با نام و یاد اوکه یار‌ی‌گر مطلق است
طراحان و مهندسان مواد کامپوزیتی را در جهت تولید موادی با قیمت ارزان و با استحکام بیشتر و وزن کمتر نسبت به سایر سازه‌ها بهتر ومناسبتر ی‌ندارند .
در زندگی روزمره محصولات فراوانی که ما از آنها بهره می‌جوییم همچون قایقها و چوبهای اسکی و گلف و حتی آن چیزهایی که زیاد در موردشان اطلاعات نداریم همچون صنعت هوا و فضا و صنایع نظامی از کامپوزیتها بهره فراوان می برند. کامپوزیتها به مواد چند سازه ترجمه شده است.
در حدود 90% کامپوزیتهای تولید شده از الیاف شیشه و رزین پلی‌استر و وینیل استر استفاده می شود. 65% کامپوزیتها با استفاده از روش قالبگیری باز ساخته می‌شوند و35% باقیمانده با استفاده از روشهای قالبگیری بسته یا پیوسته تولید می‌شوند.
کامپوزیتها به طور گسترده‌ای به عنوان پلاستیک‌های تقویت شده (Reinforced Plastics) شناخته می شوند. به طور ویژه، کامپوزیتها، الیاف تقویت کننده‌ای در ماتریس پلیمری هستند.
غالبا، الیاف تقویت کننده، فایبر گلاس (Fiber Glass) می باشند گرچه الیافی با استحکام بالا نظیر آرامید (Aramid) و کربن (Carbon) در کاربردهای پیشرفته به کار برده می شوند.
ماتریس پلیمری (Ppolymer Matrix) رزین ترموستی (Thermoset Resin) نظیر پلی استر، مینیل استر و رزینهای اپاکسی به عنوان ماتریس انتخابی می‌باشند. رزینهای خاصی نظیر فنولیک، پلی اوره تان و سیلیکون برای کاربردهای ویژه استفاده می شوند. اغلب پلاستیک خانگی، نظیر پلی اتیلن، اکریلیک، نایلون و پلی استیرن به عنوان ترموپلاستیکها شناخته می‌شوند. این ماده می‌توانند حرارت دیده و شکل بگیرند و یا دوباره حرارت دیدن مجدداَ به حالت مایع برگردند. کامپوزیتها معمولا از رزینهای ترموستی که ابتدا به صورت پلیمرهای مایع می باشند استفاده می کنند ودر حین فرایند قالبگیری به شکل جامد تبدیل می شوند . این فرایند به عنوان اتصال مقاطع که غیر قابل بازگشت می باشد شناخته می شود .به این دلیل، در مواد کامپوزیت، مقاومت شیمیایی وحرارتی وخاص فیزیکی دوام سازه ای شان نسبت به ترموپلاستیکها افزایش یافته است به دلیل فواید مواد کامپوزیت، رشد کاربردهای جدید در بازارهای نظیر حمل و نقل، ساختمان، مقاومت به خوردگی، سازه های در یایی، سازه های خیلی قوی ،محصولات مصرفی، وسایل برقی ،هواپیما وهوافضا، وسایل وتجهیزات تجاری در حال تقویت است. مزایای استفاده از مواد کامپوزیت عبارتند از:
استحکام بالا
مواد کامپوزیت برای نیازهای استحکامی خاص در یک کار برد می توانند طراحی شوند . مزیت بارز کامپوزیتها نسبت به سایر مواد ، توانایی استفاده کردن از تعداد زیادی از ترکیبهای رزینها و تقویت کننده‌ها وبنا بر این رسیدن به خواست مشتری از نظرخواص مکانیکی وفیزیکی سازه می باشد.
سبکی
کامپوزیتها، موادی را ارائه می دهند که می توانند برای هم استحکام بالا وهم وزن کم طراحی شوند. در حقیقت کامپوزیتها جهت تولید سازه هایی با بالاترین نسبت استحکام به وزن شناخته شده برای بشر به کار برده می‌شوند.
مقاومت به خوردگی
کامپوزیتها، مقاومت طولانی مدتی را در کار در محیطهای شیمیایی و دمایی ارائه می دهند .کامپوزیتها موادی منتخب برای قطعاتی که در معرض محیطهای باز، کاربردهای شیمیایی ودیگر شرایط محیطی می باشند هستند.
انعطاف پذیری طراحی
کامپوزیتها نسبت به دیگر مواد این مزیت را دارند که می توانند با شکلهای پیچیده نسبت به هزینه کم، قالبگیری شوند. انعطاف پذیری در ایجاد شکلهای پیچیده ، به طراحان آزادی عمل می دهد که نشانی از موفقیت کامپوزیتهاست.
بادوام بودن
سازه های کامپوزیتی عمری با دوام طولانی را دارا هستند. این خصوصیت با حداقل نیازمندی های تعمیر ونگهداری توام گشته است . طول عمر کامپوزیتها در کاربردهای حساس مزیت به شمار می رود. در نیم قرن توسعه کامپوزیتها ، سازه های کامپوزیتی به گونه ای خوب طراحی شده اند که هنوز کاملا فرسوده نشده اند . امروزه توسعه صنعت کامپوزیت ها به عنوان یک ارائه دهنده اصلی مواد به رشد خود ادامه می دهد به صورتی که بیشتر طراحان ، مهندسین وسازندگان ، از مزایای این مواد همه کاره مطلع شده اند.
تاریچه صنعت کامپوزیتها
استفاده از مواد کامپوزیت طبیعی ،بخشی از تکنولوژی بشر از زمانی که اولین بناهای باستانی ، کاه برای تقویت کردن آجرهای گلی به کار بردند بوده است .
مغولهای قرن دوازدهم ، سلاحهای پیشرفته ای را نسبت به زمان خودشان با تیر و کمانهایی که کوچکترین وقوی تر از دیگر وسایل مشابه بودند ساختند. این کمانها سازه‌های کامپوزیتی ای که به وسیله ترکیب زردپی احشام (تاندون)، شاخ، خیزران(بامبو) و ابریشم ساخته شده بودند که باد فلوکون طبیعی(Rosin) پیچیده می‌شد. این طراحان سلاحهای قرن دوازدهم، دقیقا اصول طراحی کامپوزیت را می‌فهمیدند. اخیرا بعضی از این قطعات موزه ای 700 ساله کشیده وتست شدند. آنها از نظرقدرت حدود 80% کمانهای کامپوزیتی مدرن بودند. در اواخر دهه 1800 ، سازندگان کانو قایقهای باریک و بدون بادبان و سکان تجربه می کردندکه با چسباندن لایه های کاغذ محکم کرافت "kraft"با نوعی لاک به نام شلاک""shellلایه گذاری کاغذی راتشکیل میدهند.
