قالب گیری بسته

کامپوزیت ها به روشهای مختلفی تولید میشوند. همه روشهای ساخت آنها در دو دسته دسته بندی میشوند، که عبارتد از :

• قالبگیری باز (هر نوع روش ساختی که در معرض اتمسفر هوا باشد)

• قالب گیری بسته (هر نوع روش ساختی که در معرض اتمسفر هوا نباشد )

در این مقاله قصد داریم انواع روشهای ساخت کامپوزیتها به روش قالبگیری بسته را برای شما تشریح کنیم.

با ما همراه باشید…..

فرآیندهای قالب گیری بسته

فرآیند قالب گیری بسته براي ساخت کامپوزیت هاي زمینه پلیمري با تقویت کننده فایبرگلاس، الیاف کربن و آرامید وقتی تولید قطعات یکسان با سطوح صاف مورد نیاز است. استفاده می شوند.

انواع روشهای قالب گیری بسته عبارتند از:

1 – قالب گیری فشاري

2- روش SMC

3 -قالب گیری تزریقی (Injection molding)

4 -قالب گیری RTM

5 -قالب گیری انتقالی

6 -پالتروژن

1 – قالب گیری بسته به روش فشاري

فشاري یک قالب گیری بسته است که در آن آمیزه (Charge) قالب گیری در یک قالب از پیش گرم شده،شکل حفره هاي قالب را به خود می گیرد و در قالب تحت فشار و گرما پخته می شود(اتصال عرضی).

در این روش از یک قالب دو تکه با فشار هیدرواستاتیکی استفاده می شود.

مراحل روش قالب گیری فشاري:

آمیزه ي پلیمري(عموما رزین گرماسخت)که با الیاف تقویت کننده و با عامل سخت کننده و عامل ضد چسبندگی  مخلوط شده است، وزن می گردد. در نیمه ثابت فک پایینی قالب قرار می گیرد.

آمیزه به شکل پودر، گندله، توده هایی شبیه بتونه یا ورق شکل می تواند باشد. آمیزه فبل از گذاشتن در قالب پیش گرم می شود. پلیمر پیش گرم شده نرم تر می شود و زمان سیکل قالب گیری را کوتاه می کند.

قسمت بالاي قالب(فک متحرك)به سرعت پایین آورده می شود تا در تماس با سطح مواد قرار گیرد. سپس سرعت کم می شود و قالب به آرامی به طور کامل بسته می شود. و نیروي آن تمامی حفره هاي قالب را پر می کند.

سرعت بسته شدن قالب مهم است زیرا سرعت بالا، باعث به دام افتادن هوا در قطعه و سرعت پایین، منجر به پخت رزین و احتمال پر نشدن قالب می شود.

قالب به سیستم پخت مجهز شده است و اگر رزین گرماسخت مورد استفاده قرار گیرد پخت رزین(اتصال عرضی زمینه)را فراهم می کند.

در مرحله سوم بعد از پخن رزین، قالب باز شده و قطعه پخته شده توسط پین خارج کننده بیرون می آید.

زمان سیکل قالب گیری فشاري حدود 1 تا 6 دقیقه است.این روش براي ساخت قطعات صاف و یا با انحناي متوسط استفاده می شود.

انواع قالب گیری فشاري که به آمیزه هاي قالب گیری ساخته شده اند عبارتند از:

1 – آمیزه های (Sheet Molding Compound)  SMC

2 – آمیزه هاي (Dough Molding Compound) DMC

3 – آمیزه هاي (Bulk Molding Compound) BMC

 

 

در کانال آپارات فایبرگلاس نوین ویدئو های آموزشی را مشاهده کنید

SMC 1.1قالب گیری ورقه اي

این آمیزه ورقه اي چرم مانند با ضخامت 5 3 میلی متر از مواد است. که بین دو فیلم نازك از پلی اتیلن عرضه می گردد.(  این فیلم ها قبل از قالب گیری آمیزه برداشته می شوند).

ماده مورد استفاده در این آمیزه مخلوطی از الیاف شیشه بریده شده و خمیري از پلی استر اشباع می باشد.

تولیدد SMCبا تهیه محلول آبکی از مواد در یک دستگاه مخلوط ساز با سرعت بالا آغاز می گردد. همه ي اجزا به استثنا تغلیظ کننده به مدت 15 دقیقه با هم مخلوط می شوند. در طی این مدت دماي مخلوط تا حدود ℃ 30 بالا می رود.

. در این مرحله ویسکوزیته ي مخلوط حدود 30-20 پوآز می باشد.

