فرآیندهای‌ ‌شکل‌دهی

●لایه گذاری دستی یا hand lay up
در این روش، ابتدا رها ساز روی سطح قالب اسپری می‌شود تا جدا كردن قطعه ساخته شده به سهولت انجام بگیرد. سپس ژل كوت روی آن اعمال می‌شود تا سطح قطعه از نظر كیفیت و ظاهر، سطح مطلوبی باشد. آنگاه الیاف رو یا درون قالب قرار می‌گیرند و رزین با دست روی آنها ریخته شده، توسط قلم و یا غلطك آغشته سازی كامل می‌شود. همچنین این امكان وجود دارد كه الیاف ابتدا به رزین آغشته شود و بعد لایه گذاری انجام گیرد. حبابهای هوای گیر كرده در قطعه با حركت قلم یا غلطك و فشار دادن الیاف خارج می‌شوند. لایه گذاری و آغشته سازی تا رسیدن به ضخامت مورد نظر ادامه می‌یابد. قطعه معمولاً در فشار و دمای محیط پخت می‌شود. با كاتالیزور و شتابدهنده زمان پخت را می‌توان تنظیم نمود.
بیشترین رزینهای مورد استفاده، پلی استر و اپوكسی می‌باشد. پلی استر بدلیل قیمت ارزان، در دسترس بودن و سهولت كار، رزین مطلوبی محسوب می‌شود. همچنین پلی استر به راحتی با رهاسازهای استاندارد، از قالب جدا می‌شود. به منظور كاهش جمع شدگی قطعه كه منجر به تابیدگی و موجدار شدن سطح می‌شود، از فیلرهایی مانند تالك و كربنات كلسیم استفاده می‌كنند.
اپوكسی‌ها گران قیمتند ولی خواص بهتری دارند. رهاسازهای قالب برای فرمولاسیون ضروری است و در غیر اینصورت قطعه به قالب می‌چسبد و منجر به مشكلات جداكردن قطعه از قالب، تابیدگی، صدمه به قطعه و حتی قالب می‌شود.
در فرمولاسیون هر دو رزین می‌توان افزودنی‌های ضد شعله یا خود خاموش كن را وارد كرد. اپوكسی بیشتر به خاطر پایداری ابعادی و استحكام بالا استفاده می‌شود در حالیكه پلی استر در حجمهای بالا و در كاربردهای معمولی استفاده می‌شود.
الیاف شیشه متداولترین تقویت كننده در كامپوزیتهای ساخته شده به روش لایه گذاری دستی می‌باشند. این الیاف از رشته‌های نازكی كه با سیلان اصلاح سطح شده‌اند، تشكیل شده‌اند. سیلان چسبندگی رزین به الیاف را بهبود می‌بخشد.
در این فرآیند انواع الیاف از قبیل پارچه، نمد، الیاف كوتاه و رشته‌ای استفاده می‌شود و شكل الیاف خیلی نقش بحرانی در این فرآیند ندارد. ولی البته الیاف پارچه‌ای و نمد بیشتر استفاده می‌شود.
لایه گذاری دستی در حدود سالهای ۱۹۴۰ ابداع شد و مواد و روشها تفاوتهای چندانی از آن وقت تا كنون نكرده‌اند، لایه گذاری دستی هنوز وابسته به مهارت كارگر می‌باشد. این فرآیند در ساخت كشتی با موفقیت بكار گرفته شده است.
سایر قطعات ساخته شده به این روش عبارتند از گنبدها(radomes)، كانالهای آب، استخر، تانكر، میز و صندلی، تجهیزات محیطهای خورنده، قطعات خودرو، اطاقك و خانه‌های پیش ساخته، صفحات صاف و موجدار، نمونه سازی و قالبهای كامپوزیتی.
مهمترین امتیازات سیستم‌های پلی استر یا اپوكسی در روش لایه گذاری دستی عبارتند از: سهولت ساخت، ارزانی ابزار كار، رنگ آمیزی‌های مختلف، خواص مناسب برای كاربردهای مورد نظر، امكان ساخت قطعات بزرگ
یك فرآیندساده لایه گذاری دستی، روی یك قالب نر یا درون قالب ماده امكان پذیر است. انتخاب قالب بستگی دارد به این دارد كه كدام طرف قطعه از نظر ظاهری دارای اهمیت است. اگر سطح بیرونی مهم باشد از قالب ماده استفاده می‌شود و اگر سطح داخلی اهمیت داشته باشد از قالب نر.
