Trame in Fibra di Carbonio: cosa sono e perché utilizzarle

Se ti sei mai chiesto perché un pezzo di fibra di carbonio potrebbe apparire diverso da un altro, non sei il solo. La fibra di carbonio è disponibile in molte trame diverse, ognuna con uno scopo diverso e non è solo decorativa.

Le fibre di carbonio sono costituite da precursori come il poliacrilonitrile (PAN) e il rayon. Le fibre precursori vengono trattate chimicamente, riscaldate e allungate, quindi carbonizzate per formare fibre ad alta resistenza. Queste fibre o filamenti vengono poi raggruppati insieme e identificati dal numero di filamenti di carbonio che contengono. Le valutazioni di traino comuni sono 3k, 6k, 12k e 15k. La "k" sta per mille, quindi un filo da 3k è composto da 3,000 filamenti di carbonio. Il traino standard da 3k è in genere largo 0,125 pollici, quindi si tratta di un sacco di fibra stipata in un piccolo spazio. Un rimorchio da 6k ha 6,000 filamenti di carbonio, un rimorchio da 12k ha 12,000 filamenti di carbonio e così via. Grandi quantità di fibre ad alta resistenza raggruppate insieme rendono la fibra di carbonio un materiale così resistente.

trama in fibra di carbonio
La fibra di carbonio si presenta spesso sotto forma di tessuti, che ne facilitano la lavorazione e possono fornire ulteriore resistenza strutturale a seconda dell'applicazione. Pertanto, i tessuti in fibra di carbonio possono essere tessuti in molti modi diversi. I più comuni sono il raso tinta unita, il twill e il raso per reggicalze e tratteremo ogni materiale in dettaglio.

tessitura piana
I fogli semplici in fibra di carbonio hanno un aspetto simmetrico con un piccolo aspetto a scacchiera. In questa armatura, i fili sono intrecciati secondo uno schema sopra/sotto. La breve distanza tra le intrecci conferisce alla tela un elevato grado di stabilità. La stabilità del tessuto si riferisce alla capacità di un tessuto di mantenere il proprio angolo di tessitura e l'orientamento delle fibre. A causa di questo elevato livello di stabilità, l'armatura a tela è meno adatta per layup con contorni complessi e non sarà flessibile come altri tessuti. In generale, il tessuto a trama semplice è adatto per lamiere piane, tubi e curve bidimensionali.

Uno svantaggio di questo modello di tessitura è che si verifica un forte arricciamento dei fili a causa della breve distanza tra gli intrecci (gli angoli che le fibre formano quando vengono tessute, vedere sotto). Una crimpatura violenta crea concentrazioni di stress che indeboliscono la parte nel tempo.

Tessuto saia
Il twill è il ponte tra l'armatura a tela e l'armatura a raso di cui parleremo in seguito. Il tessuto twill ha una buona flessibilità e può formare contorni complessi. È peggiore del tessuto in raso per reggicalze nel mantenere la stabilità del tessuto, ma non è buono come il tessuto a trama semplice. Se segui i fili di stoppa in un'armatura a saia, passa attraverso un certo numero di stoppe e poi attraverso lo stesso numero di stoppe. Il motivo su/giù crea l'aspetto di una freccia diagonale, chiamata "linea twill". La maggiore distanza tra le fibre intrecciate significa meno arricciature e minori concentrazioni di stress potenziali rispetto ai tessuti ad armatura semplice.

