مروری بر فناوری نمونه سازی سریع برای مواد کامپوزیت

در حال حاضر فرآیندهای ساخت بسیاری برای سازه های مواد مرکب وجود دارد که می توان از آنها برای تولید و ساخت سازه های مختلف استفاده کرد.با این حال، با توجه به راندمان تولید صنعتی و هزینه های تولید صنعت هوانوردی، به ویژه هواپیماهای غیرنظامی، بهبود فرآیند پخت برای کاهش زمان و هزینه ها ضروری است.نمونه سازی سریع یک روش ساخت جدید بر اساس اصول شکل دهی گسسته و پشته ای است که یک فناوری نمونه سازی سریع کم هزینه است.فن آوری های رایج عبارتند از قالب گیری فشاری، شکل دهی مایع، و تشکیل مواد کامپوزیت ترموپلاستیک.

1. فناوری نمونه سازی سریع قالب فشار دادن
فناوری نمونه‌سازی سریع قالب‌گیری فرآیندی است که در آن قطعات پیش‌آغشته‌شده از قبل در قالب قالب‌گیری قرار می‌گیرد و پس از بسته شدن قالب، نمونه‌ها از طریق حرارت و فشار فشرده و جامد می‌شوند.سرعت قالب گیری سریع است، اندازه محصول دقیق است و کیفیت قالب گیری پایدار و یکنواخت است.در ترکیب با فناوری اتوماسیون، می تواند به تولید انبوه، اتوماسیون و ساخت کم هزینه اجزای ساختاری کامپوزیت فیبر کربن در زمینه هوانوردی غیرنظامی دست یابد.

مراحل قالب گیری:
① یک قالب فلزی با استحکام بالا و متناسب با ابعاد قطعات مورد نیاز برای تولید تهیه کنید و سپس قالب را در پرس نصب کرده و حرارت دهید.
② مواد کامپوزیتی مورد نیاز را به شکل قالب آماده کنید.پیش‌فرم کردن یک مرحله حیاتی است که به بهبود عملکرد قطعات نهایی کمک می‌کند.
③ قطعات از پیش ساخته شده را در قالب گرم شده قرار دهید.سپس قالب را با فشار بسیار بالا فشرده کنید، معمولاً از 800psi تا 2000psi (بسته به ضخامت قطعه و نوع ماده استفاده شده).
④ پس از رها شدن فشار، قطعه را از قالب خارج کرده و هرگونه سوراخ را جدا کنید.

مزایای قالب گیری:
به دلایل مختلف، قالب گیری یک فناوری محبوب است.بخشی از دلیل محبوبیت آن به دلیل استفاده از مواد کامپوزیت پیشرفته است.در مقایسه با قطعات فلزی، این مواد اغلب قوی‌تر، سبک‌تر و مقاوم‌تر در برابر خوردگی هستند و در نتیجه اجسامی با خواص مکانیکی بهتری تولید می‌شوند.
مزیت دیگر قالب گیری توانایی آن در ساخت قطعات بسیار پیچیده است.اگرچه این فناوری نمی‌تواند به طور کامل به سرعت تولید قالب‌گیری تزریقی پلاستیک دست یابد، اما در مقایسه با مواد کامپوزیتی چند لایه معمولی، اشکال هندسی بیشتری ارائه می‌دهد.در مقایسه با قالب‌گیری تزریقی پلاستیک، فیبرهای طولانی‌تر را نیز امکان‌پذیر می‌کند و مواد را قوی‌تر می‌کند.بنابراین، قالب‌گیری را می‌توان به‌عنوان حد وسط بین قالب‌گیری تزریقی پلاستیک و تولید مواد کامپوزیت چند لایه در نظر گرفت.

