[Continuació de: Desenvolupament i tendències dels compostos de fibra de carboni en esports i lleure (Part I) (1)]
3.1 Emmotllament per autoclau: el "estàndard d'or" per a equips de competició de primer nivell
L'emmotllament en autoclau ofereix la màxima qualitat i el cost més alt entre els processos d'emmotllament de fibra de carboni, amb una porositat del producte per sota de l'1% i propietats mecàniques properes als límits teòrics. En articles esportius, gairebé tots els equips de competició de primer nivell l'utilitzen: els quadres de bicicletes de carretera insígnia com ara el Trek Madone i l'Specialized S-Works Tarmac utilitzen un preimpregnat de grau Toray T800/T1000 curat a 120-180 graus i 5-7 bar durant 2-4 hores, amb un pes del quadre de només 700 g; els eixos de golf de gamma alta de Fujikura i Graphite Design utilitzen el preimpregnat de fibra de carboni Toray T1100G amb curat per autoclau per equilibrar la rigidesa extrema i el pes lleuger; Els components de vela de la Copa America també estan modelats en autoclau per a la màxima fiabilitat. La inversió en equips sol ser d'entre 20 i 50 milions de RMB i el cost unitari és molt elevat, limitant el procés a productes competitius de primer nivell.
3.2 Bobinat de filaments: el "procés de l'ànima" per a canyes de pescar i eixos de golf
L'enrotllament de filaments és un dels processos d'emmotllament més utilitzats per a articles esportius de fibra de carboni i és insubstituïble en canyes de pescar i eixos de golf. Els remolcs de fibra de carboni impregnats de resina s'enrotllen sobre un mandril amb angles precisos: les capes interiors en angles petits (15 graus -25 graus) proporcionen rigidesa a la flexió, les capes exteriors en angles grans (45 graus -60 graus) proporcionen rigidesa torsional, de manera que el disseny multi-angle optimitza el rendiment mecànic del producte anisotròpic.
Weihai Guangwei Composites va començar exactament aquí, amb bobinatge de filament de canya de pescar. El 1998 va importar la primera línia preimpregnada de fibra de carboni d'ample ample de la Xina per servir a la fabricació de varetes, després es va estendre aigües amunt en materials de fibra de carboni, convertint-se finalment en un líder de cadena completa a la indústria de fibra de carboni de la Xina. El seu preimpregnat de fibra de carboni segueix sent la matèria primera bàsica del grup d'aparells de pesca Weihai. Weihai, el centre de fabricació de canyes de pescar més gran del món, acull una cadena completa que va des de fibra de carboni preimpregnada → bobinat de filament → fabricació de canyes → processament de components → màrqueting de marca i representa al voltant del 60% de la producció global de canyes.
3.3 Emmotllament per compressió: l'"eina de producció en massa" per a raquetes i plaques de sabates de carboni
L'emmotllament per compressió col·loca el preimpregnat en un motlle metàl·lic i el cura sota calor i pressió, oferint una alta eficiència, bona precisió i aptitud per a la producció de grans lots. En articles esportius, els quadres de la raqueta de tennis i bàdminton es fabriquen gairebé íntegrament mitjançant modelat per compressió preimpregnat: l'angle de col·locació de fibra de carboni (0 graus / ± 45 graus / 90 graus) controla la flexió i la rigidesa torsional de la raqueta, optimitzant el "punt dolç". Les raquetes de gamma alta de Yonex, Li-Ning, Wilson i Babolat utilitzen totes les preimpregnades de fibra de carboni Toray amb modelat per compressió.
Les plaques de carboni per a sabates esportives també es modelen per compressió en lots mitjans o grans: diverses capes de preimpregnat de fibra de carboni es curen amb calor i pressió en un motlle i després es tallen en formes de placa de sola. Les sabatilles de running amb carboni de Nike, Li-Ning, Xtep i Anta utilitzen aquest procés. Els components de la bicicleta (tiges, tiges de seient, bieles), fixacions d'esquí i carcassas d'equip de protecció també estan molt modelats per compressió; marques com Giant i Merida utilitzen un gran nombre de peces de carboni modelades per compressió.
3.4 RTM i VARI: des de llantes de bicicletes fins a cascs de vaixells de competició
RTM (Resin Transfer Molding) utilitza un motlle tancat amb injecció de resina a pressió per aconseguir superfícies llises a ambdós costats i una producció de forma gairebé neta. En articles esportius, RTM s'utilitza principalment per a llantes de bicicletes de fibra de carboni (l'emmotllament d'una sola peça redueix el nombre d'articulacions), caps de pals de golf (formació d'alta precisió de geometries complexes) i eixos de pals d'hoquei sobre gel (gruix de paret variable per a un pes lleuger). En comparació amb la ruta preimpregnada-autoclau, RTM augmenta l'eficiència de producció entre 3 i 5 vegades.
VARI (infusió de resina assistida al buit) utilitza la pressió negativa al buit per impulsar la resina a la fibra seca; La inversió en equip és baixa i el procés s'adapta a peces grans. En articles esportius, VARI s'utilitza principalment per a petxines de rem, caiacs i cascos de vela (3-10 m de mida, massa gran per a un autoclau). Una coneguda marca europea de caiacs utilitza VARI per produir caiacs de fibra de carboni de competició, reduint el temps de cicle per unitat de 40 hores amb la posada manual fins a 12 hores i assolint una fracció de volum de fibra del 58%. Les taules de surf de fibra de carboni i les taules de stand-up paddle (SUP) també utilitzen VARI; la seva formació a baixa pressió integra amb èxit nuclis d'escuma EPS amb pells de fibra de carboni, fent que els productes siguin un 30% més lleugers que les taules de surf de fibra de vidre convencionals.
