راهنمای طراحی مواد کامپوزیت و فایبرگلاس

نویسنده: هنگامه خدابنده 1396/12/23 570
راهنمای طراحی مواد کامپوزیت و فایبرگلاس

این راهنما برخی اطلاعات کلی را درمورد فایبرگلاس و مواد کامپوزیتی و نحوه طراحی محصولات با استفاده از این مواد را توضیح می دهد.

مواد کامپوزیت و فایبرگلاس

برای ساخت مواد کامپوزیت از ترکیب دو ماده استفاده می شود به نحوی که یکی از مواد تقویت کننده (فیبر) و دیگری ماتریس (رزین) می باشد. هر یک از مواد در صورتی که به تنهایی به کار بروند نیز به واسطه ی ترکیب فیبر و ماتریس ویژگی هایی برتر را در اختیار خواهند داشت. نمونه های از محصولات کامپوزیتی که در طبیعت وجود دارند عبارت است از چوب، بامبو و استخوان، و نمونه ای از اولین کامپوزیت هایی که انسان بدست خود تولید کرد نیز ترکیب گل و کاه است که بیش از ده هزار سال مورد استفاده وی قرار داشته است. مواد کامپوزیتی بسیار متنوع هستند و در انواع زمینه ها به کار میروند. بخش های کامپوزیت استحکام، سفتی و سبک وزنی مثال زدنی تولید می کنند و می توان آن ها را به هر شکلی درآورد. از جمله موارد کابرد ایده ال آنها ساختارهای بزرگ کمپلکس مانند همانند کاورهای فایبرگلاسی می باشد.

محصولات کامپوزیتی برای استفاده هایی همانند هوافضا، ماشین های مسابقه ای، کشتیرانی، کالاهای ورزشی و کاربردهای صنعتی که در آنها نیاز به عملکرد بالاست مناسب هستند. کامپوزیتی که از همه بیشتر مورد استفاده قرار دارد فایبرگلاس در رزین پلی استر می باشد که معمولا با عنوان فایبرگلاس از آن یاد میشود. فایبرگلاس سبک وزن بوده، در برابر خوردگی مقاوم، به صرفه، به راحتی قابل پردازش ، دارای خصوصیات مکانیکی خوب ، و قدمتی بیش از 50 سال می باشد. در صنایعی همانند ساخت قایق و تجهیزات ضد خوردگی و سایش، فایبرگلاس، ماده غالب مورد استفاده است و نقش عمده ای را نیز در صنایعی همانند معماری ، اتومبیل سازی، پزشکی، تفریحی و تجهیزات صنعتی ایفا می کند.

ماده کامپوزیت نوعی را می توان از فیبرهایی همانند فایبرگلاس، فیبر کربن (گرافیت)، کولار، کوارتز، و پلی استر ساخت. فیبرها در قالب هایی مانند مت پوششی، مت الیاف کوتاه، پارچه بافته شده، نوار یک طرفه، پارچه دو محوره یا پارچه سه محوره عرضه می شود. رزین ها نوعا از نوع رزین های مجموعه حرارتی همانند پلی استر، وینیل استر، اپوکسی ، پلی اورتان و فنولیک می باشد. رزین ها در ابتدا مایع بوده و سپس طی فرایند عمل آوردن پلیمریزه و سخت میشوند. نسبت وزنی فیبرها به رزین می تواند از 20% فیبر به 80% رزین تا 70% فیبر به 30% رزین متفاوت باشد. نوعا محتوای فیبر بالاتر قوت و استحکام بیشتری را فراهم می کند، و توانایی متناسب ساختن ترکیب فیبرها و رزین تا با الزامات طراحی مطابقت داشته باشد و موادی بدست بیاید که عملکردی بهتر از استاندارد را نشان بدهد.

مواد کامپوزیتی در بسیاری از صنایع در حال جایگزینی به جای فلزات و پلاستیک هستند و کامپوزیت ها در بسیاری از کاربردهای جدید از جمله مواد انتخابی افراد می باشند.