1.1 فرآیند تشکیل SMC
SMC مخفف مواد کامپوزیتی تشکیل دهنده ورق فلز است، یعنی مواد کامپوزیتی تشکیل دهنده ورق فلز.مواد اولیه اصلی از نخ مخصوص SMC، رزین غیر اشباع، افزودنی های کم انقباض، پرکننده ها و مواد افزودنی مختلف تشکیل شده است.در اوایل دهه 1960، برای اولین بار در اروپا ظاهر شد.در حدود سال 1965، ایالات متحده و ژاپن به طور متوالی این فناوری را توسعه دادند.در اواخر دهه 1980، چین خطوط و فرآیندهای پیشرفته تولید SMC را از خارج از کشور معرفی کرد.SMC دارای مزایایی مانند عملکرد الکتریکی برتر، مقاومت در برابر خوردگی، وزن سبک و طراحی مهندسی ساده و انعطاف پذیر است.خواص مکانیکی آن می تواند با برخی از مواد فلزی قابل مقایسه باشد، بنابراین به طور گسترده در صنایعی مانند حمل و نقل، ساخت و ساز، الکترونیک و مهندسی برق استفاده می شود.

1.2 فرآیند تشکیل BMC
در سال 1961، ترکیب قالب گیری ورق رزین غیر اشباع (SMC) که توسط Bayer AG در آلمان ساخته شد، راه اندازی شد.در دهه 1960، ترکیب قالب گیری فله (BMC) شروع به ترویج کرد، همچنین به عنوان DMC (ترکیب قالب گیری خمیر) در اروپا شناخته می شود، که در مراحل اولیه (دهه 1950) ضخیم نشد.طبق تعریف آمریکایی، BMC یک BMC ضخیم شده است.پس از پذیرش فناوری اروپایی، ژاپن دستاوردهای قابل توجهی در کاربرد و توسعه BMC داشته است و در دهه 1980، این فناوری بسیار بالغ شده بود.تاکنون ماتریس مورد استفاده در BMC رزین پلی استر غیراشباع بوده است.

BMC متعلق به پلاستیک های ترموست است.بر اساس ویژگی های مواد، دمای بشکه مواد دستگاه قالب گیری تزریقی نباید خیلی زیاد باشد تا جریان مواد را تسهیل کند.بنابراین، در فرآیند قالب گیری تزریقی BMC، کنترل دمای بشکه مواد بسیار مهم است و باید یک سیستم کنترلی برای اطمینان از تناسب دما وجود داشته باشد تا به دمای مطلوب از قسمت تغذیه به سمت برسد. نازل

1.3 قالب گیری پلی سیکلوپنتادین (PDCPD).
قالب گیری پلی سیکلوپنتادین (PDCPD) بیشتر یک ماتریس خالص است تا پلاستیک تقویت شده.اصل فرآیند قالب گیری PDCPD، که در سال 1984 پدیدار شد، به همان دسته قالب گیری پلی اورتان (PU) تعلق دارد و اولین بار توسط ایالات متحده و ژاپن توسعه یافت.
Telene، یکی از شرکت های تابعه شرکت ژاپنی Zeon Corporation (واقع در Bondues، فرانسه)، در تحقیق و توسعه PDCPD و عملیات تجاری آن به موفقیت زیادی دست یافته است.
فرآیند قالب‌گیری RIM به خودی خود آسان‌تر به صورت خودکار است و در مقایسه با فرآیندهایی مانند پاشش FRP، RTM یا SMC هزینه‌های نیروی کار کمتری دارد.هزینه قالب مورد استفاده توسط PDCPD RIM بسیار کمتر از SMC است.به عنوان مثال، در قالب کاپوت موتور Kenworth W900L از پوسته نیکل و هسته آلومینیومی ریخته گری، با رزین کم چگالی با وزن مخصوص تنها 1.03 استفاده می شود که نه تنها هزینه ها را کاهش می دهد، بلکه وزن را نیز کاهش می دهد.