اگر كیفیت بالای سطح مورد نظر باشد، یك لایه از رزین دارای كاتالیزور روی قالب اسپری می‌شود و اجازه می‌‌‌یابد تا نیم پخت شود. این لایه رزینی ژل كوت نامیده می‌شود و یك لایه محافظ غیر قابل نفوذ روی الیاف تشكیل می‌دهد. رزینهای ژل كوت برای اینكار فرموله می‌شوند تا منعطف بوده، در برابر تاول و تخریب مقاوم باشند.
سطح دیگر كامپوزیت معمولا زبر می‌باشد ولی با بكار گیری یك سلفون یا فیلمی از جنس پلی وینیل الكل یا مواد مشابه، كمی با كیفیت تر می‌شود. مواد زیادی برای ساخت قالب استفاده می‌شوند از جمله چوب، پلی استر، اپوكسی، لاستیك و فولاد.
روش پیش آغشته می‌تواند به عنوان ادامه روش لایه گذاری دستی در نظر گرفته شود. در این فرایند الیاف با رزین فرمول شده آغشته می‌شود. تقویت كننده معمولا بصورت نوارهای تك جهته از الیاف یا پارچه بافته شده می‌باشد و به منظور سهولت حمل و نقل و انبار، نیم پخت می‌شوند. پیش آغشته نیم پخت، چرم مانند است و كمی چسبنده، بنابراین لایه‌ها روی شكل‌های پیچیده سر نمی‌خورند و می‌توانند شكل برجستگی‌های قالب را به خود بگیرند و در نتیجه شكل‌های پیچیده به دقت قابل قالبگیری می‌باشند.
از آنجا كه فرمولاسیون رزین در پیش آغشته دارای شروع كننده می‌باشد، دارای تاریخ مصرف می‌باشد و پیش از چند روز یا چند هفته نمی‌توان آنرا در دمای اطاق نگهداری نمود. بنابراین آنها را در فریزر نگهداری می‌كنند تا تاریخ مصرف آنها به یك سال و یا حتی بیشتر برسد.معمولاً پیش آغشته‌ها با تجهیزات ساخت مخصوص ساخته می‌شوند تا درصد رزین و الیاف كنترل ‌شود. آغشته سازی كامل الیاف با رزین مشكل نواحی آكنده از رزین( resin reach ) و عاری از آن را حل می‌كند. در نتیجه همگونی بهتری نسبت به لایه گذاری دستی حاصل می‌شود. بنابراین از پیش آغشته در جاهایی استفاده می‌شود كه كارایی قطعه حساس است. تقریبا تمام رزینهای مورد مصرف صنایع كامپوزیت، به شكل پیش آغشته نیز وجود دارند.
●پاشش رزین (spray up)
در تلاش برای افزایش اتوماسیون فرآیند دستی، روشهای مختلف پاشش رزین ابداع شده‌اند. این روشها با كاربرد رشته‌های (roving) ارزانتر، كاهش زمان اعمال رزین و آغشته سازی الیاف و به حداقل رساندن اتلاف مواد، قیمت كلی كامپوزیت حاصل را كاهش می‌دهند.
در فرآیند پاشش رزین، الیاف و رزین بطور همزمان رو یا درون یك قالب پاشیده می‌شوند. الیاف رشته‌ای به یك خردكن وارد شده و بعد داخل جریانِ رزین همراه كاتالیست قرار می‌گیرند. رزین و كاتالیست ممكن است دریك تفنگ پاشش (spray gun) و یا از دو تفنگ پاشش وارد شوند و در هر حال وقتی به قالب می‌رسند، با هم مخلوط شده‌اند. سیستم پاشش ممكن است با هوا باشد. به منظور سهولت كار با دستگاه، معمولا تفنگ پاشش به یك میله متحرك آویزان است.
پس از پاشش رزین و الیاف و نشستن آنها روی قالب، از الیاف آغشته به رزین، حبابهای هوا توسط غلطك كاری خارج می‌شوند و الیاف كاملا خوابانده می‌شوند و سطح صاف می‌شود. لایه‌های بعدی رزین و الیاف را نیز می‌توان تا رسیدن به ضخامت مطلوب اعمال نمود. سپس قطعه را در فشار و دمای محیط پخت می‌كنند، هر چند می‌توان با اعمال حرارت، پخت را سریع كرد.