فرایند تولید قالب روباز

رایج ترین نوع فرایند تولید فایبرگلاس، روش تر یا فرایند تفنگ پاشش می باشد که با استفاده از قالب روباز انجام می شود.یعنی شکل قطعه به واسطه شکل قالبی که در آن ریخته میشود تعیین می شود و سطح قالب نوعا در تماس با سطح بیرونی قطعه قرار دارد. در ابتدا برای انکه از چسبیدن قطعه فایبرگلاس به قالب جلوگیری شود، از رها کردن قالب بر روی سطح قطعه استفاده می شود. برای آنکه قطعه رنگی شود از پوشش ژلی، که همان رزین پیگمنت دار می باشد بر روی قالب استعمال می کنند. سپس فایبرگلاس و رزین داخل قالب ریخته میشود و فایبرگلاس توسط غلطک ها فشرده می گردد، تا رزین به صورت برابر توزیع شده و حباب های هوا از بین برود.لایه های چندگانه ای از فایبرگلاس ریخته می شود تا زمانیکه به ضخامت مد نظر دست پیدا شود. بعد از انکه رزین عمل آورده شد قطعه از قالب برداشته می شود. مواد اضافی پاک شده و قطعه آماده رنگ و اسمبلی می باشد. افزون بر این، برای ساخت قطعات فایبرگلاسی از فرایندهای قالب بسته هم استفاده می شود.

فرایند نفوذ در خلاء (آر تی ام سبک)

فرایند نفوذ در خلاء (وی آی پی) تکنیکی می باشد که طی آن از خلاء برای کشیدن رزین به داخل لمینت استفاده میشود. این فرایند در ابتدا توسط بارگذاری فیبرهای فابریک و مواد اصلی به داخل قالب و سپس استفاده از کیسه خلاء یا قالب پیشخوان برای بستن ِ قالب و خلق مهر و موم خلاءء صورت می پذیرد. از پمپ خلاء برای گرفتن تمام هوای موجود در حفره و یکدست سازی فیبر و مواد اصلی بهره گیری می شود. رزین که همچنان تحت خلاء قرار دارد داخل حفره ی قالب تزریق می شود تا فیبر را تر کند. مکان پورت های خلاء و نقاط تزریق رزین بایستی به دقت برنامه ریزی شوند تا از تزریق کامل رزین بتوان اطمینان داشت. مزیت فرایند تزریق وکیوم آنست که به این ترتیب لمینتی با محتوای فیبر بسیار بالا بدست می آید ( تا حداکثر 70% فیبر بنا به وزن). به این ترتیب قطعه ای بسیار محکم و مستحکم با وزن حداقلی بدست می آید. تزریق خلاء به علاوه فرایند تولیدی موثری برای لمینت های پیچیده با انبوه فیبرها و مواد اصلی می باشد.

آماده سازی برای تولید پیش آغشته

پیش آغشته فابریکی را گویند که از قبل با رزین آغشته شده است (معمولا با اپوکسی). رزین تا مرحله ی ب عمل آورده می شود و ژلی بدست می آید که نه مایع و نه جامد می باشد. مواد پیش آغشته بایستی برای جلوگیری از به عمل آورده شدن کامل به صورت فریز شده نگهداری شوند. سپس مواد پیش آغشته به اشکال مختلف برش زده شده و به صورت لایه لایه در قالب ریخته می شود. انگاه از کیسه خلاء بر روی مواد استفاده شده و پمپ خلاء نیز تمام هوا را بیرون کشیده و لایه ها را به هم فشرده نموده و مواد را یکدست می کند . قالب بارگذاری شده سپس داخل اجاق قرار می گیرد تا رزین مایع شده و فیبرها را تر نماید. به موازات بالاتر رفتن درجه حرارت، رزین پلیمریزه شده و سخت می شود و مزیت مواد پیش آغشته عبارت است از کنترل نسبت فیبرها، خلل و فرج کم و جایگذاری دقیق فیبرها در مکان دلخواه و یکدستی از نظر ضخامت.

