TECHNOLOGIA WYKONYWANIA FELG Z WŁÓKNA WĘGLOWEGO Elementy z włókna węglowego znalazły szerokie zastosowanie w sportowych

po-jazdach, głównie ze względu na dobry stosunek masy do wytrzymałości. Dzięki tym właściwościom włókno węglowe od dawna wykorzystywane jest do produkcji boli-dów F1 oraz pojazboli-dów startujących w innych sportach ekstremalnych. Elementy z włókna węglowego można wykonywać na kilka sposobów. Jednym z nich jest lami-nowanie ręcznie lub metoda infuzji. W przemyśle motoryzacyjnym najszerszym za-stosowaniem cieszy się metoda prepreg, ze względu na to, że elementy powstające tą metodą cechują się największą wytrzymałością.

4.1. METODA PREPREG

W metodzie tej, w pierwszej kolejności wykonywany jest model negatywowy felgi. Jest to negatywowe odbicie kształtu, który chcemy finalnie uzyskać. Od dokładności i jakości wykonania tego etapu zależy finalna jakość wyrobu. Technologia wykonania formy negatywowej w tej pracy zostanie pominięta.

97

Na formę negatywową w pierwszej kolejności nakładach jest kilka warstw wosku w celu łatwego oddzielenia gotowego produktu. Kolejnym krokiem jest nałożenie żelkotu, będącego połączeniem żywicy poliestrowej z odpowiednimi wypełniaczami oraz pigmentami. Stanowi on późniejszą zewnętrzną powłokę kompozytu, nadaje jej dodatkową ochronę przed czynnikami zewnętrznymi oraz estetyczny wygląd. Do pro-dukcji felgi bolidu CMS-03 planowane jest wykorzystanie żelkotów na bazie żywic winyloestrowych. Taki wybór żelkotu, oraz specjalna konstrukcja formy daje produkt o wysokiej odporności na działanie wysokich temperatur, doskonałej odporności na styren i bardzo wysokich parametrach wytrzymałościowych. Wysoki połysk po-wierzchni form, nawet po wielu odformowaniach, jest zapewniony dzięki odpowied-niej twardości i chemoodporności. Żelkot będzie nakładany ręcznie ze względu na wymagania co do dokładności tego zabiegu.

Rys. 14. Natryskiwanie żelkotu [10]

Najważniejszym etapem jest ten, w którym rozpoczynany jest proces laminowania. Prepreg to tkanina/roving UD nasączona żywicą. Spotyka się dwa rodzaje – całkowicie lub jednostronnie przesączone. Tkaniny jednostronne z jednej strony wyglądają jak suchy normalny materiał, a z drugiej rozłożona jest równomierna warstwa żywicy. Każdy pre-preg posiada swoją specyfikację, w której podawana jest np. zawartość żywicy, kierunek ułożenia włókien oraz ich grubość. Po rozmrożeniu (prepregi przechowuje się w niskich temperaturach) wycina się potrzebne kształty wg szablonów (np. przy użyciu ostrego no-żyka czy skalpela chirurgicznego). Nakładanie na formę przypomina naklejanie naklejek, można bardzo dokładnie rozmieścić materiał bez ryzyka jego przesunięcia. W miejscu gdzie będą znajdowały się otwory na mocowanie śrub wycina się krążki o średnicy np. 25 mm. Następnie nakleja się kolejne warstwy tkaniny. Ten etap jest najważniejszy, po-nieważ kąt ułożenia kolejnych warstw oraz dokładność wykonania w szczególnie narażo-nych w feldze miejscach (miejsca na śruby, ramiona, bark obręczy) ma decydujący wpływ na finalną wytrzymałość mechaniczną felgi oraz jej nośność. Po naklejeniu wszystkich

98

warstw (tzn. zewnętrznej jako pierwszej i dalej zbrojenia, pasów wzmacniających), rozpo-cząć należy kolejny etap wytwarzania.

Po ułożeniu zbrojenia nakłada się na nie tkaninę delaminacyjną oraz matę odsączają-cą. Delaminaż służy do łatwego oddzielenia wyrobu od pozostałych elementów nato-miast mata odsączająca w kolejnych etapach wchłonie nadmiar żywicy (rysunek 15).

Rys. 15. Układanie kolejnych warstw kompozytu wraz z odpowiednimi przekładkami [11]

99

Rys. 17. Gotowy elementy wykonany technologią prepreg [8]

Następnie całość wkładana jest do worka próżniowego. Podciśnienie daje możliwość wytworzenia docisku, który równoważy naprężenia włókien zbrojenia i powoduje lepsze przyleganie kolejnych warstw włókien do siebie. Gdy żywica ma jeszcze niską lepkość, (temperatura pokojowa nie aktywuje jej) istnieje możliwość odebrania nadmiarów nie-usieciowanej żywicy (która znajduje się pomiędzy warstwami zbrojenia i stwarza zagro-żenie rozwarstwienia się gotowego laminatu). Usunięcie nadmiarów żywicy prowadzi do uzyskania lepszego stosunku zawartości zbrojenia do ilości żywicy, co w konse-kwencji obniża masę elementu. W przypadku felgi jest to bardzo istotne.