رزینهای مورد استفاده دراین فرآیند معمولا پلی استر و اپوكسی هستند. با پاشش ژل كوت روی قالب می‌توان یك سطح نهایی عالی ایجاد كرد.
طی فرآیند پاشش رزین، به منظور افزایش مقاومت در یك جهت یا محل خاص می‌توان الیاف پارچه‌ای را به آن اضافه نمود. قالب‌های فرآیند می‌توانند از جنس چوب، وینیل پلی استر، اپوكسی، لاستیك و یا فولاد باشند.
فرآیند پاشش رزین برای حجم تولید كم تا متوسط ایده آل است. بخصوص برای ساخت قطعات بزرگ بسیار مناسب است. علاوه بر این، انتخاب لایه گذاری دستی یا پاشش رزین بستگی به خواص مكانیكی و محدودیتهای فرایند دارد. خواص مكانیكی لایه گذاری دستی، به دلیل پیوسته بودن الیاف، بالاتر است. مزایای هر دو روش بسیار شبیه هم است. فرآیند پاشش رزین هنوز برای تولید وان حمام، اطاقك دوش، قطعات اتومبیلهای تفریحی، اطاق و سقف كامیون، صفحات بزرگ، اطاقك نگهبانی و خانه پیش ساخته، اثاثیه منزل و قطعات معماری استفاده می‌شود، اگر چه فراگیری این فرآیند توسط سایر روشهای شكل دهی مانند آر تی ام تحت الشعاع قرار گرفته است.
●آمیزه ‏های قالبگیری (SMC, BMC, Compression Molding)
بطور كلی آمیز ه قالبگیری را می‏توان مخلوطی از رزین، مواد پركننده، الیاف تقویت كننده، آغازگر، رها ساز، رنگدانه، پایدار كننده و دیگر مواد افزودنی دانست. این آمیزه‏ها معمولاً به شكلی كه مناسب برای قالبگیری نهایی است تولید می‏گردند. بسته به شكل آمیزه فرآیند قالبگیری می‏تواند فشاری، ترزیقی و یا انتقالی باشد. كاربرد گستردهٔ این مواد به بهای نسبتاً پائین و امكان بهینه سازی خواص آنها جهت كاربردهای ویژه نسبت داده می‏شود. آمیزه‎‏های قالبگیری بر پایه اغلب رزین‏های گرما سخت وجود دارند اما آمیزه ‎های بر پایهٔ رزین پلی استر غیر اشباع سهم عمده را بخود اختصاص می‏دهند لذا در اینجا تأكید روی آنها بوده است.
الف)آمیز ه قالبگیری ورقه‎ای :
این آمیزه ورقه‎ای چرم – مانند با ضخامت ۵-۳ میلی متر ازمواد است كه بین دو فیلم نازك از پلی اتیلن عرضه می‏گردد (این فیلم‏ها قبل از قالبگیری آمیزه برداشته می‏شوند). ماده مورد استفاده در این آمیزه مخلوطی از الیاف شیشه بریده شده و خمیری از پلی استر غیر اشباع می‏باشد. یك تركیب درصد نمونه از این خمیر درجدول ۲ آورده شده است. در این جدول ۷۰% وزنی SMC را خمیر تشكیل می‏دهد و ۳۰% باقیمانده را الیاف شامل می‏شود.تولید SMC با تهیه محلول آبكی (slurry) از مواد در یك دستگاه مخلوط ساز با سرعت بالا آغاز می‏گردد. همهٔ اجزاء باستثناء تغلیظ كننده بمدت ۱۵ دقیقه با هم مخلوط می‏شوند. در طی این مدت دمای مخلوط تا حدود C ْ۳۰ بالا می‏رود. دراین مرحله ویسكوزیتهٔ مخلوط حدود Pas ۳۰-۲۰ می‏باشد. پس از اینكه عمل مخلوط سازی با تمام رسید مادهٔ تغلیظ كننده (Thickener) اضافه گردیده و بسرعت طی مدت زمان حدود ۵ دقیقه با بقیهٔ اجزاء مخلوط می‏گردد. در این مرحله خمیر آماده است و جهت تلفیق با الیاف به ماشین SMC منتقل می‏گردد.
