Filament winding (nawijanie włókien) to wysokoefektywna technologia wytwarzania elementów kompozytowych, w której ciągłe włókna nasycone żywicą są precyzyjnie nawijane na obracający się trzpień (mandrel) według zaprogramowanych trajektorii. Proces ten umożliwia uzyskanie bardzo wysokiej wytrzymałości przy minimalnej masie, szczególnie w elementach osiowo-symetrycznych.
Technologia filament winding jest dziś kluczowa dla przemysłu energetycznego, lotniczego i wodorowego.
Na czym polega filament winding?
W procesie filament winding:
- włókna (najczęściej węglowe lub szklane) są ciągłe i równomiernie naprężone,
- zbrojenie jest nawijane pod ściśle kontrolowanym kątem,
- żywica może być nanoszona przed nawijaniem (wet winding) lub pochodzić z prepregów,
- po zakończeniu nawijania następuje utwardzanie, a następnie usunięcie trzpienia.
Efektem są elementy o optymalnie rozłożonej nośności, dokładnie tam, gdzie działają naprężenia.
Dlaczego filament winding daje tak wysoką wytrzymałość?
Kluczowe zalety technologii:
- ciągłość włókien (brak przerw jak w laminatach ciętych),
- precyzyjna kontrola kąta nawijania,
- wysoki i powtarzalny udział włókien,
- bardzo niska porowatość,
- doskonała powtarzalność.
To sprawia, że filament winding jest jedną z najmocniejszych technologii kompozytowych.
Jakie materiały stosuje się w filament winding?
Zbrojenie
- włókno węglowe (CFRP) – najwyższa wytrzymałość,
- włókno szklane (GFRP) – ekonomiczne rozwiązanie,
- włókna aramidowe – odporność udarowa (rzadziej).
Żywice
- epoksydowe,
- winyloestrowe,
- specjalistyczne systemy wysokociśnieniowe i wysokotemperaturowe.
Zastosowania filament winding
🟢 Zbiorniki ciśnieniowe
Najważniejsze i najbardziej znane zastosowanie:
- zbiorniki na wodór (H₂),
- zbiorniki LPG i CNG,
- butle techniczne.
Filament winding umożliwia precyzyjne przenoszenie naprężeń obwodowych i osiowych, co jest kluczowe w aplikacjach ciśnieniowych.
🟢 Rury i przewody
- rurociągi kompozytowe,
- rury wysokociśnieniowe,
- elementy instalacji chemicznych.
🟢 Lotnictwo i kosmonautyka
- struktury cylindryczne i stożkowe,
- obudowy silników,
- elementy rakiet i satelitów.
🟢 Energetyka i przemysł
- wały napędowe,
- obudowy urządzeń,
- elementy konstrukcyjne o osiowej symetrii.
Ograniczenia technologii filament winding
Mimo licznych zalet, filament winding ma też ograniczenia:
- najlepiej sprawdza się w geometriach osiowo-symetrycznych,
- ograniczona swoboda kształtu w porównaniu do RTM,
- koszt maszyn i oprogramowania,
- konieczność precyzyjnego projektowania trajektorii włókien.
Filament winding vs inne technologie
- vs laminowanie ręczne → znacznie wyższa wytrzymałość i powtarzalność,
- vs infuzja → lepsza kontrola włókien, ale mniejsza swoboda geometrii,
- vs RTM → idealne do zbiorników i rur, mniej uniwersalne kształtowo.
Podsumowanie
Filament winding (nawijanie włókien) to technologia, bez której nie byłby możliwy rozwój nowoczesnych zbiorników ciśnieniowych, energetyki wodorowej i lekkich konstrukcji wysokowytrzymałościowych.
Łączy maksymalną efektywność materiałową z bardzo wysoką powtarzalnością, czyniąc ją jednym z filarów zaawansowanych technologii kompozytowych.
➡️ W kolejnych artykułach na kompozyty.net omówimy projektowanie trajektorii włókien oraz porównanie filament winding z HP-RTM w aplikacjach zbiornikowych.