درحالیکه ایده کلی موفق بود ولی مواد به خوبی کار نمی کردند. چون مواد در دسترس ترقی نکرد این ایده محو شد. در سالهای بین 1870 تا1890 انقلابی در شیمی به وفوع پیوست.اولین رزینهای مصنوعی ساخت بشر توسعه یافت به طوری که میتوانست بوسیله پلیمریزاسیون از حالت مایع به جامدتبدیل شود. این رزینهای پلیمری ازحالت مایع به حالت جامد توسط پیوند متقاطع مولکولی تبدیل می شوند.
رزینهای مصنوعی اولیه شامل سلولویید و ملا مین و باکلیت( Bakelite) بودند. دراوایل دهه1930 دو شرکت شیمیا یی که روی توسعه رزینهای پلیمری فعالیت میکردندعبارت بودنداز"American Cyanamid"و "Dupont".
درمسیر ازمایشاتشان هر دو شرکت به طور مستقل و در یک زمان به فرمول ساخت رزین پلی استر دست یافتند . هم زمان شرکت شیشه"Owens-lllinois" شروع به ساخت الیاف شیشه به همان صورت بنیادی بافت پارچه های نساجی نموند. در طی سالهای 1934و1936محققی به نام"RayGreen"دراوهایواین دومحصول جدید را ترکیب کرد وشروع به قالبگیری قایقهای کوچک نمود.این زمان را شروع کامپوزیتهای مدرن می شناسند.درحین جنگ جهانی دوم توسعه رادار به محفظه های غیرفلزی نیاز پیدا کرد و ارتش امریکا با تعدادزیادی پروژه های تحقیقاتی تکنولوژی نوپای کامپوزیتها را توسعه بخشید. فورا به دنبال جنگ جهانی دوم کامپوزیت به عنوان یک ماده مهندسی اصلی پدیدارشد.صنعت کامپوزیت دراواخردهه 1940 باعلاقه شدید به آن شروع شد و به سرعت دردهه 1950 توسعه یافت. بیشترروشهای امروزی قالبگیری و فرآیند انجام کارروی کامپوزیتهادرسال 1955 گسترش یافت.
قالبگیری باز(لایه گذاری دستی) قالبگیری فشاری استفاده ازپاشش الیاف سوزنی قالبگیری به روش انتقال رزین روش فیلامنت وایدینگ استفاده ازکیسه خلاء وروش پاشش درخلاء همگی بین سالهای 1946 و1955 توسعه یافتند ودرتولیداستفاده شدند.
محصولات ساخته شده ازکامپوزیتها درطی این دوره شامل این موارد بودند: قایقها بدنه اتومبیلها "Corvette" قطعات کامیونها قطعات هواپیماها مخازن ذخیره زیرزمینی ساختمانها وبسیاری دیگرازمحصولات مشابه.
امروزه صنعت کامپوزیت به رشدخودادامه میدهد چراکه به دنبال افزایش قدرت سبکی دوام وزیبایی محصولات می باشیم.
فصل اول
فرایندهای ساخت کامپوزیتها
دوتقسیم بندی عمومی در فرایندهای ساخت کامپوزیت وجوددارد: قالبگیری باز(که گاهی قالب گیری تماسی نامیده می شود) و قالبگیری بسته. در قالبگیری باز، ژل‌کت و لایه ها در حین فرایند ساخت در معرض اتمسفر محیط می باشند . در قالبگیری بسته، کامپوزیت در یک قالب دو تکه یا درون یک کیسه خلاء ساخته می شود . روشهای ساخت متنوعی در هر یک از این دو شاخه قالبگیری بازو بسته وجود دارد.
قالبگیری باز
• لایه گذاری دستی
کاربرد دستی رزین
کار برد مکانیکی رزین
• فرایند لایه گذاری با الیاف سوزنی
روش پاشش با اسپری به صورت اتمیزه
به کار گیری غیر اتمیزه
• روش فلامنت ویندینگ
قالبگیری بسته
• قالبگیری فشاری
Sheet Molding Compound (SMC)
Bulk Molding Compound(BMC)
Thick Molding Compound (TMC)
قالبگیری فشاری به صورت لایه گذاری خیس
• کششی Pultrusion Processing
• Reinforced Reaction Injection Molding
(RRIM)
• Resin Transfer Molding (RTM)
• قالبگیری تحت کیسه خلاء
لایه گذاری خیس
پری پرگ Prepreg
• فرایند تزریق در خلاء
• ریختگری گریز از مرکز
• لایه گذاری پیوسته
تقسیمات دیگری از فرایندهای قالبگیری می توانند برای مشخص کردن بیشتر تکنیکهای ساخت کامپوزیتها انجام شوند. روش دیگر از تقسیم بندی فرایندها بر اساس حجمی است که آنها تولید می شوند.
تولید در حجم کم
• قالبگیری باز
• قالبگیری تزریق در خلاء
• قالبگیری با کیسه خلاء
• قالبگیری با پری پرگ
تولید در حجم متوسط
• فیلامنت وایندینگ
• RTM
• قالبگیری فشاری با لایه گذاری خیس
• ریخته گری گریز از مرکز
تولید در حجم بالا
• قالبگیری فشاری SMC/BMC/TMC
• قالبگیری تزریقی عکس العملی تقویت کننده(RRIM)
• کششی
• لایه گذاری پیوسته
کاربردهای قالبگیری باز
فرایند قالبگیری باز، اغشته سازی الیاف تقویت کننده با رزین است، از تکنیکهای دستی با کمک غلتک زدن روی لایه ها وخارج سازی هوای حبس شده نیز استفاده میشود. فاکتور اصلی در این عملیات انتقال رزین از یک مخزن ذخیره به قالب است. روشهای انتقال رزین در برخی حالت ها ، فرایند ویژه‌ای را مشخص می کنند . برای مثال اگر رزینی ، با استفاده یک ظرف و قلم ومو به صورت دستی به کار برده شود ، این فرایند به عنوان لایه گذاری دستی شناخته می شود. اگر رزین با استفاده از ابزارهای پاشش الیاف سوزنی که مرسوم است به کار برده شود ، این فرایند به عنوان پاشش توسط اسپری اطلاق می شود .