دراینجا خمیر تهیه شده با ضخامت معین بر روی یك فیلم پلی اتیلنی ( با پهنای یك متر و ضخامت mm ۲۰-۱۵) كه از رول فیلم بر بستر متحرك دستگاه باز می‏شود ریخته می‏شود. سرعت حركت این فیلم بین m/min ۹-۵ می‏باشد. این فیلم از زیر دستگاه برش الیاف عبور می‏كند و الیاف بلند به طولهای mm ۲۵ بریده شده و با سرعتی كه درصد حجمی مورد نظر را فراهم سازد روی فیلم آغشته به خمیر بصورت راندم می‏نشینند. این فیلم بهمراه فیلم دیگر كه فقط خمیر روی آن ریخته شده و فاقد الیاف است با هم ساندویچ شده و از یكسری غلطك عبور می‏كنند. این غلطك‎ها باعث آغشتگی الیاف به رزین، خروج هوا از آمیزه و همچنین تنظیم ضخامت ورق و در نتیجه تنظیم تركیب درصد الیاف می‏شود. در انتها ساندویچ تهیه شده بر روی یك غلطك بصورت رول جمع‏آوری می‏گردد و در یك فیلم نایلون یا سلوفان پیچیده شده تا از فرار مونومر جلوگیری شود. این رول سپس به محیطهای كنترل از لحاظ دمائی منتقل شده تا مرحله تغلیظ شدن در آن سپری شود. در مرحله تغلیظ اجازه داده می‏شود تا ویسكوزیته تركیب به حدی برسد كه ورق SMC براحتی قابل جابجائی، برش و قالبگیری باشد.
وجود پركننده باعث بهبود كیفیت سطح قطعه شده و تغییرات ابعادی (انقباض) قطعه را كه ناشی از پخت رزین است كاهش می‏دهد. همچنین تأثیر عمده‎ای در كاهش قیمت تمام شدهٔ محصول دارد.
درصد وزنی پركننده در آمیزه بستگی به نوع پركننده، خواص رئولوژیكی رزین و درصد الیاف دارد. بطور كلی میزان پركننده باید در حدی باشد كه خیس شدگی مناسب سطح الیاف با رزین را مانع نشده و جریان رزین را در قالب دچار اشكال نكند. هر چه درصد الیاف بیشتر باشد نسبت پركننده به رزین كمتر می‏شود. بطوریكه نسبت پركننده به رزین برای آمیزه‎های قالبگیری ورقه‎ای با ۳۰%، ۵۰% و ۶۵% الیاف به ترتیب ۵/۱، ۵/۰ و صفر باشد.
آغازگر نقش شروع واكنش پخت را به عهده دارد. بطور معمول آغازگرهای مورد استفاده در آمیزه‎های قالبگیری رزین پلی استر، پراكسیدهای آلی با فرمول عمومی ROOR’ می‏باشد كه در شرایط دمائی خاص به رادیكالهای مربوط (ROo) تجزیه گشته و این رادیكال‎ها با حمله به نواحی غیر اشباع در زنجیرهٔ پلیمری منجر به پخت رزین می‏گردند.
معمول‎ترین آنها ترت بوتیل پربنزوات (TBPB) و ۱و۱-دی (ترت بوتیل پراكسی) سیلكوهگزان می‏باشند كه در دمای قالبگیری ۱۴۰o-۱۶۰ ° C بكار گرفته می‏شود. برای كم كردن زمان قالبگیری و همچنین دمای قالبگیری از پراكسیدهای فعال‏تر مانند t – Butyl Peroctoate استفاده می‏شود. البته بكارگیری چنین سیستم‎هائی منجر به كوتاه‎تر شدن عمر نگهداری ورقه‎های SMC می‏شود. برای كاهش زمان پخت می‏توان از سیستم آغازگر دوتایی نیز استفاده كرد. در این صورت به آغازگر در دمای بالا درصدی از آغازگر با دمای پائین اضافه می‏شود.
