فرآوري كامپوزيت ها
فرآيند توليد كامپوزيتها، علم تغيير شكل به شكل ديگر است. چون در كامپوزيتها دو يا چند ماده مختلف وارد مي شود، لذا روشهاي توليد كامپوزيتها با فرآيند توليد فلزات بسيار متفاوت است. روشهاي گوناگوني براي توليد انواع مختلفي از مواد مسلح كننده و رزين ها وجود دارد. كار مهندس توليد،‌ انتخاب صحيح فرآيند توليد و تعيين شرايط توليد با توجه به قابليت كار آيي مناسب،

سرعت توليد و قيمت تجهيزات مورد استفاده است. مهندس بايد قضاوت درستي در انتخاب فرآيند داشته باشد تا با كمترين هزينه بهترين كار را به انجام برساند. براي اين كار مهندسين بايد اطلاعات مفيدي از مزايا،‌ معايب و محدوديتهاي هر فرآيند داشته باشند. اين كتاب، روشهاي مختلف ساخت را كه معمولاً در توليد كامپوزيتهاي ترموست و ترموپلاستيك به كار مي روند و نيز شرايط توليد، مراحل ساخت، محدوديتها و مزاياي هر

 

( شكل ۴-۱) خواص فشردگي كامپوزيتهاي ترموپلاستيك مسلح شده با الياف شيشه اي بلند(LG) و كوتاه(SG). درصد وزني الياف در انتهاي اسم كامپوزيت بصورت دو رقمي نوشته شده است.

روش توليد را بررسي مي كند. در شكل (۵-۱)، روشهاي ساخت كامپوزيتها كه در صنايع كامپوزيت رايج است،‌طبقه بندي شده است. اين روشها در فصل ۶ توضيح داده شده اند.
ساخت محصولات كامپوزيتي

محصولات كامپوزيتي با تغيير شكل مواد اوليه به شكل نهايي توسط يك فرآيندهاي ساخت مشروح در بخش (۶-۱) توليد مي شوند. محصولاتي كه بدين گونه ساخته مي شوند، ابتدا ماشين كاري مي شوند و سپس متناسب با كاربرد لازم به بقيه ي اجزا متصل مي گردند. ساخت محصول نهايي به چهار مرحله ي زير تقسيم مي شود:

۱) شكل دهي: در اين مرحله، مواد اوليه به شكل و اندازه خاص تبديل مي شوند. عمل شكل دهي معمولاً تحت فشار و حرارت انجام مي شود. تمامي روشهاي ساخت كامپوزيت ها در بخش (۶-۱)، در اين گروه قرار دارند. عمليات شكل دهي كامپوزيت ها در فصل ۶ بطور كامل و همراه با جزئيات شرح داده شده است.

۲) ماشين كاري: عمليات ماشين كاري براي حذف مواد اضافي يا غير مطلوب بكار مي رود. عمليات سوراخ كاري، تراش كاري، برش كاري و سنگ زني در اين گروه قرار دارند. ابزار و شرايط لازم براي عمليات ماشين كاري كامپوزيت ها نسبت به فلزات متفاوت است. ماشين كاري كامپوزيت ها در فصل ۱۰ بررسي شده است.

۳) اتصال و مونتاژ: انجام اتصال و مونتاژ اجزاء بمنظور بستن ( جفت كردن) اجزاي مختلف به يكديگر براي توليد محصول با كيفيت مطلوب انجام مي گيرد. اتصالات چسبي، ذوبي، اتصالات مكانيكي و … معمولاً براي مونتاژ قطعه بكار مي رود. عمليات مونتاژ وقت گير و گران قيمت است، لذا سعي مي شود تا حد امكان براي كاهش قيمت محصول ‌مرحله مونتاژ و اتصال اجزاء‌حذف شود. همانطوريكه كاملاً‌ در فصل ۵ توضيح داده شده است، اين عمل بوسيله يكپارچه شدن اجزاء امكان پذير است. عمليات اتصال و مونتاژ كه براي

۴) شكل دهي محصولات كامپوزيتي به كار مي روند، در فصل ۹ توضيح داده است.
۵) پرداخت كاري: عمليات پرداخت به دلايل مختلفي از قبيل: به سازي ظاهر محصول، حفاظت محصول در برابر آسيب محيطي، بوجود آوردن يك پوشش مقاوم به سايش و يا يك پوشش فلزي شبيه به فلز صورت مي گيرد. شركتهاي توليد كننده چوب گلف، به منظور بهبود ظاهر و زيبا شدن نماي چوب گلف، از چوبهاي كامپوزيتي روكش دار و رنگ دار استفاده مي كنند.

