دو فرآیند RTM مناسب برای مواد کامپوزیتی با کارایی بالا در مقیاس بزرگ

فرآیند قالب گیری انتقال رزین (RTM) یک فرآیند قالب گیری مایع معمولی برای مواد کامپوزیتی مبتنی بر رزین تقویت شده با الیاف است که عمدتاً شامل:
(1) پریفرم های فیبر را با توجه به شکل و الزامات عملکرد مکانیکی اجزای مورد نیاز طراحی کنید.
(2) پیش‌فرم فیبر از پیش طراحی‌شده را در قالب قرار دهید، قالب را ببندید و آن را فشرده کنید تا کسر حجمی مربوط به پیش‌فرم الیاف به دست آید.
(3) تحت تجهیزات تزریق تخصصی، رزین را با فشار و دمای معین به قالب تزریق کنید تا هوا را از بین ببرد و آن را در پیش‌فرم الیاف غوطه‌ور کنید.
(4) پس از اینکه پریفرم الیاف به طور کامل در رزین غوطه ور شد، واکنش پخت در دمای معینی انجام می شود تا زمانی که واکنش پخت کامل شود و محصول نهایی خارج می شود.

فشار انتقال رزین پارامتر اصلی است که باید در فرآیند RTM کنترل شود.این فشار برای غلبه بر مقاومتی که در حین تزریق به داخل حفره قالب و غوطه ور شدن مواد تقویت کننده ایجاد می شود، استفاده می شود.زمان انتقال کامل رزین به فشار و دمای سیستم مربوط می شود و زمان کوتاه می تواند راندمان تولید را بهبود بخشد.اما اگر دبی رزین خیلی زیاد باشد، چسب نمی تواند به موقع به مواد تقویت کننده نفوذ کند و به دلیل افزایش فشار سیستم، حوادثی رخ می دهد.بنابراین، به طور کلی لازم است که سطح مایع رزینی وارد شده به قالب در طول فرآیند انتقال نباید سریعتر از 25 میلی متر در دقیقه افزایش یابد.فرآیند انتقال رزین را با مشاهده درگاه تخلیه کنترل کنید.معمولاً فرض بر این است که فرآیند انتقال زمانی تکمیل می‌شود که تمام پورت‌های مشاهده روی قالب دارای چسب سرریز شده باشند و دیگر حباب‌ها را آزاد نکنند و مقدار واقعی رزین اضافه شده اساساً همان مقدار مورد انتظار رزین اضافه شده باشد.بنابراین، تنظیم خروجی اگزوز باید به دقت مورد توجه قرار گیرد.

انتخاب رزین

انتخاب سیستم رزین کلید فرآیند RTM است.ویسکوزیته بهینه 0.025-0.03 Pa s است که رزین در حفره قالب رها می شود و به سرعت به داخل الیاف نفوذ می کند.رزین پلی استر ویسکوزیته پایینی دارد و می توان آن را با تزریق سرد در دمای اتاق تکمیل کرد.با این حال، با توجه به نیازهای عملکرد متفاوت محصول، انواع مختلفی از رزین ها انتخاب می شود و ویسکوزیته آنها یکسان نخواهد بود.بنابراین، اندازه خط لوله و سر تزریق باید طوری طراحی شود که نیازهای جریان اجزای ویژه مناسب را برآورده کند.رزین های مناسب برای فرآیند RTM شامل رزین پلی استر، رزین اپوکسی، رزین فنولیک، رزین پلی آمید و غیره می باشد.