در سالهای پیش ، استفاده از اسپری در دو لایه گذاری دستی و روش پاشش الیاف توسط اسپری ، تمایز این دو روش را کمی مغشوش کرده بود. اگر کسی عمل خیس کردن مواد موجود را توسط غلتک انجام دهد (مثلا الیاف سوزنی یا پارچه های کوک زده شده ) حتی با استفاده از پیستوله (برای پاشش متوازن ) باز هم این روش به روش لایه گذاری دستی اطلاق می شود . بنابر این در صورتی که به کار بردن تقویت کننده توسط دست انجام گیرد فرایند قالبگیری روش لایه گذاری دستی می باشد، در عین حالی که به کار بردن رزین به صورت اتمیزه شدن ویا اسپری باشد.
به منظور مشخص نمودن دقیق روشهایی که استفاده می شود ، تعاریف دقیقتری از فرایندها در صنعت توسعه یافته است . فرایند قالبگیری روش قرار دادن الیاف تعریف می شود (به صورت دستی یا به صورت پاششی).
روش کاربرد رزین، روشهای به کار برده شده برای انتقال رزین به قالب تعریف می شود. تعاریف رسمی برای فرایند قالبگیری باز وروشهای کاربرد آن به صورت زیر هستند:
تعاریف فرایند قالبگیری باز
فرایند لایه گذاری دستی: استفاده از تقویت کننده ها به صورت خام، نظیر پارچه‌های سوزنی ، پارچه های بافته شده یا به هم کوک زده شده، به صورتیکه به وسیله دست در محل خود قرار داده می شوند وسپس با رزین آغشته می گردند . رزین می تواند یا توسط دست یا دیگر وسایل مکانیکی به کار برده شود.
فرایند لایه گذاری پاششی: استفاده از یک وسیله پاشش الیاف سوزنی که الیاف پیوسته را که به صورت دم اسبی هستند بریده وبه تکه های سوزنی و با طول کوتاه در آورده وبا مخلوط کردن رزین والیاف که به عنوان Chop شناخته شده ، آن را روی قالب قرار می دهد. این فرایند شامل روش پاشش توسط اسپری اتمیزه شده وشبیه به کاربردن الیاف سوزنی با جریان غیر اتمیزه می باشد .
تعاریف به کار بردن رزین
کاربرد دستی رزین: انتقال دستی یک رزین ترموست از یک ظرف نگهداری به روی الیاف تقویت کننده . مخلوط کردن رزین درون ظرف به صورت دستی انجام شده واستفاده رزین روی لایه ها توسط قلم ومو، غلتک،لیسه یا امثال هم انجام می‌پذیرد.
کاربرد رزین به صورت مکانیکی: کاربرد رزین ترموست روی الیاف تقویت کننده با استفاده از یک ابزار مکانیکی.
• اسپری کردن کنترل نشده: بدون کالیبراسیون فشار پیستوله، بدون فلنجهای محدود کننده قالب ، بدون آموزشهای ویژه به اپراتور.
• اسپری کردن کنترل شده: با کالیبراسیون تایید شده فشار پیستوله، دارای فلنجهای محدود کننده قالب، با آموزشهای ویژه به اپراتور به صورت مستند ومطابق با هندبوک پاشش توسط اسپری کنترل شده CFA هر سه عامل فوق باید به صورت کاربرد کنترل شده اسپری جهت بالا بردن کیفیت موجود باشند.
• کاربرد به صورت غیر اتمیزه : شامل جریان پوشاننده ها ، جریان الیاف سوزنی آغشته شده به رزین، غلتکهای تحت فشار یا دیگر کاربردها به غیر از اسپری . توجه کنید که جریان پوشاننده ها وجریان الیاف سوزنی آغشته شده به رزین به عنوان روشهای کاربردی غیر اتمیزه شده اطلاق می شوند.
به کار بردن ژل کت: به کار بردن محصولات ژل کت با استفاده از پاشش توسط اسپری به صورت اتمیزه شده توسط روش کاربردی کنترل شده یا کنترل نشده.
• اسپری کردن کنترل نشده : بدون کالیبراسیون فشار پیستوله، بدون فلنجهای محدود کننده قالب ، بدون آموزشهای ویژه به اپراتور.
• اسپری کردن کنترل شده : با کالیبراسیون تایید شده فشار پیستوله ، دارای فلنجهای محدود کننده قالب وآموزش مستند اپراتور مطابق با هندبوک اسپری کردن کنترل شده CFA . هر سه عامل فوق باید برای بالا بردن کیفیت به عنوان کاربرد کنترل شده روش اسپری کردن موجود باشند.
روش لایه گذاری دستی
روش لایه گذاری دستی،یک روش قالبگیری باز است که برای ساخت محصولات متنوعی از کامپوزیتها ،که شامل قایقها ،مخازن ،پوشش حمامها، بوشها ،قطعات کامیونها واتومبیلها، سازه های معماری وبسیاری دیگر از محصولات در محدوده قطعات خیلی کوچک یا خیلی بزرگ است، مناسب می باشند. گرچه حجم تولید هر قالب کم است ، با افزایش قالبها می توان تعداد تولید را بالا برد.
تشریح فرایند
ژل کت ابتدا روی قالب با استفاده از پیستوله برای ایجاد سطحی با کیفیت بالا به کار برده می شود. وقتی ژل کت به اندازه کافی عمل آوری شده باشد ، تقویت کننده های فایبر گلاس را به صورت دستی روی قالب قرار می دهند. رزین لایه‌گذاری ،توسط ریختن و قلم و موزدن وغلتک زدن یا به کمک لیسه یا پاشش به وسیله اسپری استفاده می شود. غلتکهایFRP یا لیسه ها جهت توزیع رزین وآغشته‌سازی کامل الیاف تقویت کننده ونهایتا جهت خروج حبابهای حبس شده هوا استفاده می شوند. سپس لایه های مراحل بعدی جهت رساندن به ضخامت مورد نیاز به لایه های قبلی تقویت کننده اضافه می شوند. مواد ماهیچه‌ای Core با دانسیته کم ، نظیر چوب ، بالسا،فوم وهانیکوم اغلب برای بالا بردن سفتی لایه گذاری به کار برده می شوند.
