عززت ألياف الكربون عملية الصب المركب بالحرارة

تقليديا ، تعتمد FRPs على راتنجات الايبوكسي ومدعومة بألياف عالية الأداء مثل ألياف الكربون. ومع ذلك ، فإن إعادة تدوير المواد المركبة القائمة على الإيبوكسي في نهاية عمرها التشغيلي أمر معقد للغاية. من ناحية أخرى ، تعتبر اللدائن الحرارية أرخص وأسهل في المعالجة ويمكن إعادة تدويرها بسهولة. بفضل قوتها العالية وكثافتها المنخفضة ومعاملها النوعي العالي الكثافة الصغيرة ومقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة الهجوم الكيميائي والتيار المنخفض والموصلية الحرارية العالية وميزات تقليل الاهتزاز والضوضاء الممتازة ، تُستخدم مواد ألياف الكربون على نطاق واسع في الهندسة. في FRP ، يعمل بوليمر المصفوفة كمرحلة مستمرة ، بينما تعمل ألياف التسليح كمرحلة غير متصلة.

تعتبر راتنجات اللدائن الحرارية واحدة من أكثر مواد المصفوفة شيوعًا المستخدمة في مواد ألياف الكربون وتتميز بخصائص التليين بالحرارة والذوبان بالحرارة والتصلب المستقر عند التبريد ، مما يسمح بانصهار الحرارة المرتفع والتصلب المتكرر عند التبريد. تتميز راتنجات اللدائن الحرارية باستقرار ممتاز للتآكل ، ومتانة للكسر ، ومقاومة للضرر ومقاومة للتأثير ، وهي صغيرة الحجم.

عملية الصب التقليدية

1. تشكيل خزان الضغط الساخن

تعتبر عملية تشكيل خزان الضغط الساخن أكثر عمليات التشكيل الأولية شيوعًا. آلية تشكيلها هي تسخين وضغط مادة التقوية المسبقة الموضوعة من خلال ضغط البثق بدرجة حرارة عالية في خزان ضغط ساخن لتحقيق عملية تشكيل صلبة. حاليًا ، تكنولوجيا تشكيل الخزان بالضغط الساخن تحتل نسبة كبيرة من الصناعة ، خاصة في مجال الطيران والمجالات الأخرى. يتم وضع وحدة تصفيح القالب في وعاء كبير للتحكم في درجة الحرارة والضغط.

في الممارسة العملية ، هناك مزايا وعيوب كبيرة في استخدام تقنية تشكيل خزان الضغط الساخن التقليدية.

ميزة:

1) المنتج يخضع لتوزيع منتظم للضغط. أثناء التشكيل ، يتم استخدام كيس مفرغ من الهواء لإغلاق التقوية المسبقة في القالب. عن طريق ضغط الغاز المضغوط بشكل موحد في كل موضع ، يتم ترسيخ المادة المركبة عند نفس الضغط.
2) المنتج لديه قدرة تسخين موحدة والهواء المضغوط سريع جدا في الحاوية. تكون حالة تسخين المادة متطابقة تقريبًا أثناء عملية التسخين والتبريد. الخصائص الميكانيكية مستقرة بشكل أساسي لأنها أكثر استقرارًا عند كل من الضغط ودرجة الحرارة في نفس الوعاء ، مما يؤدي إلى فراغ صغير وتوزيع أفضل.
3) المعدات ذات حجم كبير ، مما يسمح بتصنيع أجزاء أكبر وأكثر تعقيدًا بقوالب بسيطة نسبيًا. استهلاك الطاقة مرتفع والتكلفة مرتفعة. عادة ما تحتوي وحدات خزان الضغط الساخن على أحجام ضخمة ، ومعقدة ، ومكلفة ، وتستهلك الكثير من الطاقة في عملية التشكيل وتتسبب في تلوث البيئة.

على الرغم من أن عملية تشكيل خزان الضغط الساخن تستخدم على نطاق واسع ، إلا أن عملية التشكيل مستقرة وتنتج منتجات ذات أداء وموثوقية إجمالية جيدة ، فهي مكلفة ومكلفة ، وهو ما يتعارض مع فكرة تصنيع مواد مركبة عالية السرعة ورخيصة ومنخفضة التلوث ، مع توفير اتجاه لتطوير عمليات التشكيل الجديدة.