انتخاب مواد تقویت کننده

در فرآیند RTM می توان مواد تقویت کننده مانند الیاف شیشه، فیبر گرافیت، فیبر کربن، کاربید سیلیکون و فیبر آرامید را انتخاب کرد.انواع را می توان با توجه به نیازهای طراحی انتخاب کرد، از جمله الیاف برش کوتاه، پارچه های یک طرفه، پارچه های چند محوره، بافندگی، بافندگی، مواد هسته، یا پریفرم ها.
از منظر عملکرد محصول، قطعات تولید شده توسط این فرآیند دارای کسر حجمی الیاف بالایی هستند و می توان با تقویت فیبر موضعی با توجه به شکل خاص قطعات، طراحی کرد که برای بهبود عملکرد محصول مفید است.از منظر هزینه های تولید، 70 درصد هزینه قطعات کامپوزیت از هزینه های ساخت تامین می شود.بنابراین چگونگی کاهش هزینه های ساخت موضوع مهمی است که در توسعه مواد کامپوزیتی نیاز فوری به حل آن دارد.در مقایسه با تکنولوژی سنتی مخزن پرس گرم برای تولید مواد کامپوزیتی مبتنی بر رزین، فرآیند RTM نیازی به بدنه مخزن گران قیمت ندارد و هزینه‌های ساخت را تا حد زیادی کاهش می‌دهد.علاوه بر این، قطعات تولید شده توسط فرآیند RTM با اندازه مخزن محدود نمی‌شوند و محدوده اندازه قطعات نسبتاً انعطاف‌پذیر است که می‌تواند قطعات کامپوزیتی بزرگ و با کارایی بالا را تولید کند.به طور کلی، فرآیند RTM به طور گسترده ای در زمینه تولید مواد کامپوزیت به کار گرفته شده و به سرعت توسعه یافته است، و موظف است به فرآیند غالب در تولید مواد کامپوزیت تبدیل شود.
در سال‌های اخیر، محصولات کامپوزیتی در صنعت ساخت هوافضا به تدریج از اجزای غیر باربر و اجزای کوچک به اجزای باربر اصلی و اجزای یکپارچه بزرگ تبدیل شده‌اند.تقاضای فوری برای ساخت مواد کامپوزیتی بزرگ و با کارایی بالا وجود دارد.بنابراین، فرآیندهایی مانند قالب‌گیری انتقال رزین به کمک خلاء (VA-RTM) و قالب‌گیری انتقال رزین سبک (L-RTM) توسعه یافته‌اند.

فرآیند قالب گیری انتقال رزین به کمک خلاء فرآیند VA-RTM

فرآیند قالب گیری انتقال رزین به کمک خلاء VA-RTM یک فناوری فرآیندی است که از فرآیند RTM سنتی مشتق شده است.فرآیند اصلی این فرآیند استفاده از پمپ‌های خلاء و سایر تجهیزات برای جارو کردن داخل قالب است که در آن پریفرم الیاف قرار دارد، به طوری که رزین تحت تأثیر فشار منفی خلاء به داخل قالب تزریق می‌شود و فرآیند نفوذ حاصل می‌شود. پیش‌فرم الیاف، و در نهایت انجماد و تشکیل در داخل قالب برای به دست آوردن شکل و کسر حجمی الیاف مورد نیاز قطعات مواد مرکب.

در مقایسه با فناوری سنتی RTM، فناوری VA-RTM از پمپاژ خلاء در داخل قالب استفاده می‌کند که می‌تواند فشار تزریق داخل قالب را کاهش دهد و تغییر شکل قالب و پیش‌فرم فیبر را تا حد زیادی کاهش دهد و در نتیجه عملکرد مورد نیاز فرآیند را برای تجهیزات و قالب‌ها کاهش دهد. .همچنین به فناوری RTM اجازه می دهد از قالب های سبک تر استفاده کند که برای کاهش هزینه های تولید مفید است.بنابراین، این فناوری بیشتر برای ساخت قطعات کامپوزیتی بزرگ مناسب است، به عنوان مثال، صفحه کامپوزیت فوم ساندویچ یکی از قطعات بزرگ پرکاربرد در زمینه هوافضا است.
به طور کلی، فرآیند VA-RTM برای تهیه قطعات کامپوزیت هوافضای بزرگ و با کارایی بالا بسیار مناسب است.با این حال، این فرآیند هنوز در چین نیمه مکانیزه است و در نتیجه راندمان تولید محصول پایین است.علاوه بر این، طراحی پارامترهای فرآیند عمدتاً به تجربه متکی است و طراحی هوشمند هنوز به دست نیامده است که کنترل دقیق کیفیت محصول را دشوار می‌کند.در عین حال، بسیاری از مطالعات اشاره کرده اند که در طول این فرآیند، گرادیان فشار به راحتی در جهت جریان رزین ایجاد می شود، به خصوص در هنگام استفاده از کیسه های خلاء، درجه خاصی از شل شدن فشار در جلوی جریان رزین وجود خواهد داشت که باعث می شود نفوذ رزین را تحت تأثیر قرار می دهد، باعث ایجاد حباب در داخل قطعه کار می شود و خواص مکانیکی محصول را کاهش می دهد.در عین حال، توزیع فشار ناهموار باعث توزیع ناهموار ضخامت قطعه کار می شود که بر کیفیت ظاهر قطعه کار نهایی تأثیر می گذارد، این نیز یک چالش فنی است که فناوری هنوز باید آن را حل کند.