قالبها
قالبهای ساده یک تکه با ساختار کامپوزیتی از جنس فایبر گلاس به طور عمومی استفاده می شوند. این قالبها در اندازه های کوچک تا بزرگ می‌توانند باشند ودر رده قالبهای کامپوزیتی ارزان قیمت می باشند.
مزیتهای اصلی
ساده ترین روش قالب سازی ، دارای هزینه کم ، فرایند ساخت ساده وپوشش دامنه وسیعی از اندازه های قطعات است . تغییرات طراحی به سادگی انجام میشود. حداقل سرمایه گذاری تجهیزات را می خواهد. با اپراتورهای ماهر سرعتهای خوبی از تولید را با کیفیتی خوب می توان به دست آورد.
شکل 1-1: روش لایه گذاری دستی
روش پاشش توسط پیستوله
روش پاشش توسط پیستوله یاChopping یک روش قالبگیری باز شبیه به روش لایه گذاری دستی است که برای ساخت قایقها ، مخازن ، قطعات وسایل حمل ونقل، وان حمام وامثال هم در اندازه ها وشکلهای متنوع ، مناسب می باشد. یک لایه‌گذاری ساخته شده از این روش انطباقی خوبی با روش دستی داشته وگاهی اوقات در قالبگیری شکلهای پیچیده از روش دستی سریعتر است . در فرایند اسپری کردن اپراتور است که ضخامت وغلظت را کنترل می کند ، بنابراین غلظت در این روش بیشتر از روش دستی به اپراتور بستگی دارد . اگر چه حجم تولید در هر قالب کم است ، تولید بیشتر ، با افزایش تعداد قالبها میسر است.
تشریح فرایند
مثل روش لایه گذاری دستی ، ژل کت ابتدا روی قالب قبل از پاشش لایه‌گذاری اصلی به کار برده می شود. الیاف ورشته های باریک وپیوسته گلاس و رزین آماده شده(مخلوط شده با هارد نر) با یکدیگر مخلوط شده وبه شکل سوزنی در آمده و از طریق پیستوله روی قالب اسپری می شوند. سپس لایه های بعدی برای رسیدن به ضخامت مورد نیاز اضافه می شوند. به همراه الیاف سوزنی ، تقویت کننده هایی به شکلهای دیگر نظیر پارچه های بافته شده یا کوک زده شده می توانند به کار برده شوند . ماهیچه نیز همچون روش دستی ، می تواند در این روش به کار برده شود.
شکل 1-2: روش باشش توسط بیستوله
قالبها
قالبها در اینجا هم مشابه روش دستی به کار برده می شوند. قالبهایی با ساختار کامپوزیتی از جنس فایبر گلاس به صورت یک تکه وساده عموما به کار برده می‌شوند. قالبها می توانند در محدوده خیلی کوچک تا خیلی بزرگ وبا هزینه کم از جنس قالبهای کامپوزیتی باشند.
مزیت اصلی
سادگی ، هزینه کم، فرایند ساده، تجهیزات قابل جابجایی در کارگاه ساخت، نداشتن محدودیت اندازه قطعات . این فرایند می تواند اتوماتیک بشود.
فیلامنت وایند ینگ
روش پیچاندن الیاف یک روش قالبگیری باز اتوماتیک است که از یک مدل دوار به عنوان قالب استفاده می کند. شکل قالب ، یک سطح داخلی پرداخت شده و یک سطح لایه گذاری روی قطر خارجی محصول را تولید می کند.
این روش درجه بالایی از بارگذاری روی الیاف را نتیجه می دهد که استحکامهای بالای کششی در ساخت قطعات تو خالی را ایجاد می کند و عموما در ساخت قطعات استوانه ای شکل نظیر مخازن نگهداری سوخت و مواد شیمیایی، لوله‌ها، دودکشها، مخازن تحت فشار وپوسته های موتور راکت به کار می رود.
تشریح فرایند
الیاف پیوسته از درون یک حمام رزین تغذیه شده وبه دور مدل دوار پیچانده می شوند. تغذیه الیاف از روی یک غلتک که به صورت عرضی درطول مدل حرکت می کند انجام می پذیرد . الیاف روی مدل هندسی از پیش تعیین شده در جهات مورد نیاز خوابانده می شوند. زمانی که لایه‌ها به اندازه کافی به کار برده شوند ، لایه گذاری روی مدل عمل آوری (Cure) می شود . قطعه قالبگیری شده سپس از مدل جدا میشود. این روش می تواند با روش پاشش توسط اسپری توام گردد که به عنوان فرایند Hoop Chop معروف است.
قالبها
مدلها با اندازه وشکل مناسب از الومینیم یا فولاد ساخته شده که سطح داخلی قطعات تو خالی را تشکیل می دهند . برخی مدلها قابل مچاله شدن هستند تا جا سازی قطعه به سادگی انجام شود.
مزیتهای اصلی
این فرایند، لایه گذاری هایی با نسبت بالای استحکام به وزن را نتیجه داده و درجه بالایی از کنترل روی یکنواختی وجهت الیاف را ارائه می دهد. سازه های ساخته شده با این روش می توانند به دقت ماشینکاری شوند . چون این فرایند به صورت اتوماتیک انجام می شود، فاکتور کارگر برای این روش (F.W) کمتر از روشهای دیگر قالبگیری باز نقش دارد .
شکل 1-3: فیلامنت وایند ینگ
قالبگیری فشاری
قالبگیری فشاری یک روش تحت فشار وبا حجم بالای تولید است که برای قالبگیری شکلهای پیچیده قطعات پلاستیک تقویت شده با فایبر گلاس در یک سیکل عمل آوری سریع مناسب می باشد. چندین نوع قالبگیری فشاری وجود دارند که عبارتند از:TMC,BMC,SMC وقالبگیری تحت فشار با لایه گذاری خیس. قالبگیری فشاری از قالبهای فلزی با دمای بالا، که درون پرسهای بزرگ نصب شده اند استفاده میکند.