در حین تهیهٔ تركیب قالبگیری و در مدت ذخیره سازی آن امكان آغاز تدریجی واكنش پخت رزین وجود دارد. نقش جلوگیری كننده‎ها، ممانعت از شروع واكنش پخت از آغاز تهیه تا پایان ذخیره سازی تركیب می‏باشد. این مواد از خانوادهٔ تركیبات كینونی می‏باشد و در مقادیر بسیار كم (حدود ۰.۰۲ %) به فرمولاسیون اضافه می‏شوند. هیدروكینون و پارا بنزوكینون از مواد معمول بدین منظور می‏باشند. وجود این مواد در فرمولاسیون سرعت پخت و در نتیجه افزایش ویسكوزیته را در مراحل اولیه قالبگیری كاهش می‏دهد. این امر به بهبود جریان آمیزه و پرشدن قالب كمك می‏كند و لذا از بروز نقایص چون پر نشدن كامل قالب و ایجاد فضاهای خالی (Void) در قطعه جلوگیری می‏نماید.
در هنگام قالبگیری، ورق SMC می‏باید براحتی قابل انتقال به داخل قالب و برش به اندازه‎های مورد نیاز باشد. نقش تغلیظ كننده افزایش ویسكوزیته آمیزه به اندازه‎ای است كه شرایط مورد نظر را فراهم سازد. در واقع عمل تغلیظ خمیر رزین را از مایعی با ویسكوزیتهٔ حدود Pas ۳۰ به ماده‎ای چرم – مانند با ویسكوزیتهٔ در محدودهٔ Pas ۱۰۵-۱۰۴ تبدیل می‏نماید. در این شرایط آمیزهٔ غیر چسبنده بوده و قابلیت انعطاف دارد. تغلیظ كننده‎های معمول برای رزین پلی استر غیر اشباع، اكسیدها و هیدرواكسیدهای فلزات گروه I IA مانند CaO, Mg(OH)۲, MgO می‏باشند. عقیده براین است كه افزایش ویسكوزیته رزین بدلیل واكنش یون فلزی با گروههای كربوكسیلیك انتهائی موجود در زنجیرهٔ پلیمری و تشكیل زنجیرها و كمپلكس‏های با جرم ملكولی بالاتر است. نوع، میزان و اندازهٔ ذرهٔ تغلیظ كننده و همچنین شرایط رطوبت و دمای نگهداری SMC بر روند افزایش ویسكوزیته در طی فرآیند تغلیظ و همچنین ویسكوزیتهٔ نهائی تركیب اثر دارند.
ویسكوزیته نهائی ورقهٔ SMC در كیفیت قطعه قالبگیری شده نقش بسزائی دارد و باید در محدودهٔ خاصی باشد كه بین ۱۰۶ ´ ۵۰ و۱۰۶ ´ ۱۳۰ سانتی پواز است. در طی فرآیند قالبگیری ورقه SMC ، پیوندهای تشكیل شده در عمل تغلیظ بدلیل افزایش حرارت شكسته شده و ویسكوزیتهٔ آمیزه كاهش یافته بگونه‎ای كه در قالب جاری می‏شود و آنرا پر می‏كند. بدنبال آن رزین شروع به ژل شدن نموده كه افزایش سریع ویسكوزیته را شاهد خواهیم بود.
ب) تركیبات قالبگیری DMC, BMC
این تركیبات بمنظور استفاده از فر‌آیندهای اتوماتیك‏تر برای قالبگیری سیستم‎های رزینی توسعه یافته‏اند. این مواد تركیبات خمیری شكل بوده كه به طور ناپیوسته در مخلوط ساز ژاكت دار با تیغه Z یا زیگما تولید می‏گردند. مخلوط ساز متشكل از دو ظرف یكسان U -شكل از جنس فولاد زنگ نزن بوده كه درون هر ظرف تیغه‎ای وجود دارد. این تیغه‎ها در جهت مخالف هم چرخش دارند. ظرفیت این مخلوط سازها بین چند كیلوگرم تا حدود ۱۰ تن می‏باشد.
DMC مخلوطی است از الیاف شیشه بریده شده و خمیری از رزین پلی استر غیر اشباع كه با افزودنی‏های مختلف پر شده است.
