مقاله استفاده از فناوری پیچش الیاف در تولید سازه های مشبک کامپوزیتی

[Astraea 25,351]

بخش های صنعتی کشورهای مختلف جهان به سرعت در حال پیشرفت هستند و برای ادامه فعالیت ناگزیرند که استانداردهای زیست محیطی را رعایت کنند. بنابراین باید در تولید محصولات خود از فناوری هایی استفاده نمایند که ارزان تر، ایمن تر، تمیزتر و بی سر و صداتر باشد. به علاوه صنایع مذکور باید بتوانند به تقاضای روز افزون مشتریان خود پاسخ دهند.در پروژه افزایش استحکام بدنه هواپیما با استفاده از ویفرهای کامپوزیتی (WASIS)، یازده شرکت اروپایی با یکدیگر همکاری می کنند. شرکتهای مذکور در 10 کشور دنیا مستقر میباشند.

در پروژه مذکور که در چارچوب برنامه هفتم توسعه تحقیقات و فناوری اتحادیه اروپا (FP7) اجرا میشود، بر اساس تئوری هایی که در مورد سازه های مشبک تقویت شده ارائه شده است، برای تولید بدنه هواپیماها از سازه های مشبک کامپوزیتی استفاده می گردد. به این ترتیب در بخشهایی از هواپیما که در محل اتصال بدنه به قسمت های دیگر قرار گرفته اند، پارامترهای هندسی محاسبه می گردند و این بخش ها با اشکال آئرودینامیک خاصی تولید می شوند و در نتیجه سازه مشبک از لحاظ جرمی بهینه می گردد (وزن سازه کاهش می یابد).از میان پارامترهای هندسی میتوان به زاویه ریب ها (نوارهای پیچیده شده) نسبت به محور طولی سازه، ضخامت و عرض ریب ها در شبکه و فاصله دو ریب مجاور اشاره کرد. در این پروژه بدنه تمام کامپوزیتی هواپیما با استفاده از الیاف کربن آغشته به رزین اپوکسی تولید می گردد.

 

بدنه کامپوزیتی هواپیما

در پروژه مذکور با استفاده از فناوری پیچش الیاف، سازه های مشبک کامپوزیت تقویت شده با الیاف بلند کربن شبیه سازی و سپس تولید شدند. سازه های مشبک که با نام لتیس یا ویفر نیز شناخته می گردند، قبلاً در کاربردهای دیگری غیر از هوافضا نیز مورد استفاده قرار گرفته بودند. هدف پروژه" افزایش استحکام بدنه هواپیما با استفاده از ویفرهای کامپوزیتی" این است که در فرآیندهای تولید استانداردهای زیست محیطی رعایت گردند، استحکام هواپیما افزایش یابد و هزینه طراحی و تولید پایین بیابد.

هواپیماهایی که با استفاده از سازه های مشبک کامپوزیتی تولید می شوند، در مقایسه با دیگر مدل های شبیه سازی شده از خواص مکانیکی بالاتری برخوردار هستند و چون سبک می باشند، از خود عملکرد بهتری نشان می دهند. این مزایا به علاوه بست های ویژه ای که برای اتصال سازه های مشبک مذکور تولید شده اند به تولید سازه های مشبک جدیدی منجر گشته اند که ضمن یکپارچه بودن، از وزن پایینی برخوردار می باشند. به علاوه الیاف بلند به کار رفته در سازه های مذکور حین فرآیند پیچش الیاف پاره نمی شوند بنابراین استحکام سازه مشبک افزایش می یابد.

[Astraea 25,351]

نوآوری به کار رفته در فناوری تولید سازه های مشبک کامپوزیتی

با استفاده از مدل های شبیه سازی شده و با انجام آزمایش های چشمی مشخص گردید که سازه های مشبک از چنان استحکامی برخوردارند که می توانند بارهای فوق العاده سنگین را به خوبی تحمل کنند. دراین پروژه استفاده از فناوری اتوماتیک پیچش الیاف باعث می گردد که سازه های مشبک کامپوزیتی سبکی تولید شوند. به این ترتیب هزینه تولید سازه های مذکور کاهش می یابد، سرعت تولید بالا می رود و استحکام قطعات تولید شده افزایش پیدا می کند. پروژه مذکور اهداف ذیل را دنبال می کند:

- کاهش وزن ریب ها در مقایسه با نمونه های سنتی

- استفاده از فرآیند اتوماتیک پیچش الیاف جهت کاهش هزینه تولید

- با استفاده از فناوری پیچش الیاف مذکور، بست ها نیز همزمان با قطعه تولید می شوند و با قطعه به صورت یکپارچه در می آیند. به این ترتیب می توان سازه های مشبک کامپوزیتی را به راحتی روی هواپیما نصب نمود.