مواد پیش آغشته نوعا برای محصولات هوا فضا و قطعات سبک وزن دارای عمکلرد بالا مورد استفاده قرار می گیرند. فایبرگلاس نیز همانند هر مواد دیگری مزیت ها و معایبی را دارد؛ با این حال، در کاربردهایی همانند خوردگی، تولید در حجم کوچک تا متوسط، قطعات بسیار بزرگ، قطعات لبه دار یا گرد و قطعاتی که نیازمند استحکام خاص هستند، فایبرگلاس ماده ای است که می توان انتخاب کرد . فایبرگلاس از مواد ایده ال و مورد علاقه طراحان هم هست، زیرا می توان قطعات فایبرگلاسی را با جایگذاری استراتژیک مواد و جهت گیری خاصی که به مسیر فیبر داده می شود به نحوی قالب گیری کرد که از استحکام و سختی مورد نظر ما برخوردار باشد. انعطاف فایبرگلاس از نظر طراحی و تولید فرصت هایی را برای یکدست سازی قطعات و استفاده از ویژگی های بسیار در قطعه فراهم می سازد تا قیمت نهایی قطعه هر چه بیشتر کاهش پیدا کند.

مکانیک ها و تحلیل مواد کامپوزیت

خصوصیات مکانیکی ِفلز و پلاستیک ایزوتروپی هستند (قوت و استحکام یکسان در تمام مسیرها). خصوصیات مکانیکی ِ مواد کامپوزیتی دگرسوپذیر هستند (قوت و استحکام مختلف که بسته به مسیر فیبرها و بارگذاری شان فرق دارد). تفاوت مابین خصوصیات ایزوتروپیک و دگرسوپذیر تحلیل طراحی کامپوزیت را پیچیده می سازد، اما بیشتر برنامه های FEA، قابلیت های تحلیلی کامپوزیتی دارند. خصوصیت دگرسوپذیری ِمواد کامپوزیت به مهندس اجازه می دهد تا مواد کامپوزیتی را دستکاری کنند تا اقدام به افزودن خصوصیات استحکام و قوت تنها در آن نواحی و مسیرهایی سازند که نیاز است؛ بنابراین هزینه ها و وزن کاهش پیدا می کند.

تجهیز

تجهیز یا قالب ها برای تعریف شکل قطعات فایبرگلاس استفاده می شود. قطعه فایبرگلاس تمامی اشکال و ویژگی های قالب را به خود می گیرد؛ بنابراین، کیفیت قطعه تا حدزیادی بسته به کیفیت قالب می باشد. قالب ها می تواند نر یا ماده باشد. قالب های ماده رایجتر هستند و قطعه تولیدی حاصل از آنها سطح بیرونی همواری دارد درحالیکه قالب نر باعث تولید قطعه ای با سطح درونی هموار می شود (لطفا شکلی که در ادامه می آید را ببینید).

به ازای هر دور تولید کوتاه مدت (که مثلا شامل تولید 10 قطعه می شود) ، قالب های موقتی را می توان از چوب، فوم ، سفال یا گچ درست کرد. این قالب ها به صرفه بوده و خیلی سریع قابلیت تولید دارند که امکان تولید کردن قطعات نمونه اولیه ی ارزان قیمت را فراهم می سازد. به ازای تولید در حجم بزرگتر، نوعا قالب ها از فایبرگلاس ساخته می شوند. این قالب ها دوره عمر 10 سال به بالا داشته و چرخه ی آن بالای 1000 دور می باشد. قالب های فایبرگلاس ارزان قیمت بوده و معمولا تنها 6 الی 10 برابر قیمت قطعه هزینه برمی دارند.

قالب در واقع آینه ای از خود قطعه است. برای خلق کردن یک قطعه، نیازمند قالب اصلی (پلاگ) هستیم. قالب اصلی می تواند خود یک قطعه واقعی بوده یا از چوب ، فوم، گچ یا سفال ساخته شود. شکل دقیق و فینیش قالب اصلی به قالب منتقل خواهد شد. بعد از انکه قالب اصلی تکمیل شد، پرداخت شده، واکس زده شده و قالب بر مبنای آن ساخته می شود. تکنیک تولید قالب مشابه تولید قطعه فایبرگلاس می باشد با این تفاوت که مواد تجهیز (پوشش ژل، رزین ها و پارچه) برای فراهم سازی قالبی ماندگار استفاده می شوند که آب رفت آن کم بوده و ثبات ابعادی خوبی داشته باشد. بعد از آنکه قالب با پلاستیک پوشانده شد، با استفاده از چوب، فایبرگلاس، یا ساختار فلزی تقویت می شود تا از حفظ شکل مناسبش اطمینان حاصل شود. سپس قالب از قالب اصلی برداشته شده و برای تولید استفاده می شود.