カーボンファイバーチューブ

さまざまな種類のカーボンファイバーチューブ
このチュートリアルで取り上げるチューブには、引抜成形チューブとロールラップチューブの 2 つの主なタイプがあります。
引抜成形チューブは直径が小さくなる傾向があり、縦方向の強度を最大限に高めることができますが、その代償として圧潰やねじり破壊に対してより脆弱になります。内外面は滑らかで、よく見ると繊維が見えます。これらのチューブは、樹脂バスと加熱されたダイを通して繊維を引っ張ってチューブを形成することによって形成されます。繊維はすべてその長さ方向に沿って配向されています。引抜成形プロセスにより、チューブは十分なレベルの剛性を持ちますが、裂けやすくなります。

機械試験の紹介
これらの機械的テストの目的は、2 種類のカーボンファイバー チューブ (304 ステンレス鋼と 6063 アルミニウム) 間の比較データを提供することです。テスト全体を通じて同じプロファイル サイズ、つまり外径 10 mm、内径 8 mm を使用しています。これにより、同一のプロファイルの相互に相対的なパフォーマンスが表示されます。

引張強度試験
これは、チューブが破損するまで引っ張られる単純な引張試験です。チューブは弾性限界まで引っ張られ、さらに破断するまで引っ張られます。弾性限界はグラフ上の一定の勾配で示され、降伏して塑性変形に移行し始めると、勾配は破断するまで減少します。したがって、降伏点に注意することがはるかに重要です。

圧縮強度試験
これは、2 つのグリップの間でチューブを押す比較的単純な圧縮テストです。金属サンプルはほぼ予想通りの挙動を示し、カーボンチューブは再びグリップで失敗し、テスト方法の限界を示しました。鋼管が 1.5 トンで最も優れた性能を発揮し、次に引抜成形およびロールラップ管が 1 トン弱で続き、アルミニウム管は約 0.5 トンで破損します。

ねじり剛性試験
チューブがグリップ内で滑ったり破損したりするまでの比較データを提供するために、既知のねじり荷重でチューブを比較しています。この種のテストを失敗するまでしっかりと把握するのは特に困難ですが、既知のレベルまでテストすることはできます。この場合、ドライバーで達成できる程度の 5 ニュートン メートルを、グリップまたはチューブが破損するまで続けます。

3-点曲げテスト
チューブの3点曲げ試験です。カスタム ツール ヘッドを使用して、弾性変形、最終的には塑性変形、そして最終的には破損を示します。予想通り、両方の金属チューブが塑性変形と曲げによって破損しました。カーボンチューブは、ひび割れや潰れによって破損する前にたわみました。ロールラップチューブは約 200kg で最高の性能を発揮し、次にスチールチューブが 175kg で続きました。引抜成形チューブは約 140kg で破損し、続いてアルミニウムは 50kg で破損しました。このテストでは、引抜成形チューブと比較して、ロール巻きチューブの追加フープ繊維の利点が特に強調されています。

引抜成形チューブの結果と考察
このセクションでは、結果と、それがこのタイプのチューブの使用にどのような影響を与えるかを検討します。純粋な引張荷重および圧縮荷重において、これらのチューブはその重量に対して優れた性能を発揮します。長さ方向に荷重がかかると、これらの引抜成形チューブはカーボン チューブとほぼ同じ強度を持ちますが、ねじり性能、潰れ、裂けに対する抵抗が犠牲になります。

ロールラップチューブの結果と考察
このセクションでは、結果と、それがこのタイプのチューブの使用にどのような影響を与えるかを検討します。引張試験と圧縮試験で見られるように、これらのチューブは引抜成形品とほぼ同等の性能を発揮します。 3 点曲げテストでは、フープ ファイバーの利点と、引抜成形チューブに比べてフープ ファイバーが提供する耐圧潰性が明らかに浮き彫りになりました。また、フープファイバーがねじり抵抗をわずかに改善する様子も強調しました。

カーボンファイバーチューブの限界
カーボンファイバーチューブの性能は多くの用途に対して非常に優れていますが、カーボンファイバーチューブが理想的または適切ではない可能性がある制限や用途もあります。ここでは一般的な例をいくつか取り上げます。カーボンファイバーが適さない良い例は、高温での用途です。カーボンファイバーは 120 ℃を超えると著しく劣化します。表面が急速に摩耗する滑り軸受やブッシュなど、高レベルの摩耗を伴う用途には適していません。ねじ切りなどの精密機械加工は、ねじ山が非常に弱いためうまく機能しません。このような用途には、金属インサートなどを金属内にねじを入れて使用するのがより良い解決策です。