тоже получают несколькими способами. Например, можно использовать специальную пасту из волокон, смешанных со смолой, чтобы впоследствии спрессовать ее под давлением в различных пресс-формах. Также его можно получить из мелких рубленых углеродных волокон.

В обоих случаях не возникнет четкого рисунка из-за того, что волокна будут ориентированы совершенно случайным образом. В этом и есть секрет уникальности готового изделия и его красоты: продукт имеет совершенно иную эстетику по сравнению со своим тканым аналогом и больше похож на мрамор, чем на ткань с узором «елочка».

Суть технологии

Как уже должно быть понятно, кованый карбон получают из неотвержденного пластика, смешанного с короткими случайно расположенными нитями углеродного волокна. Причем, в отличие от традиционных листов из композитного волокна, материал не требует тщательной резки и точной укладки в пресс-формы.

После того как масса (углеродное волокно, тщательно пропитанное смолой) помещается в горячую пресс-форму, она сжимается под высоким давлением, нагревается — и всё! На свет появляется такое же легкое и прочное изделие, как и изделие, созданное из композитного волокна традиционными технологиями (вакуумная инфузия, автоклавирование и др.). А сам процесс выглядит весьма похожим на ковку металлов, отсюда и название — кованый углерод.

При этом одним из главных отличий технологии получения кованого углепластика является время, поскольку изделие производится в течение нескольких минут, а не часов, как этого требуют другие технологии. Получается, что теперь с углеродным волокном можно обращаться так же, как на протяжении десятилетий автомобильная промышленность обращалась со сталью, алюминием и неармированным пластиком. И это меняет привычные правила производства. Детали из кованого карбона становится возможным просто штамповать.

Так ли всё просто?

Казалось бы, всё — решение найдено и остальные технологии можно убрать в утиль. Но не нужно спешить. Когда речь идет о сложных и ответственных деталях, необходим тщательный микроструктурный анализ, анализ отказов, а также опыт и оборудование для правильной ковки композитных деталей. Небрежность в производстве не приведет ни к чему хорошему.

Но всё же изготовление изделий из кованого карбона для массового производства более перспективно, хотя по цене подобные детали всё равно остаются в премиум-сегменте.

Если ли способы имитации?

Однако заполучить красивую текстуру кованого углепластика можно и без использования пресс-формы. Для этого есть несколько способов, заслуживающих внимания.

Кованый карбон-препрег

Использование препрегов — распространенная концепция получения изделий из композитов. Заключается она в следующем: когда производят деталь из углеволокна, берут сухую карбоновую ткань, помещают в форму и хорошо пропитывают смолой. Такой предварительно пропитанный смолой (в правильном соотношении) препрег может быть идеальным вариантом, который сократит технологический процесс получения детали как таковой.

Да, это действительно здорово, но и дорого. Кроме того, такой препрег требует определенной температуры и сроков хранения, по истечении которых он становится непригодным для дальнейшего процесса.

Но если использовать препрег в виде сухих нарезанных волокон, его можно использовать как способ наложения внешнего слоя с использованием стандартных технологий и углеродных тканей.

Сухая ткань с текстурой кованого углепластика

Это один из уникальных материалов, структура которого состоит из сплавленных друг с другом измельченных волокон и тонкой нетканой подложкой из углеродного волокна. В результате получается идеальная имитация кованого карбона. Также материал является хорошей альтернативой препрегу, поскольку у него внутри нет эпоксидной смолы и никаких особых условий хранения он не требует, как и не имеет срока годности.

Но, несмотря на это, материал нельзя назвать дешевым, а такую многоступенчатую технологию — не требующей опыта.

Ручная укладка рубленых волокон

Сразу можно отметить, что это — максимально недорогая и доступная альтернатива: рубленные волокна продаются просто на вес и могут иметь разную длину, что дает свободу в выборе будущей текстуры.

Волокна вручную насыпают в форму или накладывают их на готовую деталь. В этом случае получается нужная фактура и очень эстетичный продукт.

А чтобы еще больше удешевить процесс, можно использовать обрезки углеткани, хаотично нарезав ее кусочки. Далее последовательность операций трудоемкая, но несложная: нужная поверхность тщательно шлифуется (если необходимо) и обрабатывается обезжиривателем, малярной лентой защищаются нужные места, далее идет нанесение эпоксидной смолой с отвердителем. После этого нарезанные (или измельченные) волокна распределяются по поверхности и опять наносится эпоксидная смола с отвердителем. Далее поверхность укатывается, разравнивается, накрывается — и через 12 часов производится ее финишная обработка.

Конечно, придется повозиться, особенно если делать это самостоятельно, в гараже. Если же приложить старание и не отходить от технологии, может получиться очень эффектно. Но всё же лучше обратиться к специалистам Carbon Composites, чтобы всё было проделано качественно, а результат действительно впечатлял.

Плюсы и минусы использования кованого углепластика

Причины для этого упоминались выше, но основных — две:

1. Возможность выполнить детали любых сложных форм.

2. Минимальные затраты времени.

Однако тканое углеродное полотно накладывает некоторые ограничения на форму создаваемого изделия. Например, такие нюансы, как угол в 90 ⁰ тканым материалом выполнить очень трудно, поскольку крайне сложно идеально сжать материю в угол.

Также укладка углеродной ткани требует внимания и навыков, чтобы избежать ошибок, которые могут стоить не только неидеальным внешним видом, но и снижением прочности.

Но на самом деле в технологии кованого карбона основная сложность сводится лишь к изготовлению пресс-формы. Далее получить деталь без дефектов уже гораздо проще и быстрее. Кроме того, с ним возможно создание трехмерной детали, которую можно подвергнуть дальнейшей механической обработке.

Шкурный вопрос: что выгоднее?

Если речь идет о массовом производстве, основные первоначальные затраты — это изготовление пресс-формы, что недешево, не говоря уже о возможности сделать компрессионную формовку. Но когда пресс-форма уже есть, можно изготавливать детали большими партиями, что очень затратно для других технологий. Здесь же наоборот: чем больше партия изделий, тем меньший процент стоимости оснастки будет включен в ее конечную цену.

Одним словом, классическая технология получения изделий из кованого углепластика больше подходит для серийного производства.

Так ли прочен кованый карбон?

В этом вопросе не утихают споры. Поклонники углеродного волокна отмечают, что, используя стандартную ткань, можно сделать более прочную деталь, так как, меняя ориентацию волокон, прочность можно регулировать и контролировать, в то время как нарезанные волокна короткие и не выровнены в определенном направлении. Они не дают возможности, меняя направление, манипулировать прочностью.

Иными словами, методы получения композитных изделий имеют свои плюсы и минусы. Что использовать в каждом конкретном случае, однозначно не сказать. Всегда приходится думать об основных требованиях: прочность, эстетика, объем детали, сложность ее формы, время изготовления и что это всё будет в конечном итоге стоить.