Tessuto twill 2×2

Saia 4×4
Il twill 2×2 è probabilmente la trama in fibra di carbonio più conosciuta nel settore. Viene utilizzato in numerose applicazioni cosmetiche e decorative ma è anche altamente funzionale, unisce media formabilità e media stabilità. Come suggerisce il nome 2×2, ogni fascio passerà attraverso 2 fasci e poi li attraverserà entrambi. Allo stesso modo, un twill 4×4 verrà infilato attraverso 4 tow e poi attraverso 4 tow. Si forma leggermente meglio del twill 2×2 perché la trama non è così fitta, ma è anche meno stabile.

pettorina in raso
L'armatura in raso è stata progettata migliaia di anni fa per creare tessuti di seta con un eccellente drappeggio e un aspetto liscio e senza cuciture. Per i compositi, questa drappeggiabilità significa che possono essere facilmente formati e avvolti attorno a contorni complessi. Poiché questo tessuto è altamente formabile, si prevede che la sua stabilità sarà bassa. Le armature comuni del raso liccio includono 4-raso liccio (4HS), 5-raso liccio (5HS) e 8-raso liccio (8HS). All'aumentare della quantità di armatura satinata, aumenta la formabilità mentre diminuisce la stabilità del tessuto.

4HS

5HS

8HS

Il numero nel nome Harness Satin indica il numero totale di rimorchi che passano. Per 4HS passerà attraverso 3 traini e poi meno di 1 traino. Per 5HS passerà attraverso 4 traini e poi sotto 1 traino, e per 8HS passerà attraverso 7 traini e poi sotto 1 traino.

Traino diffuso rispetto al traino standard
I materiali a traino diffuso possono essere un buon compromesso tra l'utilizzo di materiali unidirezionali e materiali intrecciati standard. Quando i fili di fibra vengono intrecciati su e giù per formare un tessuto, la resistenza viene ridotta a causa dell'arricciatura dei fili. Quando si aumenta il numero di filamenti in un tow standard (ad esempio da 3k a 6k), il tow diventa più grande (più spesso) e l'angolo di arricciatura diventa più ruvido. Un modo per evitare ciò è diffondere i filamenti in fasci più ampi, questo si chiama spargere i filamenti e ci sono diversi vantaggi nel farlo.

L'allargamento del cavo fornisce un angolo di arricciatura più piccolo rispetto all'intreccio del cavo standard e può ridurre i difetti di incrocio aumentando la levigatezza. Un angolo di crimpatura inferiore si tradurrà in una maggiore resistenza. I materiali a traino distribuito sono anche più facili da lavorare rispetto ai materiali unidirezionali e forniscono comunque una prevenzione del pull-up delle fibre abbastanza buona.

Spiegare la trama semplice

Distribuire la trama in saia

unidirezionale
Come suggerisce il nome, uni, che significa uno, tutte le fibre sono orientate nella stessa direzione. Ciò fornisce alcuni vantaggi ad alta resistenza ai tessuti unidirezionali (UD). Il tessuto UD non è tessuto e non presenta fibre intrecciate ondulate che indebolirebbero la struttura. Al contrario, le fibre continue aggiungono resistenza e rigidità. Un altro vantaggio è la possibilità di personalizzare il layup con un maggiore controllo sulle caratteristiche prestazionali. I telai delle biciclette sono un ottimo esempio di come i tessuti UD possano essere utilizzati per personalizzare le prestazioni. L'area del movimento centrale del telaio deve essere rigida per trasferire la potenza del ciclista alle ruote, ma il telaio deve anche essere flessibile e flessibile per evitare di ferire il ciclista. Con i materiali UD puoi scegliere la direzione precisa delle fibre per ottenere la resistenza di cui hai bisogno.

Uno dei principali svantaggi dell'UD è la sua manovrabilità. L'UD può facilmente rompersi durante la stratificazione perché non ha fibre intrecciate per tenerlo insieme. Se le fibre vengono posizionate in modo errato, è quasi impossibile reindirizzarle nuovamente correttamente. Anche le parti lavorate in tessuto UD possono causare problemi. Se qualche fibra si solleva nel punto in cui è stato tagliato l'elemento, quelle fibre sciolte potrebbero sollevare l'intera parte. In genere, se si seleziona un materiale UD per la laminazione, verrà utilizzato uno strato di materiale tessuto per il primo e l'ultimo strato per migliorare la lavorabilità e la durabilità della parte. Questo viene fatto dai telai dei droni per gli hobbisti fino alla produzione di parti di razzi.