تولید DMC معمولاً در درجه حرارت اتاق انجام می‏شود هر چند امكان گرم كردن یا سرد كردن مخلوط از طریق گردش روغن در ژاكت مخلوط ساز وجود دارد. در فرآیند تولید ابتداء مواد پودری وزن گردیده و بمدت یك دقیقه با هم مخلوط می‏شوند. رزین و دیگر مواد افزودنی اضافه شده و مخلوط سازی بمدت ۳۰-۱۵ دقیقه ادامه می‏یابد. در طی این مدت می‏توان مخلوط سازی را بمنظور پاك سازی دیوارهٔ ظرف متوقف نمود. پس از هموژن شدن مخلوط الیاف تقویت كننده بتدریج اضافه شده و با مخلوط آبكی رزین مخلوط می‏شوند. این عمل حدود ۵ دقیقه بطول می‏انجامد و هدف آن صرفاً توزیع مناسب الیاف در سراسر رزین است. برای مخلوط سازهای با تیغهٔ Z یا زیگما فاصله بین تیغه و دیوارهٔ ظرف در محدودهٔ ۳ تا ۱۲ میلی متر است. هر چه این فاصله كمتر باشد عمل مخلوط سازی بهتر صورت می‏گیرد اما احتمال آسیب رساندن به الیاف بیشتر می‏شود. نهایتاً تركیب حاصله در فیلم‎هائی كه مانع از تبخیر مواد فرار می‏شوند بسته ‏بندی گردیده و یا بصورت رشته اكسترود شده و در بشكه‏ های خاص نگهداری می‏شوند.
BMC عموماً به تركیبی اطلاق می‏گردد كه بر پایه رزین ایزوفتالیك است و همچنین عمل تغلیط‏سازی در آن بوسیله MgO صورت می‏گیرد. عمل تغلیظ‏سازی می‏تواند میزان پركننده را تا phr ۱۰۰ تقلیل دهد و لذا امكان افزایش میزان تقویت كننده را فراهم سازد. كاهش میزان پركننده در BMC ظاهر سطحی بهتری را نسبت به DMC برای آن فراهم می‏سازد.
● نمونه ‏های از تركیبات قالبگیری BMC و DMC
قالبگیری فشاری آمیزه ‎‏های قالبگیری:
بمنظور قالبگیری آمیزه‏های BMC, DMC, SMC می‏توان از قالبگیری فشاری استفاده كرد. مراحل كلی فرآیند را می‏توان بصورت زیر بیان نمود.
▪ مرحلهٔ اول:
در این مرحله آمیزه باید باندازهٔ مورد نظر در قالب قرارداده شود. آمیزهٔ DMC, BMC را می‏توان پس از وزن نمودن بصورت توپ گرد درآورد و در وسط قالب قرار داد. آمیزهٔ SMC را می‏توان بصورت لایه‏های مختلف برید و بگونه‏ای در قالب چید كه حدود %۸۰-۷۰ سطح قالب پوشانده شود.
▪ مرحلهٔ دوم:
قسمت بالائی قالب (فك متحرك) بسرعت پائین آورده می‏شود. تا در تماس با سطح مواد قرار گیرد. سپس سرعت كم می‏شود و بآرامی قالب بطور كامل بسته می‏شود. سرعت بسته شدن قالب اهمیت دارد، چرا كه سرعت بالا منجر به بدام افتادن هوا در قطعه و سرعت پائین منجر به پخت رزین و احتمال پرنشدن قالب می‏شود.
▪ مرحلهٔ سوم:
در این مرحله و پس از بسته شدن قالب برای مدتی قطعه در قالب نگه داشته می‏شود تا مراحل پخت رزین با تمام برسد. سپس قالب باز شده و قطعهٔ پخت شده بوسیله میله‎ های خارج كننده به بیرون رانده می‏شود.
سیكل قالبگیری بستگی به سیستم رزین-‎آغازگر، ضخامت قطعه و پارامترهای دیگر دارد اما بطور نمونه می‏توان گفت كه در حدود ۴۵ ثانیه بازای هر میلی متر ضخامت در درجه حرارت بین °C ۱۶۰-۱۲۰ و فشار بین psi, ۱۰۰۰-۲۰۰ می‏باشد.
● موارد زیر می‏توانند در كیفیت قطعه حاصله مؤثر باشند.
۱) پیش حرارت دهی مواد قالبگیری
۲) قالبگیری در محیط خلاء
۳) پوشش دهی درون قالبی

منبع : شبکه ایران ـکامپوزیت