W ostatnich miesiącach najczęstszym pytaniem, które słyszę jest – jak się produkuje karbon? Najprostsza odpowiedź to… bardzo trudno, a na finalny produkt składa się kilkanaście, a czasem kilkadziesiąt kroków! Postanowiłem, że od razu przestrzegę zapalonych karbonem majsterkowiczów — to kosztowne zajęcie, a bez odpowiedniego przygotowania teoretycznego można wręcz ze 100% pewnością stwierdzić, że to studnia, która pochłonie wszystkie oszczędności. Produkcja niestety nie wygląda tak, że połączy się żywicę i tkaninę włókna węglowego i finalnie otrzymamy karbon — to bardziej skomplikowane i wymaga odpowiedniego sprzętu oraz właściwych metod dobranych w zależności od produkowanego elementu.
Spis treści
Poniżej poznaj ogólne procesy prowadzące do powstania karbonu (różnicę pomiędzy karbonem, a włóknem węglowym wyjaśniłem we wcześniejszym wpisie – w tym miejscu: Czym jest karbon?).
Ze względu na, to, że włókno węglowe i proces jego obróbki tak naprawdę ma już grubo ponad 60 lat, to w tym czasie technologia wielokrotnie ewoluowała i obecnie mamy sporo metod, które są stosowane przy produkcji części karbonowych. Każdy produkt będzie powstawał z nieco innych tkanin węglowych oraz żywic w zależności od finalnych wymagań produktu. Zaczniemy od ogólnego omówienia wybranych metod produkcji karbonu od najbardziej prymitywnej moim zdaniem, czyli tzw. laminowania ręcznego.
Najbardziej podstawową produkcji karbonu jest metoda ręcznego laminowania, która polega na warstwowym układaniu przesączonych fragmentów tkaniny węglowej i jej ręcznym odpowietrzaniem — rolkami lub wałkami (np. teflonowymi, aluminiowymi). Metoda nie wymaga dużej ilości zaawansowanego sprzętu i wiedzy osoby, która się tym zajmie — jednak, jak się można spodziewać bardzo często, efekty tej metody są bardzo niskiej jakości nie tylko wizualnej, ale również performance’owej. Nie polecam tej metody — chyba że nowicjuszom wyłącznie do poznania materiałów i jak się z nimi obchodzić, zwłaszcza tym którzy nigdy wcześniej nie mieli styczności z włóknem węglowym, kevlarem i żywicami. Metody przez jej liczne wady praktycznie nie wykorzystuję – w zasadzie testowałem ją wyłącznie na samym początku, gdy stawiałem pierwsze kroki z włóknem węglowym.
Jednym z pierwszych elementów, które wykonałem tą metodą była szyba do motocykla Yamaha YZF R125 2015 – po odpowiedniej obróbce element można byłoby bez obaw montować na motocyklu. Sama szyba zachowała dużą sztywność pomimo odchudzenia o ok. 30% w stosunku do oryginału z tworzywa sztucznego. Waga PCV: 120g, karbon z lakierem: 80g (67g).
Metoda worka próżniowego, czyli metoda wykorzystująca próżnię w odróżnieniu od metody laminowania ręcznego. Jest to proces bardziej zaawansowany podstawowego laminowania, jednak w dalszym ciągu kwalifikuje się do podstawowych metod produkcji elementów z włókna węglowego. Do przygotowania elementu będzie potrzebnych kilka dodatkowych rzeczy takich jak: pompa próżniowa, worek próżniowy, taśma uszczelniająca, zawór próżniowy, tzw. breather, zrywka oraz folia perforowana. Elementy wykonywane w tej metodzie mają zdecydowanie lepsze parametry wytrzymałości i estetyki w porównaniu do metody laminowania ręcznego. Worek próżniowy i sama próżnia pozwala uzyskać elementy o bardziej zwartej strukturze, z mniejszą ilością „pinholi”, czyli mikroskopijnych ubytków w powierzchni elementu oraz przekłada się na mniejszą ilość pracy przy obróbce utwardzonego elementu.
Metoda infuzji próżniowej to średniozaawansowana metoda produkcji karbonu, wykorzystująca układ, w którym sucha tkanina węglowa jest przesączana infuzyjnie żywicą zgodnie z gradientem podciśnienia w kierunku pompy próżniowej. Układ najczęściej składa się z formy, worka prożniowego, taśmy butylowej, przewodów doprowadzających żywicę do układu, przewodów odprowadzjących żywicę do ,,pułapki”, spiralę, zrywkę, a także warstwę, która służy przeprowadzeniu żywicy przez układ.
Infuzja próżniowa pozwala na produkcję elementów, które cechują się bardzo dobrymi parametrami wytrzymałości, wynikającymi z odpowiedniego stosunku włókna węglowego do żywicy. Infuzja to również proces, który umożliwia w zasadzie uzyskania perfekcyjnego efektu wizualnego na karbonie.
Metodą infuzji najczęściej produkuje się elementy o nieskomplikowanych kształtach (płyty karbonowe) przy wykorzystaniu pełnych form, które nie są dzielone.
Na wstępie warto wyjaśnić czym jest prepreg — prepreg węglowy jest to suche połączenie tkaniny węglowej wraz z żywicą epoksydową, która dopiero po obróbce termicznej ulega utwardzeniu oraz utrwaleniu. Prepregi ze względu na swój charakter są wrażliwe na temperaturę oraz wilgotność i z tego względu większość z nich przechowuje się w lodówkach.
Pierwszą mniej zaawansowaną metodą wykorzystującą prepregi jest metoda OoA – out-of-autoclave. Metoda ta wykorzystuje piec konwencjonalny oraz próżnię. Wielogodzinny wypiek w wysokiej temperaturze oraz próżnia umożliwia uzyskanie produktów bardzo wysokiej jakości. Jest to jedna z najbardziej zaawansowanych metod, która jest przy okazji w miarę dostępna.
Druga metodą wykorzystującą prepreg jest metoda autoklaw, w której są 3 czynniki wpływające na finalny produkt: pierwszym jest wysoka temperatura, druga bardzo wysokie ciśnienie panujące w autoklawie oraz próżnia, która jest w układzie z prepregiem. Metoda autoklawu jest to najbardziej zaawansowana metoda produkcji włókna węglowego wykorzystywana najczęściej w formule 1 oraz w przypadku produkcji elementów lotniczych. Metoda autoklawu jest też wykorzystywana w produkcji hypercarów takich producentów jak Koenigsegg, Bugatii, czy Pagani.
Trzecią metodą, w której można wykorzystać tkaninę typu prepreg jest metoda prasy. Prasa wykorzystuje ,,stopę” która wywiera ogromny nacisk na foremkę jednocześnie podgrzewając materiał do odpowiedniej temperatury.