3.5 Preimpregnat: el "material intermedi bàsic" de la fabricació d'articles esportius
El preimpregnat és el material intermedi més important en la fabricació de CFRP: una làmina semicurada produïda mitjançant la preimpregnació de fibra de carboni amb resina. En articles esportius, el preimpregnat termoestabl (principalment epoxi) representa al voltant del 80% i s'utilitza àmpliament en quadres de bicicletes, eixos de golf, raquetes de tennis i canyes de pescar; El preimpregnat termoplàstic (PEEK, PPS, PA6 i altres) representa al voltant del 20% i està creixent ràpidament: la seva reciclabilitat, reprocessabilitat i cicle d'emmotllament curt (minuts versus hores) s'adapten especialment als esquís, equips de protecció i plaques de sabates de carboni, on la duresa i la productivitat són més importants. Teijin opera una planta de cintes termoplàstiques unidireccionals a Alemanya dedicada al preimpregnat de fibra de carboni/PEEK i fibra de carboni/PPS per a articles esportius.
4. Comparació de materials: per què la fibra de carboni s'ha convertit en la primera opció per a articles esportius?
La demanda bàsica en la selecció de materials per a articles esportius és "més lleuger, més fort, més resistent, més durador". La fibra de carboni mostra avantatges aclaparadors en les quatre dimensions:
La força específica (força / densitat) de la fibra de carboni és 10 vegades la de l'acer, 8 vegades la de l'aliatge d'alumini i 5 vegades la de l'aliatge de titani, exactament la combinació de lleugeresa extrema i alta resistència que persegueixen els articles esportius. Però la fibra de carboni no és una resposta universal: la seva fragilitat significa que es pot produir una fallada catastròfica sota un impacte sever, de manera que en pals d'hoquei sobre gel, vores d'esquí i altres aplicacions que requereixen una gran duresa, sovint s'adopta el teixit híbrid de carboni/aramida, utilitzant l'excel·lent resistència a l'impacte de l'aramida per compensar la fragilitat de la fibra de carboni. La sèrie de canyes EXSENS de gamma alta de Shimano utilitza un híbrid de fibra de carboni i aramida, millorant significativament la resistència a l'impacte alhora que redueix el pes.
Pel que fa al cost, la fibra de carboni de remolc gran (48K/50K) ha caigut a 80-100 RMB/kg, reduint contínuament la bretxa amb la fibra de vidre (8-15 RMB/kg). El ràpid llançament de la capacitat de fibra de carboni de gran remolc per part de Jilin Chemical Fiber Group està accelerant el pas de la fibra de carboni de la competència professional als mercats de consum massiu. Prenent com a exemple les bicicletes de fibra de carboni, l'ús de fibra de carboni de gran remolc pot reduir el cost del material del quadre en un 40%, fent que els preus de les bicicletes de carboni de nivell d'entrada baixin de 8.000 RMB a 5.000 RMB.
5. Aplicacions bàsiques: com la fibra de carboni està remodelant el paisatge dels articles esportius
5.1 Pals de golf: el "primer camp de batalla" de fibra de carboni
Els pals de golf són el mercat d'aplicacions esportives més gran de fibra de carboni. Quan la fibra de carboni es va comercialitzar a la dècada de 1970, els pals de golf i les canyes de pescar van ser dels primers articles esportius a adoptar-la. Segons QYResearch, s'espera que les vendes globals de pals de golf de fibra de carboni arribin als 5.854 milions de RMB el 2031, una taxa de creixement anual composta del 7,0%.
Pel que fa a la tecnologia, el controlador TaylorMade Qi10 LS utilitza el disseny "Infinity Carbon Crown" amb 60 capes de fibra de carboni i una cara de doble corba, amb carboni que cobreix el 97% de l'àrea de la corona per aconseguir una excel·lent eficiència de transferència d'energia. Els eixos de la sèrie Tour AD de Graphite Design utilitzen tecnologia preimpregnada de fibra de carboni Toray T1100G i nanoaliatge, augmentant molt la rigidesa estructural sense afegir pes. Callaway (ingressos anuals d'uns 1.800 milions de dòlars) i TaylorMade (uns 1.500 milions de dòlars) són les dues marques mundials líders en pals de golf de fibra de carboni, i ambdues obtenen els seus materials bàsics de fibra de carboni exclusivament de Toray del Japó.
Val la pena assenyalar que els materials de fibra de carboni per als pals de golf de fibra de carboni de gamma alta de la Xina depenen fins a un 87% de les importacions, deixant un gran espai per a la substitució nacional. El camí de desenvolupament de Guangwei Composites, a partir de l'aparell de pesca Weihai i estenent-se gradualment cap amunt en materials de fibra de carboni, ofereix un model replicable per a la indústria: començar des de la demanda d'articles esportius del mercat final, integrar materials aigües amunt a la inversa i tancar el bucle de la cadena de la indústria.
[Continuarà: Desenvolupament i tendències dels compostos de fibra de carboni en esports i lleure (Part I) (3)]
[Font] Associació de la indústria de composites de la Xina (CCIA), lloc web oficial
[Enllaç original] https://ccia.xin/xingyebaogao/3618.html