لازم نيست كه تمامي عمليات ذكر شده در بالا در يك شركت توليدي انجام شود. بعضي مواقع محصولي كه در يك شركت ساخته مي شود براي انجام عمليات بعدي به شركتي ديگر فرستاده مي شود. به عنوان مثال: شفت اتومبيل كه د ريك شركت ميل لنگ سازي ساخته مي شود، براي مونتاژ بر روي محصول نهايي، به شركت سازنده اتومبيل (خط ۱ يا خط ۲) فرستاده مي شود و سپس به شركتهاي سازنده تجهيزات اصلي فروخته مي شود. در بعضي موارد، محصولاتي از قبيل: چوبهاي گلف، راكتهاي تنيــس، قلابهاي ماهيگيري و … در يك شركت ساخته شده و سپس مستقيماً به توزيع كننده براي استفاده مصرف كننده فرستاده مي شوند.

 

(جدول ۲-۱ا حداكثر دماي استفاده مداوم براي كامپوزيتهاي ترموست و ترموپلاستيك مختلف
مواد حداكثر دماي استفاده مداوم(C)
ترموست ها
وينلي لستر
پلي استر
فنوليك
اپوكسي
سيانات استر
بيس الميد
۱۵۰-۸۰

۱۵۰-۶۰
۱۵۰-۷۰
۲۱۵-۸۰
۲۵۰-۱۵۰
۳۲۰-۲۳۰
ترموپلاستيك ها
پلي اتيلن
پلي پروپيلن
استال
نايلون
پلي استر
PPS

PEEK
تفلون
۸۰-۵۰
۷۵-۵۰
۹۵-۷۰
۱۰۰-۷۵

۱۲۰-۷۰
۲۲۰-۱۲۰
۲۵۰-۱۲۰
۲۶۰-۲۰۰

___________________________________________________

– بازارهاي كامپوزيت ( تجارت كامپوزيت )
دلايل زيادي براي افزايش كاربرد كامپوزيت ها وجود دارد. ولي انگيزه اصلي براي استفاده از محصولاتي كه از كامپوزيتها ساخته مي شوند، محكمتر و سبكتر بودن اين محصولات است. هم اكنون تمامي صنايع از مزاياي كامپوزيت ها آگاهي دارند و مشكل است بتوان صنعتي را پيدا كرد كه از اين فوايد اطلاع نداشته باشد. امروزه صنايع حمل و نقل مصرف كنندگان اصلي كامپوزيتها هستند. بطوريكه در سال ۲۰۰۰ ميلادي بالغ بر ۳/۱ ميليون پوند كامپوزيت به مصرف رسانده اند. مواد كامپوزيتي در بسياري از صنايع استفاده مي شود.
در سه يا چهار دهه گذشته، تغييرات بنيادي در فناوري كامپوزيت ها و نيازهاي آن صورت گرفته است. اين تغييرات محيطي، ‌نيازها و فرصتهاي جديدي را بوجود آورد كه تنها با پيشرفت در مواد جديد و بكارگيري فناوري پيشرفته امكان پذير است.

( شكل ۵-۱) طبقه بندي روشهاي توليد كامپوزيتها
در دهه گذشته،‌ روشهاي پيشرفته ي ساخت مواد و سيستم ها و دستگاه هاي مربوط به كامپوزيت ها رشد چشمگيري داشته اند تا نيازهاي بازارهاي مختلف را بر طرف سازند. با توجه به مزايا و سوددهي اين صنعت،‌ بسياري صنايع بر روي كامپوزيت ها سرمايه گذاري كرده اند. توسعه و افزايش استفاده از كامپوزيت ها به دليل كاهش قيمت الياف و كاهش هزينه هاي مربوط به

