Ανθρακονήματα στην F1

    Τι είναι τα ανθρακονήματα, ποιες οι ιδιότητές του και ποια η χρήση τους στην F1

    Αυτοφερόμενο πλαίσιο

    Στις αρχές της δεκαετίας του εξήντα, ο Colin Chapman , επικεφαλής της Lotus αλλά και του τμήματος σχεδιασμού, χρησιμοποίησε για πρώτη φορά το αυτοφερόμενο πλαίσιο (monocoque) στη Formula 1, τοποθετώντας λεπτές πλάκες γύρω από τις μπάρες του σασί και δίνοντας με αυτή τη νέα τεχνολογία αυξημένη ακαμψία σε αυτό. Αργότερα στη δεκαετία του εβδομήντα, που κυρίως το αλουμίνιο χρησιμοποιούνταν για αυτές τις κατασκευές, όταν αποδείχθηκε ότι δεν ήταν αρκετό για να αντέξει την κάθετη δύναμη που προερχόταν από τις πτέρυγες, ο John Barnard σχεδίασε και παρήγαγε για πρώτη φορά ένα αυτοφερόμενο σασί από ανθρακονήματα. Ο μηχανικός της McLaren χρησιμοποίησε την αμερικανική εταιρεία Hercules Aerospace για να το παράγει, αφού μέχρι τότε η ομάδα δεν είχε τα υλικά και τις γνώσεις για να το κάνει. Το 1981, οι οδηγοί της McLaren απέδειξαν την ασφάλεια και τα πλεονεκτήματα του νέου σασί, με τον John Watson να τερματίζει δύο φορές δεύτερος και μία φορά πρώτο. Και φυσικά ο Andrea De Cesaris –του οποίου το παρατσούκλι είναι de crasharis- επιβεβαίωσε την ακαμψία τοθ σασί με πολυάριθμες συντριβές εκείνη τη σεζόν.

    mclaren-mp4

    Ιδιότητες των Ανθρακονημάτων

    Οι ίνες άνθρακα είναι ένα μη ισότροπο υλικό, που εμφανίζει μεγαλύτερη αντοχή κατά μήκος των ινών. Αυτό σημαίνει ότι κατά την παραγωγή ενός φύλλου από ίνες άνθρακα είναι σημαντικό να είναι όλες οι ίνες παράλληλα ευθυγραμμισμένες μεταξύ τους. Κατά συνέπεια, όταν χρησιμοποιείται ένα φύλλο για την παραγωγή ενός μέρους του αυτοκινήτου, οι ίνες πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένες με τις δυνάμεις που θα ασκηθούν σε αυτό έτσι ώστε να μπορέσουν να τις διαχειριστούν.

    Carbon_fiber

    Κατά μήκος των ινών, τα ανθρακονήματα είναι ένα εξαιρετικά ισχυρό υλικό σε σύγκριση με το βάρος του. Κατατάσσεται στην κατηγορία των σύνθετων υλικών καθώς αποτελείται από ίνες άνθρακα και ρητίνη που κρατά τη συνοχή αυτών (CFRP-Carbon Fiber Reinforced Plastics). Σε αυτή τη μορφή είναι περισσότερο από πέντε φορές ισχυρότερο από το μέσο χάλυβα και ταυτόχρονα πέντε φορές ελαφρύτερο από αυτόν.

    hair-vs-carbon                                               Σύγκριση ίνας άνθρακα(μαύρη) και τρίχας μαλλιών(άσπρη)

    Χρήση στην F1

    Οι ομάδες της F1 χρησιμοποιούν ίνες άνθρακα με προεμποτισμένη εποξική ρητίνη και κυψελοειδές στρώμα αλουμινίου (aluminum honeycomb), που βρίσκεται μεταξύ των δύο στρώσεων των ανθρακονημάτων. Το σασί είναι συνήθως το πρώτο μέρος του αυτοκινήτου που πρόκειται να κατασκευαστεί, λόγω του χρόνου που απαιτείται. Το κύριο σασί αποτελείται συνήθως από περίπου 8 μέρη (πάνελ). Το πρώτο στάδιο της παραγωγικής διαδικασίας είναι η παραγωγή των καλουπιών. Τα καλούπια κατασκευάζονται από συνολικά 10 στρώσεις προεμποτισμένων -με ρητίνη- ανθρακονημάτων υπό κενό, μέσα σε θαλάμους υψηλής πίεσης και με διάφορες θερμικές κατεργασίες. Στη συνέχεια, καθαρίζονται επιμελώς και προετοιμάζονται για χρήση.

    carbon_fiber_prepreg

    Η επόμενη φάση είναι η πραγματική κατασκευή των κομματιών του αυτοκινήτου από κομμένα εκ των προτέρων και προεμποτισμένα φύλλα ανθρακονημάτων, τα οποία πολύ προσεκτικά στρώνονται στο καλούπι. Ως εκ τούτου, είναι ζωτικής σημασίας ο προσανατολισμός των φύλλων από ανθρακονήματα να γίνεται σε προαποφασισμένες κατευθύνσεις, προκειμένου να επιτευχθεί η επιθυμητή αντοχή. Συνολικά χρειάζονται 5 στρώσεις ινών άνθρακα για να σχηματίσουν το εξωτερικό κέλυφος του πλαισίου.

    aluminium honeycomb

    Το επόμενο στάδιο της διαδικασίας είναι η σκλήρυνση των ανθρακονημάτων σε αεροστεγή φούρνο. Η σκλήρυνση γίνεται με έναν αριθμό κύκλων πίεσης και θερμοκρασίας, βάσει συγκεκριμένων προδιαγραφών -2 ώρες και 30 λεπτά με την θερμοκρασία να αγγίζει του 135 βαθμούς και υπό πίεση 6 bar- κατά τους οποίους η ρητίνη που είναι προεμποτισμένη στα ανθρακονήματα, ενεργοποιείται, ρέει μεταξύ των ινών και σκληραίνει. Μόλις το εξωτερικό κέλυφος σκληρύνει και κρυώσει, ένα στρώμα κυψελοειδούς αλουμινίου τοποθετείται με μια λεπτή στρώση ρητίνης, ώστε να εξασφαλιστεί ότι θα κολλήσει καλά στο εξωτερικό περίβλημα. Το κομμάτι μετά επιστρέφει στο φούρνο για σκλήρυνση. Μόλις κρυώσει εκ νέου, τοποθετούνται και πάλι μερικές στρώσεις ανθρακονημάτων με προεμποτισμένη ρητίνη πάνω από το υπάρχον στρώμα, σχηματίζοντας ένα σάντουιτς, και το κομμάτι τοποθετείται για μια ακόμα φορά στο φούρνο.

    Carbon_fiber-alumin

    Μόλις το κομμάτι έχει υποστεί όλες αυτές τις διεργασίες και είναι έτοιμο, αποστέλεται στο τμήμα ποιοτικού ελέγχου και αξιολόγησης. Εφόσον, αποφασιστεί ότι πληροί όλες τις προδιαγραφές είναι έτοιμο για αγώνα.

    Ευάγγελος Γαβαλάς
    M.Sc. Mechanical Engineer RWTH Aachen University, Germany

    Σχόλια

    Σχόλια