تشریح فرایند
مجموعه قالب در یک پرس قالبگیری مکانیکی یا هیدرولیکی نصب میشود. قالبها بین 250تا400 درجه فارنهایت گرم می شوند. هزینه سنگینی نسبت به روش قالبگیری باز در این روش باید در نظر گرفته شود. دو تکه قالب بسته شده و فشاری بین 250psi تا3000psi به کار برده می شود. بسته به ضخامت، اندازه و شکل قطعه ، سیکلهای عمل آوری از کمتر از یک دقیقه تا پنج دقیقه تغییر می کند . قالب باز شده و قطعه نهایی برداشته می شود. قطعاتی از این نوع شامل قطعات اتومبیل، بدنه وسایل و قطعات سازه‌ای، وسایل خانگی، قطعات برقی، قطعات و پوسته ماشینهای اداری می باشند.
قالبها
قالب معمولا به صورت قالب فلزی فولادی یا چدنی ماشینکاری شده است که می تواند یک یا چند تکه باشد. قالبهای فولادی سخت کاری می‌شوند وگاهی جهت بالا بردن دوامشان با کرم روکش داده می شوند. ماهیچه های کناری ، محلهایی برای ورود و دیگر چیزهای مورد نیاز اغلب به کار برده می شوند. مواد قالبها شامل فولاد ریختگی فورج شده ، چدن و الومینیم ریختگی می باشند . قالبهای فلزی دو تکه ، می توانند 50 برابر قالبهای باز FRP هزینه بردارند وهزینه قالب سازی بین 50 هزار دلار تا 500 هزار دلار غیر عادی نیست.
مزیتهای اصلی
قالبگیری فشاری سیکلهای قالبگیری سریع و یکنواخت بالایی در قطعات را تولید می کند . فرایند می تواند اتوماتیک شود. انعطاف پذیری خوب طراحی قطعه و مشخصه هایی نظیر زبانه، پره ها، برجستگیها ودیگر ملحقات می توانند در قالبگیری ایجاد شوند. سطوح خوب قطعات تمام شده بدست آمده وهزینه قطعه تمام شده پایین می باشد . عملیات برشهای نهایی وماشینکاری در قالبگیری فشاری به حداقل می رسد. هزینه کارگری بسیار پایین می باشند.
شکل 1-4
روش کششی
روش کششی که یک فرایند پیوسته است برای ساخت قطعاتی که دارای سطح مقطع ثابت هستند نظیر میلگرد ،شکلهای سازه ای ، تیرها، کانالها، لوله، تیوپ، چوبهای ماهی گیری وچوبهای گلف ، مناسب است. روش کششی، پروفیلهایی با تحمل بار گذاریهای بسیار زیاد روی الیاف را تولید می کند بنابر این قطعات ساخته شده از این روش دارای خواص سازه ای بالایی هستند.
شکل 1-5: روش کششی
تشریح فرایند
الیاف رشته ای فایبر گلاسی به صورت پیوسته،پارچه های حصیری یا به صورت پرده ای در حمام رزین اغشته می شوند وسپس از درون قالبی فولادی توسط یک مکانیزم قوی کششی به بیرون کشیده می شوند. قالب فولادی به تقویت کننده ها آغشته شده به رزین شکل داده ونسبت رزین به الیاف را کنترل می کند . این قالب جهت سرعت دادن به عمل آوری رزین ، گرم می شوند. تعدادی قلاب از سر رشته ها بر روی یک چنگک متصل شده اند وسری پیچیده ای از وسایل کششی و هدایت کننده به رشته ها ،جهت وارد شدن به قالب ،جهت می دهد .
قالبها
قالبهای فولادی سخت شده ،ماشینکاری می شوند وشامل محفظه ای جهت شکل دادن اولیه به الیاف آغشته شده به رزین می باشند. قالبها شامل بخشهای گرمایشی هستند که می توانند به صورت الکتریکی یا با روغن داغ شوند. آخرین تکنولوژی کششی در قالبهای رزین مستقیم به کار رفته است که در آن به جای اینکه الیاف از حمام رزین در خارج از قالب عبور کنند رزین به داخل قالب تزریق میشود.
مزیتهای اصلی
این فرایند عملیات پیوسته ای است که می تواند به سادگی اتوماتیک شود . با این روش می توان هم شکلهای ساده وهم شکلهایی با سطح مقطع پیچیده را تولید نمود . به دلیل بار گذاری روی الیاف. استحکامهای خیلی زیاد،قابل دستیابی بوده و هزینه های کارگری نیز پایین می باشد.
قالبگیری با کیسه خلاء
خواص مکانیکی قطعات ایجاد شده در قالب باز با استفاده از کیسه خلاء میتواند بهبود یابد . با کاهش فشار درون کیسه خلاء ،فشار اتمسفری خارج آن ،نیرویی را روی کیسه اعمال می کند . فشار روی لایه‌ها، هوای حبس شده ورزین اضافی را بیرون رانده ولایه ها را متراکم میکند .از این رو درصد بیشتری از لایه ها تقویت کننده نسبت به رزین در قطعه حاصل می شود . به علاوه، استفاده از این روش ، انتشار گازهای استیرن را کاهش می دهد. کیسه خلاء می تواند در روشهای لایه‌گذاری خیس وکامپوزیتهای پیشرفته با پری پرگ استفاده شود . در روش لایه‌گذاری با کیسه خلاء ،لایه های تقویت کننده با استفاده از روش لایه گذاری دستی آغشته می شوند. سپس کیسه خلاء روی قالب نصب میشود تالایه ها را متراکم نموده وحفره های هوایی را خارج سازد .
در کامپوزیتهای قالبگیری شده باپری پرگ روی قالب خوابانده میشود. سپس کیسه خلاءروی آن نصب شده وقالبگرم می شود یا قالب را درون اتوکلاوی که درون آن هم حرارت وهم فشاری بیش از فشار اتمسفر به کار می رود قرار میدهند. روش اتوکلاو – کیسه خلاء – پری پرگ بیشتر برای ساخت محصولات نظامی وهواپیمایی کامپوزیتی پیشرفته استفاده می شود .