در پروژه مذکور طراحی و تولید سازه های مشبک هر دو با چالش هایی روبرو بودند. استفاده از کامپوزیت ها سبب می گردد که مراحل طراحی و تولید روی یکدیگر اثر متقابل داشته باشند. به این معنی که برای تولید قطعاتی با اشکال پیچیده باید از تجهیزات پیشرفته استفاده نمود. به همین علت در این پروژه، فرآیند پیچش الیاف توسط دستگاه سی اِن سی (تجهیزات کنترل عددی کامپیوتری) کنترل می شد.

 

فرآیند پخت خارج از کوره اتوکِلاو

در فرآیند تولید قطعات مشبک، رووینگ الیاف بلند کربن با رزین آغشته می¬شوند و روی یک سُنبه چرخان پیچیده می شوند. شکل شبکه ها به جهت پیچش الیاف بستگی دارد. طراحی و روش تولید سازه مشبک نیز جهت پیچش الیاف را تعیین می کنند. بنابراین نمی توان الیاف را در هر جهت و با هر زاویه ای پیچید. در صورت لزوم می توان یک فیلم نازک را به عنوان روکش خارجی روی سازه مشبک اعمال نمود. پوسته خارجی مذکور با فناوری پیچش الیاف تولید می گردد و بلافاصله پس از تولید روی سازه مشبک قرار می گیرد. به این ترتیب با صرف هزینه اندک یک سازه مشبک یکپارچه تولید می گردد که از سمت خارج روکش شده است. سپس سازه مذکور خارج از کوره اتوکلاو پخت می گردد.

در گذشته استفاده از بست های مکانیکی به پارگی الیاف منجر می شد. به این ترتیب تنشی ایجاد می گشت و در سازه مشبک ظرفیت تحمل بار به طور چشمگیری کاهش می یافت. در نتیجه طول عمر سازه مشبک پایین می آمد. بنابراین انتخاب صحیح نوع اتصال سبب می گردد که در بخش¬های باربر عملکرد سازه های مشبک کامپوزیتی افزایش یابد. به همین منظور در ناحیه اتصال، با فرآیند پیچش الیاف بست های فلزی تعبیه می-شوند. با این روش، دیگر لازم نیست که الیاف قطع شوند و در نتیجه ظرفیت انتقال بار در سازه مشبک افزایش می یابد. ضمناً با این روش به راحتی می توان یک سازه مشبک کامپوزیتی را روی سازه دیگر نصب نمود.

پیچش الیاف با طرح مثلثی

در کاربردهایی که به قطعات سبک نیاز دارند معمولاً از سازه های مشبک کامپوزیتی استفاده می گردد که ریب های تقویت کننده آنها (که گاهی استرینگر نامیده می شوند) ساختار مثلثی دارند. طرح مثلثی از این مزیت برخوردار است که برای سازه سفتی لازم را ایجاد می کند و چون برای ایجاد این طرح مواد اولیه کمتری مورد استفاده قرار می گیرد، وزن سازه نهایی کاهش می یابد. سازه مشبک کامپوزیتی نظیر یک ماده ایزوتروپیک رفتار می کند به همین جهت به سازه مذکور ایزوگرید هم گفته می شود. واژه "ایزو" از کلمه ایزوتروپیک مشتق شده است. لازم به ذکر است که مواد ایزوتروپیک (همسانگرد) در همه جهات از خود خواص یکسانی نشان میدهند. واژه "گرید" به معنی ورق است که نقش تقویت کنندگی را تداعی میکند. سازه های ایزوگریدی که در آنها فناوری پیچش الیاف به طور اتوماتیک کنترل می¬شود، از نسبت استحکام به وزن بالایی برخوردار هستند.

سازه های ایزوگرید از ویژگی خود تقویت کنندگی و از سفتی و استحکام بالایی برخوردار هستند. ضمناً سازه های مذکور در برابر شکست به خوبی مقاومت می کنند و سبک می باشند. به همین دلیل است که وسائط نقلیه هوایی و فضاپیماها می توانند از مزایای سازه های مشبک کامپوزیتی بهره مند گردند. در صنعت هوافضا، سازه های ایزوگرید به عنوان فیِرینگ (پوشش دو تکه) ماهواره بَر و بوستِر (مرحله اول که موشک را از سکوی پرتاب بلند می کند) مورد استفاده قرار می گیرند. به این ترتیب با وجود نیروی جاذبه قوی، فضاپیما می تواند وزن آخرین سامانه های پیشران(مرحله) و وزن محموله را به خوبی تحمل کند. در تجهیزات ورزشی، نَوَرد (استوانه گردان)، دم بالگردها، قطعات مکانیکی رباتیک (سازه های خرپایی)، ماهواره ها، زیر دریایی های بدون سرنشین و در هواپیماهای بدون سرنشین از سازه¬های مشبک کامپوزیتی یکپارچه استفاده میگردد.

منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه الکترونیکی کامپوزیت