پس از اینکه مخلوط سازي به اتمام رسید ماده تغلیظ کننده اضافه گردیده و به سرعت طی مدت زمان حدود 5 دقیقه با بقیه اجزا مخلوط می گردد. در این مرحله خمیر آماده است و جهت تلفیق با الیاف به ماشین منتقل می گردد.

– در اینجا خمیر تهیه شده با ضخامت معین بر روي یک فیلم معین پلی اتیلنی(با پهناي یک متر و ضخامت15-20 میلی متر) که از رول فیلم بر بستر متحرك دستگاه باز می شود، ریخته می شود. سرعت حرکت این فیلم بین 9-5 متر بر دقیقه است.

این فیلم از زیر دستگاه برش الیاف عبور میکند و الیاف بلند به طول هاي 25 میلی متر بریده شده و با سرعتی که درصد حجمی مورد نظر را فراهم سازد روي فیلم آغشته به خمیر به صورت تصادفی می نشیند.

این فیلم به همراه فیلم دیگر که فقط خمیر روي آن ریخته شده و فاقد الیاف است با هم ساندویچ شده و از یک سري غلطک عبور می کنند.

این غلطک ها باعث آغشتگی الیاف به رزین، خروج هوا از آمیزه و همچنین تنظیم ضخامت ورق و در نتیجه تنظیم ترکیب درصد الیاف می شود.

در انتها ساندویچ تهیه شده بر روي یک غلطک به صورت رول جمع آوري می گردد. و در یک فیلم نایلون با سلفون پیچیده شده تا از فرار مونومر جلوگیري شود.

ا

نکته:

ین رول سپس به محیطهاي کنترل شده از لحاظ دمایی منتقل شده تا مرحله تغلیظ شدن در آن انجام شود. در مرحله تغلیظ اجازه داده می شود تا ویسکوزیته ترکیب به حدي برسد که ورق به راحتی قابل جابه جایی، برش و قالب گیری باشد.

وجود پر کننده باعث بهبود کیفیت سطح قطعه شده و تغییرات ابعادي (انقباض) قطعه را که ناشی از پخت رزین است ،کاهش می دهد.

همچنین تاثیر عمده اي در کاهش قیمت تمام شده محصول دارد. درصد وزنی پرکننده در آمیزه بستگی به نوع پرکننده ، خواص رئولوژیک رزین و درصد الیاف دارد.

به طور کلی میزان پرکننده باید در حدي باشد که مرطوب شدگی مناسب سطح الیاف با رزین را مانع نشده و جریان رزین را در قالب دچار اشکال نکند.

 

BMC,DMC 1.2 ترکیبات قالب گیری

DMCمخلوطی است از الیاف شیشه بریده شده و خمیري از رزین پلی استر غیر اشباع که با افزودنی هاي مختلف پر شده  است.

تولید DMC معمولا در درجه حرارت اتاق انجام می شود. هرچند امکان گرم کردن یا سرد کردن مخلوط از طریق گردش روغن در ژاکت مخلوط ساز وجود دارد.

در فرآیند تولید ابتدا مواد پودري وزن گردیده و به مدت 1 دقیقه با هم مخلوط می شوند. رزین و دیگر مواد افزودنی اضافه شده و مخلوط سازي به مدت 30 الی 15 دقیقه ادامه می یابد.

در این مدت می توان مخلوط سازي را به منظور پاك سازي دیواره ظرف متوقف کرد. پس از هموژن شدن مخلوط الیاف تقویت کننده به تدریج اضافه شده و با مخلوط آبکی رزین مخلوط می شوند. این عمل حدود 10 دقیقه به طول می انجامد.هدف آن صرفا توزیع مناسب الیاف در سراسر رزین است.

براي مخلوط سازهاي با تیغه يZ یا زیگما فاصله بین تیغه و  دیواره ظرف در محدوده 3تا 12 میلی متر است. هرچه این فاصله کمتر باشد عمل مخلوط سازي بهتر انجام می گیرد. اما احتمال آسیب رساندن به الیاف بیشتر می شود.

نهایتا ترکیب حاصله در فیلم هایی که مانع از تبخیر مواد فرار می شوند، بسته بندي گردیده و یا به صورت رشته اکسترود شده در بشکه هاي خاص نگهداري میشوند.

BMCعموما به ترکیبی اطلاق می گردد که بر پایه رزین ایزوفتالیک است. همچنین عمل تغلیظ سازي در آن به وسیله ي MGO صورت میگیرد.

عمل تغلیظ سازي می تواند میزان پرکننده را تاPHR100 تقلیل دهد و لذا امکان افزایش میزان تقویت کننده را فراهم سازد.