1.4 شکل‌دهی آنلاین مستقیم مواد مرکب ترموپلاستیک تقویت‌شده با الیاف (LFT-D)
در حدود سال 1990، LFT (Long Fiber Reinforced Thermoplastics Direct) به بازار اروپا و آمریکا معرفی شد.شرکت CPI در ایالات متحده اولین شرکت در جهان است که مستقیماً تجهیزات قالب‌گیری گرمانرم تقویت‌شده با الیاف بلند کامپوزیت و فناوری مربوطه (LFT-D، Direct In Line Mixing) را توسعه داده است.این شرکت در سال 1991 وارد عملیات تجاری شد و پیشرو جهانی در این زمینه است.Diffenbarcher، یک شرکت آلمانی، از سال 1989 روی فناوری LFT-D تحقیق کرده است. در حال حاضر، عمدتاً LFT D، LFT متناسب (که می تواند تقویت موضعی بر اساس تنش ساختاری ایجاد کند) و سطح پیشرفته LFT-D (سطح قابل مشاهده، سطح بالا) وجود دارد. کیفیت) فناوری هااز منظر خط تولید، سطح پرس دیفن بارچر بسیار بالاست.سیستم اکستروژن D-LFT شرکت آلمانی Coperation در جایگاه برتر بین المللی قرار دارد.

1.5 فناوری ساخت ریخته‌گری بدون قالب (PCM)
PCM (تولید ریخته گری بدون الگو) توسط مرکز نمونه سازی سریع لیزری دانشگاه Tsinghua توسعه یافته است.فناوری نمونه سازی سریع باید در فرآیندهای ریخته گری شن و ماسه رزین سنتی اعمال شود.ابتدا مدل CAD ریخته گری را از مدل قطعه CAD بدست آورید.فایل STL مدل CAD ریخته گری برای به دست آوردن اطلاعات پروفایل مقطعی لایه بندی می شود که سپس برای تولید اطلاعات کنترل استفاده می شود.در طول فرآیند قالب‌گیری، نازل اول با کنترل کامپیوتری چسب را به دقت روی هر لایه ماسه می‌پاشد، در حالی که نازل دوم کاتالیزور را در همان مسیر اسپری می‌کند.این دو تحت یک واکنش پیوند قرار می گیرند و لایه به لایه ماسه را جامد می کنند و یک توده را تشکیل می دهند.شن و ماسه در ناحیه ای که چسب و کاتالیزور با هم کار می کنند با هم جامد می شوند، در حالی که ماسه در مناطق دیگر به صورت دانه ای باقی می ماند.پس از پخت یک لایه، لایه بعدی باند می شود و پس از چسباندن همه لایه ها، یک موجود فضایی به دست می آید.ماسه اصلی هنوز هم در مناطقی که چسب پاشیده نمی شود، ماسه خشک است و باعث می شود که برداشتن آن آسان تر شود.با تمیز کردن ماسه خشک نشده در وسط، می توان یک قالب ریخته گری با ضخامت دیواره مشخص به دست آورد.پس از اعمال یا آغشته کردن رنگ بر روی سطح داخلی قالب ماسه ای می توان از آن برای ریختن فلز استفاده کرد.

نقطه دمای پخت فرآیند PCM معمولاً در حدود 170 ℃ است.تخمگذار سرد واقعی و سلب سرد مورد استفاده در فرآیند PCM با قالب گیری متفاوت است.تخمگذار سرد و سلب سرد شامل قرار دادن تدریجی پیش آغشته بر روی قالب مطابق با الزامات ساختار محصول زمانی که قالب در انتهای سرد قرار دارد، و سپس بسته شدن قالب با پرس فرمینگ پس از اتمام تخمگذار برای ایجاد فشار معینی است.در این زمان، قالب با استفاده از دستگاه دمای قالب گرم می شود، روند معمولی افزایش دما از دمای اتاق به 170 درجه سانتیگراد است و میزان گرمایش باید با توجه به محصولات مختلف تنظیم شود.اکثر آنها از این پلاستیک ساخته شده اند.هنگامی که دمای قالب به دمای تنظیم شده رسید، عایق بندی و حفظ فشار برای پخت محصول در دمای بالا انجام می شود.پس از اتمام عمل آوری، همچنین لازم است از دستگاه دمای قالب برای خنک کردن دمای قالب به دمای معمولی استفاده شود و میزان گرمایش نیز در 3-5 ℃ / دقیقه تنظیم شود، سپس باز کردن قالب و استخراج قطعه را ادامه دهید.