تشریح فرایند
در ساده ترین شکل استفاده از کیسه خلاء، یک فیلم انعطاف پذیر (PVA، نایلون، مایلاریا پلی اتیلن ) روی لایه های خیس قرار داده میشود و سپس لبه ها آب بندی شده وخلاء ایجاد می شود. در شکل پیشرفته تر استفاده از این روش، فیلم جدا کننده ای روی لایه ها قرار داده می شود و سپس لایه ای به نام بلیدر (Bleeder) از جنس پارچه فایبر گلاس، نایلون ساده ،پارچه پلی استر یا دیگر موادی که رزین اضافی را از لایه ها به خود جذب می کنند روی ان قرار داده می شود. سپس یک لایه بریدر (Breeder) روی لایه بلیدر قرار می گیرد وکیسه خلاء روی کل مجموعه نصب می شود . ایجاد خلاء درون کیسه ، باعث اعمال فشار اتمسفری روی لایه گذاری وخروج هوای محبوس ورزین اضافی از لایه می شود. فشار اضافی فشردگی بیشتر الیاف وچسبندگی بهتر وبیشتر بین لایه‌ها را در ساختار های ساندویچی ، ایجاد می کند . وقتی خواباندن صفحات فومPVC یا چوب بالسا به داخل یک قالب مادگی انجام می شود، استفاده از کیسه خلاء ، تکنیک انتخابی جهت مطمئن شدن از اتصال ثانویه ماهیچه به لایه گذاری خارجی می باشد.
شکل 1-6: روش استفاده از کیسه خلاء
قالبها
قالبها نظیر انچه در فرایندهای مرسوم قالبگیری باز به کار میروند می باشند.
مزیتهای خاص
فرایند قالبگیری با استفاده از کیسه خلاء می تواند یک لایه گذاری با درجه یکنواختی قطعه ایجاد کند در حالی که ،همزمان هوای حبس شده خارج وبنابراین درصد حجمی حفره های موجود در قطعه تمام شده کاهش می یابد. سازه های ساخته شده با تکنیک مرسوم لایه گذاری دستی می تواند رزین زیادی در قطعه ایجاد کند که با کمک کیسه خلاء این مشکل مرتفع می گردد .علاوه بر این خشک شدن کامل الیاف میتواند در صورتی که فرایند به طور صحیح انجام شود تکمیل گردد . بهبود اتصال لا یه ها به ماهیچه در استفاده از کیسه خلاء ممکن می شود .
فرایند تزریق در خلاء
این روش ،نوع دیگری از به کار گیری کیسه خلاء است که بعد از این که خلاء ایجاد شد والیاف متراکم شدند رزین به داخل الیاف تزریق میشود . تقویت کننده و ماهیچه به صورت خشک درقالب خوابانده می‌شوند. این کار دستی انجام میشود و فرصتی را ایجاد می کند تادقیقا تقویت کننده در جای مناسب قرار گیرد . آنگاه رزین به داخل قالب ولایه‌ها که قبلا فشرده شده اند کشیده می شود ، بنابراین جایی برای رزین اضافی وجود نخواهد داشت . نسبتهای خیلی بالای گلاس به رزین با این روش امکان پذیر بوده وخواص مکانیکی لایه گذاری بسیار عالی می‌باشند. این روش برای قالبگیری سازه های خیلی بزرگ مناسب بوده و به عنوان یک فرایند قالبگیری با حجم کم در نظر گرفته می شود .
تشریح فرایند
قالب می تواند به طریقه مرسوم با ژل کت پوشانده شود. بعد از اینکه ژل کت خشک شد ،الیاف تقویت کننده به صورت خشک در قالب قرار می گیرد . این شامل همه لایه ها وماهیچه ها ، در صورت نیاز، میشود. یک فیلم جدا کننده سوراخ دار روی تقویت کننده خشک قرار داده می شود. بعدا یک لایه متخلخل با دانه بندی درشت روی آن قرار گرفته وتیوب سوراخ داری به عنوان مجرای توزیع رزین روی لایه ها قرار داده می شود . آنگاه کیسه خلاء قرار داده شده و دور تا دور قالب آب بندی می شود . یک تیوب بین کیسه خلاء وظرف رزین متصل میشود . خلاء برای انجام کار روی لایه گذاری ایجاد شده ورزین به داخل قالب کشیده می شود.
قالبها
قالبها، مشابه فرایندهای مرسوم قالبگیری باز می باشند.
مزیتهای اصلی
این روش می تواند لایه گذاری ایجاد کند که درجه یکنواختی خوبی داشته و سازه هائی با استحکام بالا وسبکی را ایجاد کند. این فرایند از هزینه پایین قالبگیری باز بر خوردار بوده وبه حداقل تجهیزات نیاز دارد.
سازه های خیلی بزرگ با این روش می توانند ساخته شوند. روش تزریق در خلاء کاهش انتشار گازها رادر مقایسه با دیگر روشهای قالبگیری باز، در بردارد.
شکل 1-7: فرایند تزریق در خلاء
قالبگیری به روش انتقال رزین ( RTM)
روش قالبگیری با انتقال رزین یک فرایند قالبگیری با حجم متوسط برای تولید قطعات کامپوزیتی است فرایند RTM به وسیله رزین تزریقی تحت فشار به داخل محفظه قالب انجام می شود . RTM می تواند تنوع وسیعی از قالبگیری در محدوده قالبهای کامپوزیتی کم هزینه تا قالبهای فلزی کنترل کننده دما را شامل باشد . این فرایند میتواند اتوماتیک شود وقادر به تولید سیکلهای سریع زمانی می‌باشد . توام نمودن وکیوم میتواند در جهت بالا بردن میزان دبی جریان رزین به داخل قالب به کار برده شود.
• اگر فشار در قالب بیش از فشار اتمسفر باشد، قالبگیری با انتقال رزین بکار می‌رود.
• اگر فشار در قالب کمتر از فشار اتمسفر باشد، فرآیند تزریق در خلاء بکار برده میشود.