Ostatnim etapem jest włożenie elementu wraz z workiem do autoklawu na okres około 6 godzin. Jest to piec umożliwiający jednocześnie grzanie i wywieranie ciśnie-nia na materiał. Zalecana temperatura, to w zależności od konstrukcji, 90–145 °C. Podciśnienie i zwielokrotnione nadciśnienie konsolidują warstwy prepregu oraz wyci-skają nadmiary żywicy z pomiędzy warstw włókien, a podwyższona temperatura po-woduje utwardzenie laminatu.

5. PODSUMOWANIE

Podczas badań symulacyjnych zauważono, że zależnie od przyjętego modelu za-dawania warunków brzegowych otrzymane wyniki mogą zdecydowanie się różnić. Pierwszy przypadek (roz. 3.1) w dalszych rozważaniach nie będzie brany pod uwagę ze względu na jego mało prawdopodobne wyniki. Pozostałe przypadki zostaną zwery-fikowane badaniami empirycznymi. Planowane dalsze badania symulacyjne uwzględ-niać będą zmianę materiału (ze stopu aluminium na włókno węglowe) oraz kształtu felgi, zgodnie z wynikami procesu optymalizacji.

100

Model felgi z włókna węglowego będzie wyglądał zupełnie inaczej. Planowane jest zastosowanie nowatorskiego rozwiązania kształtu ramion tarczy felgi, oraz zgłoszenie patentowe. Projektowana felga będzie wykorzystana w czwartej generacji bolidu ze-społu Cerber Motorsport – CMS-04.

Projekt jest na etapie wstępnym. Kolejnymi etapami, które zostaną wykonane są: 1. Wykonanie badań empiryczny, których obiektem będzie felga aluminiowa,

w celu weryfikacji metod zadawania obciążeń w badaniach symulacyjnych. 2. Zoptymalizowane kształtu felgi.

3. Wykonanie modelu felgi z włókna węglowego.

4. Wyznaczenie odpowiedniej ilości warstw włókien węglowych, które przy uło-żeniu ich pod odpowiednim kątem, przeniosą zbadane obciążenia w wytężo-nych miejscach felgi.

5. Wykonanie badań wytrzymałościowych na prototypie felgi z włókna węglo-wego.

LITERATURA

[1] WANG L., CHEN Y., WANG C., WANG Q., Fatigue Life Analysis of Aluminum Wheels by

Simu-lation of Rotary Fatigue Test, Journal of Mechanical Engineering, 2011, Vol. 57, No. 1, 31–39.

[2] STEARNS J.C., An Investigation of Stress and Displacement Distribution in A Aluminum Alloy

Automobile Rim, A Dissertation Presented to The Graduate Faculty of The University of Akron,

2000.

[3] VENKATESWARA RAO K., DHARMARAJU T., Analysis of Wheel Rim Using Finite Element

Method, International Journal of Engineering Research and Technology, 2014, Vol. 3(1), 1259–1263.

[4] SABRI M., REZAL M., MU’AZ A., SHAHRIL K., IHSAN J., Deformation Behaviour Analysis of

Car Wheel Rim under Different Loading Using Finite Element Method, International Journal of

Engineering and Technology, 2015, Vol. 5, No. 3, 181–184.

[5] YADAV P.H., RAMDASI P.G., Optimization of Car Rim Using OptiStruct, IOSR Journal Of Envi-ronmental Science, Toxicology And Food Technology, 2012, Vol. 2(3), 10–15.

[6] RAVI KUMAR P.V., SATYA MEHER R., Topology Optimization of Aluminium Alloy Wheel, In-ternational Journal of Modern Engineering Research, 2013, Vol. 3(3), 1548–1553.

[7] CURRIE A., WILSON B., Finite Element Analysis of an Automotive Wheel – A Case History, Na-tional Conference Publication, Institution of Engineers, Australia, 1981, 16–20.

[8] www.sprzedajemy.pl (20.04.2015) [9] www.hotdigitalnews.com (02.05.2015) [10] www.konstrukcjeinzynierskie.pl (29.04.2015) [11] www.baltazarkompozyty.pl (10.05.2015)

konstrukcje dla pojazdów przyszłości, motoryzacja, SmartMoto Challenge, skuter, siły, mechanika, dynamika motocykla

Marcin KURZAŁ* Wojciech PAWLAK* Tomasz GODLEWSKI*

OBCIĄŻENIA STATYCZNE ORAZ DYNAMICZNE,