تولید کامپوزیت های کربن به روش RTM (روش قالبگیری به انتقال رزین)

یکی از پیشرفت های عمده و مهم صورت گرفته در زمینه مواد صنعتی، کامپوزیت ها با مواد مرکب می باشند. کامپوزیت ها از مهمترین گروه های مواد مهندسی هستند، چراکه آنها دارای چندین خاصیت ویژه و برجسته نسبت به سایر مواد مرسوم و معمول می باشند. ترکیبات ایجاد شده در ساخت کامپوزیت ها علاوه بر بهبود خواص مکانیکی، سبب افزایش چشمگیر نسبت استحکام به وزن و همچنین نسبت سفتی به وزن می گردد. پلاستیک های تقویت شده بطور روزافزون موارد کاربرد بیشتری را در صنایع مختلف از قبیل صنایع هواپیمایی، اتومبیل، ورزشی و … پیدا می کنند
قدیمی ترین مثال از مواد مرکب مربوط به افزودن کاه به گل جهت تقویت گل و ساخت آجرى مقاوم جهت استفاده در بناها بوده است. قدمت این کار به ۴۰۰۰ سال قبل از میلاد مسیح بر می گردد. در این مورد گاه نقش تقویت کننده و گل نقش ماتریکس دارد. مثال دیگر تقویت بتن توسط میله های فولادی می۔ باشد که قدمت آن به سال ۱۸۰۰ میلادی باز می گردد.
در کامپوزیت ها موادی که از آنها به عنوان ماتریکس استفاده می شوند به سه دسته عمده ی پلیمرها، سرامیک ها و فلزات تقسیم می شوند. در این میان، کامپوزیت های پلیمری به عنوان بزرگترین زیرمجموعه از مواد مرکب شناخته می شوند
معمولا کامپوزیت های پلیمری از لحاظ نوع فرایند ساخت، به دو دسته عمدهی روش های قالب باز و روش های قالب بسته تقسیم می شوند. روش های قالب باز شامل قالب تک جهته (قسمت نر یا ماده) میباشد که در مواردی که نیاز به فشار خیلی کم است و با احتیاجی به فشار نمی باشد، از این فرایندها استفاده می شود. نکته اصلی و بارز در این روشها این است که تنها یک سطح قطعه تولید شده دارای کیفیت سطح مطلوب می باشد. در این روش ها قطعات با اشکال هندسی پیچیده و یا قطعات بزرگ قابل تولید هستند. از انواع روش های قالب باز می توان به روش لایه چینی دستی، لایه چینی بوسیله اسپری، قالب گیری به روش محفظه خلاء، قالب گیری به روش محفظه فشار، روش اتوکلاو، پیچش الیاف، ریخته گری گریز از مرکزپالتروژن و فرم دهی به روش خزش اشاره نمود.
در روش های قالب بسته، از قالب های دو تکه بصورت نر و ماده استفاده میشود که معمولا جنس آنها از فلز می باشد. یکی از مشخصه های ویژه قطعات تولید شده با استفاده روش های قالب بسته این است که برخلاف روش های قالب باز، هر دو سطح قطعه صاف و صیقلی و با کیفیت می باشد. همچنین، کیفیت تمام قطعات تولید شده، کاملا یکسان و یکنواخت است.
روش های قالب بسته معمولا به دو گروه عمده تقسیم میشوند که عبارتند از روش های قالب گیری با استفاده از قالبهای تطبیقی و روش های قالب گیری مایعی قالب گیری تطبیقی شامل دو روش قالب گیری پریفورمی و قالب گیری فشاری میباشد. هر دو دسته مذکور از تجهیزات قالب گیری در فشارهای بالا استفاده می نمایند و تنها تفاوت آنها در فرم ماده ای است که در داخل قالب قرار می گیرد تا شکل قطعه نهایی را به خود بگیرد. یکی از معایب این دسته روشها، هزینه تولید نسبتا زیاد آنها می باشد. روش قالبگیری مایعی نیز شامل زیرگروههای قالبگیری تزریقی رزین، RIM و قالب گیری انتقالی رزین RTM می باشد. با توجه به مزایای زیاد فرایند RTM این روش ساخت، از جایگاه ویژه ای برخوردار شده است.
RTM یک فرایند قالب بسته با فشار تزریق رزین پایین است که از طریق آن با بکارگیری پلیمرهای مایع گرماسخت تقویت شده با انواع گوناگون الیاف، قطعه ای با کیفیت سطح و دقت ابعادی بالا تولید میشود. در این فرایند الیاف بصورتهای مختلف پارچه بافته ، الیاف سوزنی و … به شکل خشک درون قالب قرار داده میشوند. این الیاف یا قبلا به شکل دقیق قالب تهیه میشوند که اصطلاحا پریفورم نامیده می شوند، یا در حین فرایند قرار دادن آنها در قالب، با دست و نهایتا نیروی نگهدارنده قالب شکل داده میشوند.