 

2 قالب گیری بسته به روش تزریقی

قالب گیری تزریقی یک فرآیند قالب گیری بسته است که در آن پلیمر ذوب شده(عموما گرما نرم ها یا ترموپلاستیک ها)، با الیاف تقویت کننده خیلی کوتاه ( 10 تا 40 درصد) مخلوط شده و سپس به داخل قالب با فشار بالا از میان یک راهگاه رانده می شود.

مخلوط الیاف پلیمر به شکل گندله، از قیف به شکل ناودانی به ماشین قالب گیری تغذیه می شود. سپس مواد توسط  تغذیه کننده پیچی  به جلو رانده شده و وارد یک قالب دو تکه می شوند و حفره هاي قالب را پر میکنند.

سیستم تغذیه شامل راهگاه و جلوبرنده است. حرکت ماشین قالب گیري تزریقی به صورت رفت و برگشتی است به دلیل اینکه ماشین در مراحل سیکل قالب گیري نه فقط می چرخد بلکه به سمت جلو نیز حرکت می کند.

در مرحله پر کردن وقتی مخلوط پلیمر-الیاف به داخل قالب تزریق می شود مانند یک سمبه عمل می کند وسپس در مرحله قالب گیری به سمت عقب جمع می شود.

عناصر گرم کننده(هیترها)روي استوانه BARREL قرار دارند و پلیمر را نرم و ذوب میکنند.

قالب به سیستم خنک کننده مجهز شده و سرد کردن و انجماد مواد را کنترل می کند.مواد تا زمانی که انجماد حاصل نماید داخل قالب نگه داشته می شوند سپس قالب باز می شود. و قطعه توسط پین خارج کننده از قالب بیرون می آید.

نکته:

اساسا فرایند قالب گیري تزریقی براي زمینه اي گرما نرم استفاده می شود ولی زمینه هاي گرما سخت نیز ممکن است استفاده شوند.

در این حالت عمل پختن (اتصال عرضی) در مدت گرما دادن و ذوب مواد در استوانه گرم شده انجام می شود.

در روش قالب گیري تزریقی با اینکه حجم تولید بالاست ولی با دقت زیاد، شکل قطعات ساخته شده کنترل می شود.

این روش براي تولید قطعات یکسان با حجم بالا، اقتصادي است.

یکی از معایب این روش این است که طو ل محدوده الیاف ، اثر تقویت کنندگی را کاهش می دهد.

  

3قالب گیری انتقالی

در این فرآیند مقداري از پلیمر وزن شده و در یک محفظه جدا(ظرف انتقال) پیش گرم می شود.

سپس با الیاف تقویت کننده به داخل قالب از پیش گرم شده رانده می شود و پلیمر شکل قالب را به خود می گیرد.

این روش براي کامپوزیت هاي پلیمري با زمینه گرماسخت استفاده می شود ولی تعدادي قطعات گرمانرم نیز به این روش تولید می شوند.

در این روش ، از یک قالب دو تکه استفاده می شود و یک صفحه سومی که با سمبه مانند پرس هیدرولیکی عمل  می کند. در این روش، هردوروش قالب گیري فشاري و پرس هیدرولیکی با هم تلفیق شده اند.

مشابه مواد قالب گیري گرماسخت ها و قالب گیري تزریقی ، سمبه قالب را از طریق راهگاه پر می کند.

فرآیند قالب گیری بسته به روش انتقال شامل مراحل زیر است:

• قالب با الیاف تقویت کننده از قبل شکل داده شده پر می شود.
• مقداري پلیمر وزن شده با افزودنی ها و پرکننده ها داخل ظرف انتقال قرار می گیرد.آمیزه ممکن است به اشکال پودر،گندله ، توده هایی شبیه خمیر یا بتونه، یا ورقه هایی از پیش شکل داده شده، باشد. آمیزه در ظرف انتقال تا وقتی که پلیمر نرم شود گرم می شود.
• سمبه با سرعت به سمت پایین رانده می شود و آمیزه پلیمري را پرس می کند. و آن را از طریق راهگاه به داخل حفره قالب می راند. قالب با سیستم گرمایی مجهز شده و پخت(اتصال عرضی) پلیمر را فراهم می کند.(اگر از رزین گرماسخت استفاده شود).
• قالب باز می شود و قطعه توسط پین خارج کننده بیرون رانده می شود. اگر رزین گرما سخت قالب گیري شود قالب در حال گرم باز می شود و گرما سخت هاي پخته شده ، شکل و ابعاد خود را حتی در حالت گرم حفظ می کنند. اگر گرمانرم، قالب گیري شود، قالب و قطعه قالب گیري شده قبل از باز شدن سرد می شود.
• تکه هاي باقی مانده در ته ظرف و راهگاه و کانال ها برداشته می شوند. تکه هاي پلیمري گرماسخت قابل بازیافت نیستند. زمان سیکل قالب گیري انتقالی کوتاهتر از قالب گیري فشرده است و بلندتر از سیکل قالب گیري تزریقی است.