تشریح فرایند
روی قالب در صورت نیاز طبق روشهای مرسوم ، ژل کت زده میشود. تقویت کننده (وماهیچه) در محل خود در درون قالب قرار داده می شود و قالب بسته شده و محکم می شود . رزین تحت قشار با استفاده از کنترل میزان تزریق به داخل قالب تزریق شده و قطعه در داخل قالب عمل آوری می شود . تقویت کننده میتواند یا به صورت شکل گفته شده از قبل ویا به صورت برش از روی الگو باشد . آنهایی که به صورت شکل گرفته شده از پیش هستند در یک فرایند جداگانه شکل مورد نظر را به خود گرفته ومی توانند خیلی سریع در قالب جای گیرند .
RTM می تواند در دمای اتاق انجام شود . هر چند قالبهای حرارت داده شده برای اجرا سیکلهای سریع واستحکام بالا مورد نیاز می باشد بستن دو قالب می تواند با بستن دور تا دور قالب یا بستن توسط پرس صورت گیرد.
قالبها
در RTM هم قالبهای سخت وهم قالبهای نرم را می توان به کار برد که به انتظار ما از میزان استفاده آن بستگی دارد . قالب نرم می تواند قالبهای اپاکسی یا پلی استر باشد در حالی که قالب سخت می تواند شامل قالبهای فولادی ماشین کاری شده یا قالبهای آلومینیم ماشین کاری شده یا پوسته نیکلی تولید شده از الکتروفورمینگ باشد. RTM این مزیت را نسبت به هر فرایند تولید کامپوزیتی دارد که وسیعترین دامنه قالب را به خود اختصاص می دهد.
مزیتهای اصلی
این فرایند قالبگیری بسته ، قطعاتی را با دو سطح پرداخت شده ارائه می دهد . با خواباندن تقویت کننده صورت خشک درون قالب، هر ترکیب از مواد و جهات میتواند به کار برده شود که شامل تقویت کننده های سه بعدی هم می شود. ضخامت قطعه به وسیله فضای داخلی قالب تعیین می شود . تعداد زیادی سیکل سریعا می توانند در قالب با کنترل دما انجام شوند وفرایند می توان در محدوده‌ای ساده تا کاملا اتوماتیک انجام شود.
فصل دوم
فرایندها و روشهای اساسی ساخت پلاستیک های تقویت شده با الیاف (FRP)
چندسازه‌هایی با فاز پیوسته معدنی را می توان با روشهای معمولی که برای خود این فاز به کار می رود، تهیه کرد. از جمله این روش ها: افشاندن، ریخته گری، قالبگیری تحت فشار، قالب گیری تزریقی و ... می باشند. الیافت تقویت کننده این چند سازه ها، از نوع ناپیوسته هستند و به صورت درهم در فاز پیوسته پخش می باشند. شیوه ساخت چندسازه های با فاز پیوسته بسپاری به شکل و ابعاد قطعه نهایی بستگی دارد. شیوه های عمده ساخت این چندسازه ها در جدول 1-2 خلاصه شده و در شکل 1-2 نشان داده شده است.
خواص مکانیکی نوعی قطعات پلی استر تقویت شده با الیاف شیشه که به وسیله روش های مختلف ساخته شده، در جدول 2-2 ارائه شده است. به طوری مشاهده میشود، چندسازه های حاصل از روش های مختلف دارای خواص گوناگونی می باشند. بهترین خواص مکانیکی مربوط به چندسازه ی ساخته شده، از الیاف پیوسته به وسیله نوعی قالب گیری تحت فشار است. در روش رشته پیچی، طی فرآیند پیچیده شدن الیاف، فشار بوسیله خود الیاف بر چندسازه وارد می شود. معمول ترین روش های ساخت چندسازه‌ها عبارتند از:
قالبگیری تماسی: در این روش الیتف تقویت کننده به صورت نمد یا پارچه های بریده شده، در قالب قرار داده می شوند و پس از آغشته شده با رزین در دمای نسبتاً کم پخته می شوند. امتیاز روش قالبگیری تماسی سادگی قالب ها، دمای پخت پایین و انعطاف پذیری است. از جمله معایب این روش، تولید فرآورده های نامرغوب، معمول بودن روش دستی، هزینه تولید نسبتاً بالا و عدم ثبات در دستیابی به کیفیت یکسان است. در مواردی که هزینه های سرمایه گذاری اهمیت داشته باشد، با مکانیزه کردن فرآیند تولید می توان بازده آن را به میزان قابل توجهی افزایش داد (150 کیلوگرم در هر ساعت کار در قیاس با 2 کیلوگرم در هر ساعت کار).
شکل 2-1: فرایندها و روشهای اساسی ساخت بلاستیک های تقویت شده با الیاف (FRP)
قالب گیری تحت فشار: الیاف تقویت کننده مورد استفاده در این روش ممکن است به صورت های الیاف پیوسته جهت دار و پارچه های نمدی یا بافته شده آغشته به رزین باشد. نخست تقویت کننده ی آغشته شده به رزین، درون قالب قرار داده شده است و سپس در دمای تا 200oc پخته می شود. امتیاز عمده این روش، ثبات خواص چندسازه ی تولیدی در هر نوبت و کیفیت خوب فرآورده ی حاصل است. در مقابل، وسایل تولید شده در این روش گران و زمان هرنوبت تولید، طولانی است و فقط به قطعات کوچک محدود می شود. با بکارگیری سیستم هیدورلیک در قالبگیری تحت فشار، می توان زمان قالبگیری را برای قطعات کوچک، در فشار تا 100 بار به حدود 5 دقیقه تنزل داد.
جدول 2-2 : خواص مکانیکی پلی استرهای تقویت شده با شیشه که از روش های مختلف حاصل شده است.