پس از آنکه الیاف درون قالب قرار داده شد و قالب بسته شد، ترکیب یک رزین پلیمری با کاتالیزور به درون قالب بسته تزریق می گردد، بنحوی که همه فضاهای خالی لابلای الیاف را پر نموده و الیاف از مایع رزین اشباع شود. بمنظور جلوگیری از چسبیدن قطعه تولید شده به بدنه قالب و همچنین حصول کیفیت سطح مطلوب، معمولا روی سطح قالب لایه جداساز و پوشش ژل قرار داده میشود.
یکی از مزایای مهم و ذاتی فرایند RTM فشار مورد نیاز پایین، جهت تزریق رزین است. معمولا در فرایندهای RTM، فشار تزریق رزین از ۶۹۰ کیلو پاسکال تجاوز نمی کند. در مجموع فرایندهای RTM در مقایسه با فرایندهای قالب باز دارای برتری های زیادی هستند که برخی از آنها عبارتند از: کمتر بودن میزان انتشار گازها و بخارهای سمی ناشی از عملیات پخت رزین، شرایط کاری تمیزتر، تولید قطعات کامپوزیتی دقیق تر، کیفیت خوب هردو سطح قطعه تولید شده و فرایند تولید سریع تر، فرایند RTM از محبوبیت خوبی در میان صنعتگران برخوردار است. این محبوبیت بدلیل قابلیت بالای تولید قطعه با شکل دقیق و همینطور توانایی طراح در تقویت قطعه با قرار دادن تقویت کننده های الیافی در جهات دلخواه می باشد.
با وجود مزایای زیاد فرایند RTM بدلیل هزینه بالای ساخت قالب و نیاز به گیره های نگهدارنده قالب و تجهیزات کمکی، در مجموع این فرایند از نظر هزینه و حجم تولید، بین دو دسته فرایندهای قالب باز کم هزینه و فرایندهای پرهزینه قالب گیری با پرس با تولید انبوه قرار داشته و فرایندی متوسط محسوب می گردد.
برای اولین بار، در اوایل دهه ۱۹۴۰ نیروی دریایی ایالات متحده از روشی مشابه فرایندهای RTM امروزی که روش مارکو” نامیده شده بود، برای ساخت قایق های کامپوزیتی استفاده نمود. در ساخت این قایق ها از یک نوع پلاستیک پلیمری و الیاف شیشه استفاده شده بود. در اوایل ۱۹۵۰ در انگلستان صنایع گوناگونی از فرآیند RTM بعنوان روشی پیشرفته تر نسبت به لایه گذاری دستی استفاده کردند. در اوایل دهه هفتاد نیز فرایند RTM به شکل محدودی جهت ساخت قطعات نیروی دریایی استفاده شد. اما رشد چشمگیر و روز افزون استفاده از فرایند RTM به اواسط دهه هشتاد بر می گردد. از این سالها به بعد، فرآیند RTM مورد توجه بسیاری از صنایع از قبیل صنایع هوافضا، نظامی، خودروسازی، الکترونیک، صنایع مکانیکی، تجهیزات ورزشی و … قرار گرفت. در دهه اخیر پیشرفت بسیار چشمگیری در زمینه ساخت سازه های کامپوزیتی با شکل هندسی پیچیده و درصد حجمی الیاف با مقادیر بالا انجام شده است.
مزایا و امتیازات فرایند RTM همانگونه که گفته شد فرآیند RTM از اواخر دهه هشتاد از توجه بسیاری برخوردار گشته و امروزه از دیدگاه های مختلف تحقیقاتی و کاربردی مورد بررسی قرار می گیرد. امتیازات متعدد این فرآیند را می توان دلیلی بر رشد روزافزون آن دانست. برخی از ویژگی های مهم این فرآیند عبارتست از :

1. کنترل عالی بر روی خواص مکانیکی قطعه به جهت امکان آرایش دادن الیاف در داخل قالب در جهات مطلوب
2. عدم انتشار مواد شیمیایی در محیط بدلیل بسته بودن قالب
3. چرخه زمانی کوتاه در مقایسه با فرآیندهایی که امکان کنترل خوب بر روی آرایش الیاف وجود دارد؛ مثل فرآیند رشته پیچی
4. پایین بودن محدوده فشار در حین تزریق (کمتر از ۵ اتمسفر). این مسئله امکان استفاده از قالب های ارزان قیمت را میسر می سازد.
5. امکان تولید قطعات بزرگ با اشکال هندسی پیچیده
6. امکان استفاده از انواع مختلف رزین و الیاف اعم از الیاف کوتاه، بافته شده، سوزنی و …
7. قابلیت اتوماسیون
8. قابلیت تبدیل به فرآیند با نرخ تولید بالا
9. امکان کاهش درصد حفره و حباب تا حد بسیار ناچیز از طریق کنترل پارامترهای متعددی که در این فرآیند بر روی پدیده مذکور مؤثر می باشد.

سوالات متداول