مزایاي فرآیند انتقالی به صورت ذیل خلاصه می شود:

-امکان ساخت قالب ها و قطعات با تلورانس ابعاد دقیق

-کیفیت مناسب دو روي قطعه

-امکان چینش دلخواه الیاف

-امکان تعبیه الحاقات فلزي و غیره درون قالب

-پایین بودن نسبی قیمت تجهیزات

-پایین بودن فشار تزریق

-کم کردن انتشار مواد فرار

-کاهش اتلاف مواد

-قابلیت ساخت قطعات پیچیده و توخالی

-امکان اتوماسیون و بالا بردن سرعت تولید

– کاهش حباب در قطعه

-امکان ساخت قطعات با ضخامت یک دهم تا نود میلی متر.

از سوي دیگر روش انتقالی داراي معایبی نیز هست:

• طراحی قالب حساس است و نیاز به مهارت دارد.
• درگاه نامناسب تزریق  و خروجی می تواند منجر به ایجاد نقص در قطعه شود.
• کنترل آغشته سازي و شکل جریان مشکل است و در گوشه ها و لبه ها نقاط آکنده از رزین به وجود می آید.

 پالتروژن

پالتروژن فرآیند پیوسته اي براي تولید انواع پروفیل هاي کامپوزیتی است.

در این فرآیند که نمونه ای از قالب گیری بسته است، الیاف تقویت کننده را از یک حمام عبور می دهند تا به رزین آغشته شود.

سپس الیاف آغشته شده را وارد یک قالب گرم می کنند و نمونه ي پخت شده را توسط یک دستگاه کشش بیرون می کشند.

بعد از این مرحله امکان برش محصول در اندازه هاي دلخواه وجود دارد.

این فرآیند تا حدودي مشابه فرآیند اکستروژن پلاستیک ها و تولید پروفیل هاي پلاستیکی است.

مزایای روش ساخت پالتروژن
از مزایاي این روش که یکی از باصرفه ترین روش هاي تولید کامپوزیت هاست، این است که درصد الیاف در آن بالاست و چون الیاف به صورت طولی آرایش می یابند. محصول داراي استحکام کششی و فشاري بسیار بالایی است. همچنین سطح محصول نهایی کاملا صاف است و نیازي به فرآیندهاي تکمیلی ندارد.

 

مراحل ساخت پروفیل های کامپوزیتی به روش پالتروژن:

ورود الیاف: ورود الیاف تقویت کننده به شکلی است که به طور پیوسته فرآیند انجام میگیرد.

سبد الیاف پیوسته،اولین قسمت خط فرآیند می باشد. حرکت الیاف قبل از ناحیه آغشته سازي می بایست کنترل شود تا از هرگونه پیچش و گره وآسیب محفوظ بماند.

اینکار می تواند توسط راهنماهاي فلزي،سرامیکی انجام شود.صفحات راهنما الیاف را به شکل دسته جمع می کنند تا وارد حمام آغشته سازي شود.

حمام غشته سازي: آغشته سازي الیاف تقویت کننده از اصول فرآیند پالتروژن می باشد.

غوطه وري در حمام یک راه براي این کار است. در این روش الیاف از رو و زیر میله هاي آغشته سازي عبور داده می شوند تا از هم باز و به رزین آغشته شوند.

توجه:

معمولا در ساخت پروفیل هاي پیچیده ، بعد از حمام و قبل از قالب ، از صفحاتی براي شکل دادن به الیاف آغشته به رزین، استفاده می کنند.

پوشش این صفحات باید از جنسی مناسب باشد تا از وارد ساختن هرگونه تنش به الیاف آغشته ي ضعیف شده، جلوگیري به عمل آید.

معمولا این قطعات از جنس تفلون، پلی اتیلن با جرم مولکولی بسیار بالا، فولاد با پوشش کروم و یا آلیاژهاي مناسب فولادي می باشند.

قالب: قالب پالتروژن، قلب این فرآیند محسوب می شود. چرا که دما، کنترل کننده ي سرعت واکنش پخت، محل پخت رزین در قالب و شدت گرماي حاصل از پخت رزین می باشد.

قطعه اي که کامل پخت نشده باشد. خواص فیزیکی ومکانیکی ضعیفی از خود نشان می دهد.