روش قالبگیری نوع تقویت کننده استحکام کششی
(MPa) استحکام خمشی
(MPa) مدول کشسانی
(GPa)
قالب گیری تماسی رشته ی نمدی بریده شده
رشته های شیشه ای بافتده شده 150-60
250-150 120-80
180-120 7-5
11-8
قالبگیری با خلاء رشته ی نمدی بریده شده
رشته های شیشه ای بافتده شده 100-80
250-150 150-90
200-150 8-6
12-9
قالبگیری تحت فشار 10 بار رشته های کوتاه بافتده شده 250-150 400-200 25-15
مرکزگریزی رشته نمدی بریده شده 120-80 150-90 9-7
رشته پیچی رشته های کوتاهی از الیاف (فتیله) 1500-600 1000 60-25
قالبگیری در گرمخانه: در این روش الیاف آغشته به رزین فاز پیوسته بر روی یا در درون قالب شکل دهنده با آرایش مطلوب و مناسب قرار داده می شود و پس از پوشانیدن سطح آن با یک پوشش کیسه ای آن را در درون گرمخانه می گذارند تا سخت و پخته شود (مثلاً در فشار 15 بار و دمای 200oc ). از این طریق می توان با ابزار نسبتاً ارزان قیمت قطعات پیچیده و بزرگی را تولید کرد. محدودیت های این روش تعداد کم قطعات تولیدی و کاربر بودن آن است. روش قالبگیری در گرمخانه به نحو گسترده ای در صنایع فضایی استفاده می شود. سرعت فرآیند کم بوده و برای هر کیلوگرم تولید چندسازه نیازمند 2 تا 20 ساعت کار به ازای هر نفر می باشد (تقریباً 30 تا 300 دلار برای هر کیلوگرم). قیمت گرمخانه مورد استفاده بیش از 250 هزار دلار است و علاوه بر آن هزینه انرژی مصرفی نیز بالا می باشد.
قالبگیری ورقه پیوسته: تقویت کننده در این روش عمدتاً شیشه به صورت پارچه نمدی یا بافته شده است و به صورت پیوسته و بدون پیچیده شدن، با رزین( پلی استریااپوکسی) آغشته شده و پس از عبور از چند غلتک از درون یک گرمخانه عبور میکند. این روش بیشتر برای تولید پانلهای ساختمانی و تزئینی، که در معرض تنشهای شدید قرار نمی گیرند، مورد توجه می باشد.
روش رشته پیچی: این روش برای ساخت اجسام مدور مانند لوله، مخازن استوانه‌ای و اجسام کروی معمول است. الیاف تقویت کننده مصرفی ممکن است الیاف بریده شده یا فتیله ای شیشه، کربن یا آرامید و یا تقویت کننده های آغشته به رزین باشند. در این روش فرآیندهای مختلف به اشکال گوناگونی مرسوم می باشد. تجهیزات ناپیوسته ی تولیدی در روش رشته پیچی حدود 30 تا 120 هزار دلار قیمت دارند. قیمت تجهیزات نیمه پیوسته آن به 500 هزار دلار نیز می رسد.
کشش رانی: الیاف تقویت کننده به طور پیوسته به رزین آغشته شده (یا از تقویت کننده قبلاً آغشته شده به رزین ممکن است استفاده شود)، با عبور از غلتک های فشاردهنده گرم، رزین اضافی از آن گرفته می شود. چندسازه بعد از شکل گیری به وسیله قالب مخصوص، با عبور از تنور گرم پخته و سفت می گردد. در این روش به طور عمده الیاف تقویت کننده پیوسته با رزین پلی استر و وینیل استر بکار می روند. کشش رانی برای تولید چند سازه های مرغوب و ارزان قیمت با شکل های مختلف سطح مقطع، مانند: لوله، پروفیل و میله بسیار معمول است. فرآورده های این روش از نظر خواص و مرغوب بودن، با دیگر روش های قالبگیری که گرانتر است، رقابت میکند و در روش های فراورش پیچیده، بدون نیاز به سرمایه گذاری هنگفت، می‌توان چندسازه های معمولی و پیشرفته را در خط تولید قرار داد. مراحل مختلف کشش‌رانی در شکل 2-2 نمایش داده شده است. پیشرفت های اخیر در فرآیند کشش‌رانی نشان می دهد که در این فرآیند، رزین اپوکسی و گرمانرم های پیشرفته، مانند: پلی سولفون و پلی اترکتون نیز به عنوان فاز پسوسته، عمدتاً برای ساخت پندسازه های پیشرفته، قابل استفاده هستند. قیمت تجهیزات کاملاً خودکار تولیدی کشش رانی تا اندازه قالب 36 (90 سانتی متر) به 400 هزار دلار بالغ می گردد.
شکل 2-2: مراحل اساسی فرآیند پولتروسیون: حوضچه آغشته سازی، غلتک های چلاننده، قالب شکل دهنده، تنور پخت، غلتک کشنده و دستگاه برش.
قالبگیری تزریقی واکنش تقویت کننده (PRIM): استفاده از این روش برای تولید سریع قطعات اتومبیل با دیواره نازک، نظیر سپروکاپوت از پل اورتان کشپاری تقویت شده با شیشه توسعه روزافزون داشته و برای فاز پیوسته رزین پلی استر نیز مورد توجه قرار گرفته است. در این روش جریان هایی از اجزای سازنده بسپار به طور جداگانه (شامل الیاف خردشده شیشه) به درون یک قالب گرم تزریق گردیده و در آنجا بسپارش انجام میشود. برای اقتصادی بودن فرآیند، انجام سریع بسپارش (کمتر از 30 ثانیه) ضروری است. قیمت تمام شده قطعات پلی استر در حدود 1.60 دلار به ازای هرکیلوگرم تخیمن زده می شود. قیمت قطعات بدست آمده از این روش با قیمت تمام شده قطعات مشابه پلی استری که از روش های ساخت دیگر بدست آمده است، قابل قیاس است. کیفیت این قطعات پست تر از قطعات ساخته شده از پلی اورتان است و ارزانتر تمام می شود.
پلاستیک های تقویت شده با الیافت شیشه (GRP) در ساختمان سازی
در زمینه های مختلف کاربرد این نوع چندسازه ها در کشورهای صنعتی، بخش ساختمان سازی، محتمل ترین زمینه برای آنها در کشورهای در حال رشد است. در این صورت از تجربیات موجود در بهینه اسزی چندسازه ها برای موارد کاربرد باربر و به منظور طراحی و ساخت سازه های ارزان قیمت می توان بهره برد. در جدول 2-3 ، فهرستی از کاربردهای بالقوه چندسازه ها در صنعت ساختمان جمع بندی شده است. تجزیه و تحلیل موضوع در موقعیت فعلی ما را تقریباً به همان نتیجه قبلی می رساند، از این‌رو نتایج ارزیابی های گذشته مطرح می شود.
جدول 2-3 : موارد کاربرد چندسازه های تق
دانلود مقاله کامپوزیت ها