2. تکنولوژی شکل دهی مایع
فناوری شکل‌دهی مایع (LCM) به مجموعه‌ای از فناوری‌های تشکیل مواد کامپوزیتی اشاره دارد که ابتدا پریفرم‌های الیاف خشک را در یک حفره قالب بسته قرار می‌دهند، سپس رزین مایع را پس از بسته شدن قالب به داخل حفره قالب تزریق می‌کنند.تحت فشار، رزین جریان می یابد و الیاف را خیس می کند.در مقایسه با فرآیند تشکیل قوطی پرس گرم، LCM مزایای زیادی دارد، مانند مناسب بودن برای ساخت قطعات با دقت ابعادی بالا و ظاهر پیچیده.هزینه ساخت کم و عملیات ساده.
به خصوص فرآیند RTM با فشار بالا که در سال های اخیر توسعه یافته است، HP-RTM (High Pressure Resin Transfer Molding) که به اختصار فرآیند قالب گیری HP-RTM نامیده می شود.این به فرآیند قالب گیری استفاده از فشار بالا برای مخلوط کردن و تزریق رزین به یک قالب خلاء مهر و موم شده با مواد تقویت شده با الیاف و اجزای از پیش تعبیه شده و سپس به دست آوردن محصولات مواد کامپوزیتی از طریق پر کردن جریان رزین، اشباع، پخت و قالب گیری اشاره دارد. .انتظار می‌رود با کاهش زمان تزریق، زمان ساخت اجزای سازه‌ای هوانوردی را در عرض ده‌ها دقیقه کنترل کند و به محتوای فیبر بالا و ساخت قطعات با کارایی بالا دست یابد.
فرآیند شکل دهی HP-RTM یکی از فرآیندهای تشکیل مواد کامپوزیت است که به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.مزایای آن در امکان دستیابی به کم هزینه، چرخه کوتاه، تولید انبوه و تولید با کیفیت بالا (با کیفیت سطح خوب) در مقایسه با فرآیندهای RTM سنتی است.به طور گسترده ای در صنایع مختلف مانند خودروسازی، کشتی سازی، هواپیماسازی، ماشین آلات کشاورزی، حمل و نقل ریلی، تولید برق بادی، کالاهای ورزشی و غیره استفاده می شود.

3. تکنولوژی تشکیل مواد کامپوزیت ترموپلاستیک
در سال‌های اخیر، مواد کامپوزیت ترموپلاستیک به دلیل مزایای مقاومت در برابر ضربه بالا، چقرمگی بالا، تحمل آسیب بالا و مقاومت حرارتی خوب، به کانون تحقیقاتی در زمینه تولید مواد کامپوزیت در داخل و بین‌المللی تبدیل شده‌اند.جوشکاری با مواد کامپوزیت ترموپلاستیک می تواند به میزان قابل توجهی تعداد اتصالات پرچ و پیچ را در سازه هواپیما کاهش دهد و راندمان تولید را تا حد زیادی بهبود بخشد و هزینه های تولید را کاهش دهد.بر اساس گفته های Airframe Collins Aerospace، تامین کننده درجه یک سازه های هواپیما، سازه های گرمانرم جوشی با قوطی بدون پرس گرم در مقایسه با فلزات و قطعات کامپوزیت گرما سخت، پتانسیل کوتاه کردن چرخه ساخت را تا 80 درصد دارند.
استفاده از مناسب ترین مقدار مواد، انتخاب اقتصادی ترین فرآیند، استفاده از محصولات در قطعات مناسب، دستیابی به اهداف از پیش تعیین شده طراحی و دستیابی به نسبت هزینه عملکرد ایده آل محصولات همواره جهت گیری بوده است. تلاش برای متخصصان مواد مرکبمن معتقدم که فرآیندهای قالب گیری بیشتری در آینده برای رفع نیازهای طراحی تولید توسعه خواهند یافت.