همچنین اگر گرماي اضافی در قالب وجود داشته باشد، نقص و ترك حرارتی موجب افت خواص الکتریکی، شیمیایی و مکانیکی قطعه می شود.

گیره و کشش: حداقل 3 متر فاصله بین خروجی قالب و محل کشش می بایست تعبیه شود تا قطعه فرصت سرد شدن پیدا کند و در برابر فشار گیره ي کشش تغییر شکل ندهد.

سه روش براي کشش مرسوم است:

1-کشش رفت و برگشتی متناوب

2-کشش رفت و برگشتی پیوسته

3-کشش توسط سیستم تسمه نقاله اي

برش: هرخط پیوسته پالتروزن احتیاج به یک سیستم پالتروژن دارد تا طول هاي مناسب از قطعه تحویل شود. هر دو روش برش خشک و تر مورد استفاده می باشند.

ولی در هر حال تیغه ي برش باید الماسه باشد. در صورتیکه سرعت خط بالا باشد، تیغه برش همراه پروفیل حرکت می کند.

با توجه به خواص مورد نظر می توان از الیاف و رزین هاي مختلفی استفاده نمود. الیاف تامین کننده ي خواصی چون استحکام کشش و ضربه، سفتی و مانند آن می باشند ولی رزین تکمیل کننده خواص فیزیکی مانند آتشگیري، مقاومت در برابر شرائط جوي، هدایت حرارتی و مقاومت شیمیایی می باشند.

براي بهبود خواص نیز از انواع افزودنی ها استفاده می شود.

الیاف:

در انتخاب الیاف سه ویژگی مورد بررسی قرار می گیرد:

نوع الیاف،شکل آنها و آرایش یافتگی آنها. الیاف شیشه استحکام کششی حدود (E-glass) مرسوم ترین نوع الیاف مورد استفاده می باشند.

الیاف شیشه نوع الکتریکی 3450مگاپاسکال و مدول کششی 70 گیگاپاسکال و ازدیاد طول 3تا 4درصد دارند و با قطر و وزن مختلف در دسترس میباشند.

زمینه پلیمري:

در فرایند پالتروژن زمینه هاي پلیمري مورد استفاده پلی استر غیر اشباع ، وینیل استر ، اپوکسی و کمتر سایر رزین ها مانند فنولیک و … و گاهی گرما سخت ها استفاده می شود.

خواص الکتریکی رزین پلی استر ، قطعات آن را متناسب براي کاربرد هاي ولتاژ بالا ساخته است.

رزین وینیل استر نسبت به پلی استر داراي مقاومت خورندگی ،خواص مکانیکی و حرارتی بهتري می باشد ولی حدود 75 درصد گرانتر است.

رزین اپوکسی براي استفاده در دماهاي بالا مناسب است ضمن آنکه خواص مکانیکی آن عالی است.

مواد افزودنی :

فیلر: در فرآیند پالتروژن پر کردن قالب اهمیت فراوان دارد. براي این منظور از پرکننده ها استفاده می کنند.

بعد از رزین و الیاف سومین بخش رزین را تشکیل می دهد. از معمول ترین فیلرها کربنات کلسیم ، سیلیکات آلومینیوم و هیدروکسیدآلومینیوم را می توان نام برد.

با توجه به ویسکوزیته ي فرمولاسیون تا 50 درصد وزنی فیلر استفاده می شود.

به منظور جدا شدن قطعه از قالب می بایست از یک عامل جداساز نیز استفاده شود. این عامل نباید کاملا سازگار با رزین باشد و همچنین سازگاري آن به جذب نباشد که به سطح قطعه مهاجرت کند. همچنین باید قبل از پخت رزین مذاب پرشده باشد.

 

 

مزایاي پالتروژن:

• تولید بالا
• کنترل آسان پارامترهاي فرآیند
• کیفیت عالی سطوح محصولات
• دقیق بودن ابعاد محصولات
• توزیع یکنواخت و غلظت بالاي الیاف

معایب پالتروژن:

• همانگونه که ذکر شد در این روش از یک قالب با مقطع خروجی ثابت استفاده می شود و امکان تولید قطعاتی با مقاطع متفاوت وجود ندارد.
• پایین بودن مقاومت برشی محصولات تولیدي از دیگر نقاط ضعف محصولات تولید شده با این روش محسوب می شوند.
• همچنین این محصولات در مقابل سوراخکاري ضعیف هستند.

مقایسه روش هاي شکل دهی

در جداول ذیل مزایا و معایب،قیمت و مواد مورد مصرف در فرآیند هاي مختلف با هم مقایسه شده است.