2. صب بولتروسيون

Pultrusion هي عملية تسمح بالإنتاج المستمر للأجزاء المركبة التي يمكن استخدامها لإنتاج أجزاء ذات مقطع عرضي ثابت. تتضمن هذه العملية تشريب ألياف الكربون بالراتنج ثم بثقها بواسطة جهاز قوة الجر. عن طريق البثق ، يتم تصنيع المركبات ذات الأطوال اللانهائية ويتم تصنيع المركبات أحادية الاتجاه ذات القوة العالية.

تقنية قولبة بولتروسيون آلية للغاية ، وتستهلك طاقة أقل ، وتتميز بجودة سلسة ، وخسارة منخفضة للمواد الخام ومحتوى عالي من الألياف. ومع ذلك ، فإن العيب الرئيسي لقولبة pultrusion هو الشكل البسيط للمنتج ، والذي لا يمكن إنتاجه إلا في شكل مستقيم ولا يمكن أن يشكل أجزاء هيكلية معقدة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الطبيعة متباينة الخواص للمنتج وقوته المنخفضة في الاتجاه الطولي تحد بشكل كبير من تطبيقه. مع استمرار تطور التكنولوجيا ، ستظهر المزيد من تقنيات تشكيل pultrusion في المستقبل لتلبية أحجام الملفات الشخصية المختلفة وتحسين كفاءة الإنتاج.

3. اللف والتشكيل

تقنية التشكيل الحراري المتعرجة ، حيث يتم تسخين الألياف المستمرة المشبعة بالراتنج في وقت وجرح في قالب نواة ، والذي يتم تسخينه باستمرار أثناء اللف ، ثم يتم استخدام الحرارة المضغوطة لإذابة التقوية المسبقة إلى نوع من طبقة تلو طبقة الترابط ثم التبريد للحصول على نوع خاص من المنتجات المشكلة.

يسمح استخدام تقنية لف الألياف بتقوية ألياف الكربون إلى حد معين ، وبالتالي تحقيق الإنتاج الآلي. تتميز عملية نسج الألياف بأنها مستمرة ومكتملة في مسار واحد ، مع فوائد تصنيع كبيرة. إنها مناسبة للإنتاج بكميات كبيرة ، بما في ذلك: الأسطوانات ، الأسطوانات ، نصفي الكرة الأرضية ، إلخ ، بالإضافة إلى أغلفة الصواريخ ، وأغلفة محركات الصواريخ ، والأنابيب المختلفة ، والضغطأوعية ، وما إلى ذلك ، تتمثل أوجه القصور في هذه الطريقة في أنه لا يمكن دمج الألياف مع سطح القالب الأساسي أثناء اللف ، مما يجعل من الصعب تكوين شكل مقعر ، وأن آلة اللف أغلى ثمناً.

عملية تشكيل جديدة

1. صب الألياف التلقائية

وضع الألياف الأوتوماتيكي (AFP) هو عملية نماذج أولية سريعة جديدة تطورت من عملية اللف. تقنية AFP هي تقنية أساسية لتصنيع الأجزاء الهيكلية المعقدة مثل جسم الطائرة والأجنحة ، وعمليات AFP و ATL عالية الكفاءة وذكية وسهلة الاستخدام للتصنيع الرقمي. تتمتع كل من AFP و ATL بكفاءة عالية وذكاء وسهل التصنيع رقميًا.

2. التصلب السريع بالموجات فوق الصوتية
عملية الدمج السريع بالموجات فوق الصوتية هي تقنية جديدة لتشكيل المواد يتم مشاركتها مع عمليات AFP و ATL من أجل استبدال مصادر الحرارة التقليدية. يتراوح نطاق تردد الموجات فوق الصوتية عادة بين 20 و 120 كيلو هرتز ، والمواد التي تنتقل عليها الموجات مماثلة لتلك الموجودة بين الطوابق الأولى من المبنى حيث يتم استخدام الموجات فوق الصوتية. المبدأ الأساسي هو أن الموجات فوق الصوتية تنتشر بين الطبقات. في منطقة اللحام ، تزداد درجة الحرارة المحلية بسبب مقاومتها الصوتية العالية ، وفي نفس الوقت تقل الموصلية الحرارية ، مما يؤدي إلى تراكم الحرارة في منطقة اللحام. فور الضغط ، تبدأ الأسطح الملامسة للراتنجتين في الذوبان والترابط. يتم الحفاظ على الضغط المقابل بعد توقف محول الطاقة فوق الصوتي عن العمل ، وبالتالي الحفاظ على استقرار السطح.