روشهاي ساخت خودكار ( اتوماتيك ) و روشهاي توليد انبوه بوده است. بعنوان مثال،‌ قيمت الياف كربن از۱۵۰ دلار بر پوند در سال ۱۹۷۵ به ۸ دلار بر پوند در سال ۲۰۰۰ كاهش يافت. اين كاهش قيمت به دليل توسعه ي روشهاي توليد كم هزينه و افزايش مصرف صنايع صورت گرفته است.
در پايان ،‌مي توان بازارهاي فروش مواد كامپوزيتي را به گروههايي از قبيل: صنايع هواپيما سازي‌، صنايع اتومبيل سازي، ساختمان سازي، صنايع دريايي، سازندگان تجهيزات مقاوم به خوردگي، سازندگان كالاهاي مصرفي، تجهيزات كاربردي، تجاري و غيره طبقه بندي كرد. در شكل (۶-۱)، بازارهاي فروش مواد كامپوزيت در آمريكا را در سالهاي ۱۹۹۹ و ۲۰۰۰ نشان مي دهد.
صنعت هواپيما سازي

صنعت هواپيما سازي از نخستين صنايعي بود كه مزاياي استفاده از كامپوزيتها را درك كرد. به كمك كامپوزيت ها هواپيماها، موشكها و پرتابه ها سريعتر و مسافت طولاني تري را پرواز كردند. معمولاً كامپوزيت هاي با الياف شيشه اي، كربن و كولار براي ساخت قطعات هواپيما طراحي مي شوند. عموماً‌ صنعت هواپيما سازي از كامپوزيت هايي با الياف كربن به دليل ويژگي برجسته و كارآيي بالا استفاده مي كند. روش لايه گذاري دستي يك روش عمومي براي ساخـت قطعات هواپيما است. همچنــين از روشــهاي RTM و تابيدن تارها استفاده مي شود.

در سال ۱۹۹۹، صنعت هواپيما ساز ي۲۳ ميليون پوند كامپوزيت مصرف كرد. همانگونه مكه در شكل (۶-۱) نشان داده شده، در هواپيماهاي نظامي از قبيل: F-11 ، F-14، F-15و F-16 جهت كاهش وزن بدنه هواپيما از كامپوزيت ها استفاده شده است. قطعات كامپوزيتي كه در هواپيماهاي چنگي فوق الذكر استفاده مي شوند،‌ عبارتند از دم هاي افقي و عمودي، ‌رويه بال، جعبه هاي بالابر،‌ درب هاو قطعات بدنه هستند كه در جدول (۳-۱) نشان داده شده اند. استفاده از قطعات فوق الذكر باعث كاهش ۲۰% تا ۳۵% وزن كلي هواپيما مي شود. كاهش وزن در هواپيماهاي جنگي و موشكها باعث افزايش ظرفيت حمل بار مي شود.

شكل (۷-۱) كامپوزيت هاي مورد استفاده در بدنه ي هواپيماهاي تجاري‌، و شكل (۸-۱) كامپوزيت هاي مورد استفاده در بدنه هواپيماهاي جنگي را نشان مي دهد. همچنين قطعات كامپوزيتي مورد استفاده در موتور جت هواپيماي نظامي و ماهواره ها به ترتيب در شكلهاي (۹-۱) و (۱۰-۱) نشان داده شده است.

سبكي و تلرانس ابعادي قطعات مورد استفاده در صنايع هواپيمايي از دلايل اصلي كاربرد كامپوزيـت ها در اين صنعت است. در لايـه هاي پاييـن جو ( LEO) ، جائيكه تغييرات دما بين C 100- تا C 100+ است،‌ براي محافظت از بدنه و عكس العمل ساير اجزاء بايد پايداري ابعادي وجود داشته باشد. كامپوزيت اپوكسي كربن بصورت ورقه اي طراحي مي شود تا ضريب انبساط حرارتي اجزاء و قطعات به صفر برسد. در

شاتل فضايي، كامپوزيت ها باعث كاهش وزني معادل ۲۶۸۸پوند در اين سفينه شدند.
در هواپيماهاي مسافري مثل بويينگ ۷۴۷ و۷۶۷، براي كاهش وزن هواپيما،‌ كاهش مصرف سوخت و افزايش ظرفيت حمل بار از قطعات كامپوزيتي استفاده مي شود. كامپوزيت هاي مورد استفاده در اين هواپيماها در جدول (۳-۱) آمده است.