فرآیند قالب گیری انتقال رزین سبک فرآیند L-RTM

فرآیند L-RTM برای قالب گیری سبک انتقال رزین نوع جدیدی از فناوری است که بر اساس فناوری فرآیند سنتی VA-RTM توسعه یافته است.همانطور که در شکل نشان داده شده است، ویژگی اصلی این فناوری فرآیند این است که قالب پایینی از یک قالب فلزی یا سایر قالب های سفت و سخت استفاده می کند و قالب بالایی یک قالب نیمه سفت و سبک وزن را اتخاذ می کند.فضای داخلی قالب با ساختار آب بندی دوتایی طراحی شده است و قالب فوقانی از طریق خلاء از خارج ثابت می شود، در حالی که داخل آن از خلاء برای معرفی رزین استفاده می کند.به دلیل استفاده از قالب نیمه سفت در قالب فوقانی این فرآیند و حالت خلاء داخل قالب، فشار داخل قالب و هزینه ساخت خود قالب بسیار کاهش می یابد.این فناوری می تواند قطعات کامپوزیتی بزرگ را تولید کند.در مقایسه با فرآیند سنتی VA-RTM، ضخامت قطعات به‌دست‌آمده از این فرآیند یکنواخت‌تر و کیفیت سطوح بالا و پایین برتر است.در عین حال، استفاده از مواد نیمه سخت در قالب فوقانی قابل استفاده مجدد است، این فناوری از هدر رفتن کیسه های خلاء در فرآیند VA-RTM جلوگیری می کند و آن را برای ساخت قطعات کامپوزیتی هوافضا با الزامات کیفیت سطح بالا بسیار مناسب می کند.

با این حال، در فرآیند تولید واقعی، هنوز مشکلات فنی خاصی در این فرآیند وجود دارد:
(1) به دلیل استفاده از مواد نیمه سفت و سخت در قالب فوقانی، سفتی ناکافی مواد می تواند به راحتی منجر به فروپاشی در طول فرآیند قالب ثابت خلاء شود و در نتیجه ضخامت قطعه کار ناهموار شود و بر کیفیت سطح آن تأثیر بگذارد.در عین حال، سفتی قالب نیز بر طول عمر خود قالب تأثیر می گذارد.نحوه انتخاب یک ماده نیمه سخت مناسب به عنوان قالب برای L-RTM یکی از مشکلات فنی در کاربرد این فرآیند است.
(2) با توجه به استفاده از پمپاژ خلاء در داخل قالب فناوری فرآیند L-RTM، آب بندی قالب نقش مهمی در پیشرفت صاف فرآیند ایفا می کند.آب بندی ناکافی می تواند باعث نفوذ ناکافی رزین در داخل قطعه کار شود و در نتیجه بر عملکرد آن تأثیر بگذارد.بنابراین، فناوری آب بندی قالب یکی از مشکلات فنی در کاربرد این فرآیند است.
(3) رزین مورد استفاده در فرآیند L-RTM باید ویسکوزیته پایینی را در طول فرآیند پر کردن حفظ کند تا فشار تزریق کاهش یابد و عمر مفید قالب بهبود یابد.ایجاد یک ماتریس رزینی مناسب یکی از مشکلات فنی در کاربرد این فرآیند است.
(4) در فرآیند L-RTM، معمولاً لازم است کانال‌های جریان روی قالب طراحی شود تا جریان رزین یکنواخت ایجاد شود.اگر طراحی کانال جریان معقول نباشد، می تواند باعث ایجاد ایراداتی مانند لکه های خشک و چربی غنی در قطعات شود و کیفیت نهایی قطعات را به طور جدی تحت تاثیر قرار دهد.به خصوص برای قطعات پیچیده سه بعدی، نحوه طراحی کانال جریان قالب به طور معقول نیز یکی از مشکلات فنی در کاربرد این فرآیند است.