تتميز تقنية التصلب السريع بالموجات فوق الصوتية بمزايا الطاقة المنخفضة والتكلفة المنخفضة والنتائج السريعة والذكاء الجيد. إنها مناسبة لعدد كبير من المنتجات المعززة بالموجات فوق الصوتية. ترتبط وظيفتها ارتباطًا وثيقًا بخصائص المواد الخام وتردد الموجات فوق الصوتية والسعة. يعتمد تنظيم الألياف في عملية المعالجة السريعة بالموجات فوق الصوتية بشكل كبير على جودة تماسكها. eds هي نتوءات صغيرة من الراتنج تتشكل على سطح المعدن. تركز eds طاقة التذبذبات فوق الصوتية على قطعة الشغل وتنقسم إلى ثلاث فئات وفقًا لشكلها المستعرض: مثلث ، مستطيل ، بيضاوي الشكل. الشكل له تأثير كبير على الخواص الميكانيكية للمادة المعدنية.

3. صب التصلب بالليزر
غالبًا ما تُستخدم تقنية المعالجة بالليزر جنبًا إلى جنب مع AFP و ATL وما إلى ذلك. يسمح استخدام الليزر كمصدر بديل للحرارة بالغاز عالي الحرارة بتقليل استهلاك الطاقة وتقليل التلوث وتوفير المواد وتسريع تركيب المواد المركبة وزيادة أتمتة المنتج ، خاصة في صناعة المواد مثل زعانف الذيل وجسم الطائرة للطائرات.

4. تشكيل شعاع الإلكترون التوحيد
المعالجة بالحزمة الإلكترونية هي عملية معالجة متقدمة لا تتطلب الضغط الساخن. يستخدم الحزم الإلكترونية للتواصل مع الوسط ثم ينقل الطاقة الكهربائية إلى الوسط في فترة زمنية قصيرة جدًا ، مما يؤدي إلى تغيرات فيزيائية وكيميائية وربط متقاطع مع جزيئات البوليمر لمعالجة المادة.

عملية المعالجة بالحزمة الإلكترونية ، والتي يمكن استخدامها مع تقنيات مثل التشكيل باللف ، والقولبة التلقائية ، والقولبة بالراتنج و RTM ، تؤدي إلى الإنتاج الآلي. إن القدرة على تصلب الحزمة الإلكترونية حرارياً في درجة حرارة الغرفة تقلل أيضًا من تأثيرات الضغوط الحرارية التي تتشكل أثناء تشكيل المادة ، وتتميز العملية بتكلفة منخفضة ، وتلوث منخفض وكفاءة عالية.

5. تشكيل بمساعدة الفراغ
التشكيل بمساعدة الفراغ هو تقنية جديدة منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة لمعالجة المكونات المركبة المطورة من عملية RTM. المبدأ الأساسي للتشكيل بمساعدة الفراغ هو معالجة ألياف الكربون تحت التفريغ عن طريق استخراج الغاز من الألياف تحت ضغط سلبي ، مما يسمح للراتنج بالتدفق والتخلل عبر الهواء. يتم استكشاف هذه الطريقة حاليًا من قبل العديد من العلماء وتطبيقها على راتنجات اللدائن الحرارية أو استخدامها في تخليق المركبات متعددة الطبقات.

6. قولبة مطبوعة ثلاثية الأبعاد
تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد هي طريقة لإنشاء كيان مادي ثلاثي الأبعاد عن طريق نظام تحكم رقمي باستخدام الطباعة ذات الطبقات. نظام التحكم هذا مؤتمت وذكي ودقيق للغاية وفعال ، ويمكن أن يقلل بشكل فعال تكلفة تصنيع المواد المركبة.

في السنوات الأخيرة ، نظرًا للتطور السريع لتكنولوجيا الطابعة ثلاثية الأبعاد ، أصبح استخدام تقنية الطابعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع مركبات اللدائن الحرارية المقواة بألياف الكربون محط اهتمام الباحثين في الخارج ، مع تلبيد الليزر الانتقائي للغاية وترسب الذوبان هما اثنان من تقنيات المعالجة الأكثر شيوعًا المستخدمة اليوم.

يمكن أن تعزز ألياف الكربون تطوير تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد وتوسيع التطبيقات. أثناء عملية الإنتاج ، 3D عالية الدقة وفعالةيتم فحص أنظمة الطباعة نظرًا لعوامل مثل درجة حرارة المعدات وسرعة الطباعة وارتفاع الطبقة وعملية الطباعة ، بالإضافة إلى تأثير معلمات المواد المركبة وقطر المادة وقطر الفوهة.