صنعت اتومبيل سازي (خودرو)

(شكل۶-۱) كامپوزيتهاي مصرف شده در صنايع مختلف در سال۱۹۹۹ و پروژه هاي انجام شده در سال ۲۰۰۰
(جدول ۳-۱) قطعات كامپوزيتي مورد استفاده در هواپيما
قطعات كامپوزيتي
جنگنده۱۴-F دربها،‌ دمهاي افقي، پوششهاي آيروديناميك، رويه هاي تثبيت كننده.
جنگنده ۱۵-F پرده ها، سكانها، دمهاي عمودي ،‌دمهاي افقي، ترمزها، رويه هاي تثبيت كننده.
جنگنده ۱۶- F دمهاي عمودي و افقي، پره اصلي بال، رويه هاي روي جعبه پره عمودي.
بمب افكن B-1 دربها، دمهاي عمودي و افقي، بالها، راه هاي ورودي
هواپيماي AV-8B دربها، سكانها، دمهاي عمودي و افقي،‌ قسمتهاي متحرك بال هواپيما، بال ها، پوششهاي
آئروديناميك، ‌جعبه پره.
بويينگ ۷۳۷ لرزه گيرها، تثبيت كننده هاي افقي، بالها.
بويينگ ۷۵۷ دربها، سكانه ها، بالابرها، قسمتهاي متحرك بال هواپيما، لرزه گيرها، بالـها، پوشـشهاي

آئروديناميك.
بويينگ ۷۶۷ دربها، سكانه ها، بالابرها، قسمتهاي متحرك بال هواپيما،‌ لرزه گيرها، پوششهاي آئروديناميك

مواد كامپوزيتي به عنوان يك “ماده منتخب” در بعضي كاربردهاي صنعت اتومبيل سازي،‌به دليل داشتن سطح نهايي مرغوب به كار مي روند. سازندگان اتومبيل با استفاده از كامپوزيتها قادر هستند، ظاهر، قيمت و كارآيي اتومبيل را به نحو مطلوب تغييردهند. امروزه استفاده از بدنه هاي از جنس كامپوزيت، در همه نوع اتومبيل از اتومبيلهاي ورزشي و اتومبيلهاي مسافربري گرفته تا كاميون هاي سنگين،‌ متوسط و كوچك موفقيت آميز بوده است. بطوريكه در سال ۲۰۰۰ ميلادي، صنايع اتومبيل سازي ۳۱۸ ميليون پوند كامپوزيت به مصرف رساند.

چون بازارهاي اتومبيل نسبت به قيمت بسيار حساس هستند، كامپوزيتهاي با الياف كربن به دليل قيمت بالاي مواد آنها هنوز قابل قبول نيستند. در صنايع اتومبيل سازي از كامپوزيتهاي مسلح شده با الياف شيشه اي استفاده مي شود. د ر جدول (۴-۱) مقدار متوسط كامپوزيتهاي مصرف شده در اتومبيل با نوع ماده زمينه و روشهاي ساخت آنها آمده است.
قطعات كامپوزيتي هواپيماهاي تجاري
(شكل ۷-۱) اجزاي كامپوزيتي معمول مورد استفاده در هواپيماي تجاري
صنعت كالاهاي ورزشي
وسايل ورزشي و تفريحي مصرف كنندگان اصلي مواد كامپوزيتي هستند. علت افزايش ميزان مصرف كامپوزيتها در وسايل ورزشي و قايقها ي مسابقه اي كارآيي فوق العاده آنها است

. اگر از يك فروشگاه وسايل ورزشي بازديد كنيد،‌ حتماً‌ محصولاتي نظير چوبهاي گلف، ‌راكتهاي تنيس، اسكي هاي روي برف، قلابهاي ماهيگيري و … در آنجا نخواهيد ديد، اين وسايل مواد كامپوزيتي ساخته شده اند. اينگونه كالاها سبكتر هستند و كارآيي بيشتري دارند و باعث مي شود كه مصرف كننده آن را بهتر در دست گرفته و در استفاده از آن راحت تر باشد.

قطعات كامپوزيتي هواپيماهاي جنگي
( شكل ۸-۱) اجزا ي كامپوزيتي معمول مورد استفاده در هواپيماي نظامي