فرآیند رشته پیچی
Filament winding process
MAY 2013
2
3
رشته پیچی یک روش ساده و کارا برای تولید قطعات مدور مانند لوله و ظروف استوانه ای در اندازه های مختلف می باشد. قطعات با قطر mm 25 تا m 6 در این فرآیند متداول می باشد. در این فرآیند الیاف رشته ای یا نوارهای پیوسته الیاف با شرایط کنترل شده روی یک مغزی پیچیده می شوند. لایه ها با یک طرح یکسان و یا متفاوت پیچیده می شوند. به هنگام پیچش الیاف، کشش الیاف بین لایه های پخت نشده کامپوزیت فشار ایجاد می کند. این فشار بر فشردگی الیاف و درصد حباب هوا در قطعه که کنترل کننده استحکام و سفتی قطعه می باشد موثر است. رزین ممکن است قبل، به هنگام و بعد از پیچش روی الیاف اعمال شود. در نهایت رزین در دمای محیط و یا دمای بالاتر و بدون اعمال فشار پخت شده، مغزی از درون آن بیرون کشیده می شود. عملیات تکمیلی مانند ماشین کاری و سنباده زنی معمولاً احتیاج نیست.
مقدمه
4
5
فرایند تولید کامپوزیت های گرماسخت هاست که در ادامه به میزان کم در گرمانرم ها مورد استفاده قرار گرفته است.
مزایای آن استفاده از مواد ارزان و هزینه پایین کارگری و تکرارپذیری خواص قطعه حاصل است.
آرایش الیاف در جهات متفاوت نسبتا آسان است.
اعمال حجم بالای الیاف به راحتی ممکن است.
محدودیت های آن در نیازمندی به مندرل کش ها و عدم خواب بر روی سطوح منحنی منفی است.
میزان تولید در حدود 100 قطعه در روز است.
6
چرخه تولید کامپوزیتهای رشته پیچی شده را می توان به مراحل ذیل تقسیم نمود: – پیچش قطعه روی مغزی – حرارت دهی و پخت رزین که منجر به شکل گیری قطعه می شود. – سرد کردن قطعه – بیرون کشیدن قطعه از مغزی
7
عمده ترین عوامل موثر بر خواص قطعات تهیه شده به روش رشته پیچی عبارت است از: -درصد رزین و توزیع آن -کشش به هنگام پیچش الیاف -شرایط الیاف آغشته شده -پهنای نوار الیاف مورد استفاده -آرایش الیاف -سیکل پخت
از جمله نقایص یا ضعفهایی که در قطعه به چشم می خورد می توان به موارد ذیل اشاره نمود: حباب هوا
نقاط خشک
نقاط آکنده از رزین
شکست زودهنگام
نواحی شکست موضعی پخت ناقص یا ناهمگون
8
درصد رزین و توزیع آن برای کنترل وزن و ضخامت اهمیت فراوانی دارد. اکثر قطعات هوافضا دارای تلورانس وزنی 2% می باشند. از نظر استحکام تغییرات مفرط درصد رزین، موجب ناهمگونی توزیع تنش و شروع شکست می شود. درصد رزین به کششِ هنگام پیچش بسیار وابسته است. جریان رزین حاصل از فشار الیاف، جهت خارج کردن حبابهای هوا و سایر مواد فرار سودمند است ولی کشش به هنگام پیچش یک متغیر حساس در کنترل و کاهش مقدار حبابهاست. حبابهای اضافی موجب کاهش استحکام برشی بین لایه ای و افت استحکام فشاری و مقاومت در برابر خمش و شکم دادن می شود.
9
10
مواد اولیه:
تنوع هندسی الیاف
Strand
Roving
Tape
تنوع جنس الیاف
شیشه
کربن
کولار
11
12
انواع رزین ها
پلی استر
وینیل استر
اپوکسی
فنولیک
پلی ایمید
بیس مال ایمید
13
معیارهای انتخاب رزین
Viscosity (1000 الی 3000 سانتی پواز)
Pot life
Winding temperature
Gel time
Cure time
پیش آغشته ها:
مزایا: کنترل میزان رزین- کنترل کیفیت بالا
معایب: قیمت بالا- انبارداری
انتخاب یک رزین خاص در یک سیستم مشخص بستگی به شرایط فرآیند، الزامات پخت و خواص فیزیکی مورد نظر دارد. ویسکوزیته و تاریخ مصرف سیستمهای مخلوط با کاتالیست از نظر فرآیندی دارای اهمیت فراوانی است. زمان ژل شدن و رفتار جریان نیز متغیرهای مهمی محسوب می شوند. برای خیس خوردگی الیاف و خروج هوای محبوس، ویسکوزیته پایین رزین الزامی است.
14
15
انواع ماشین
Helical winding (20 الی 90 درجه)
برای قطعات طویل
Polar winding
کمتراز 20 درجه (5 الی 15 درجه)
ساده و سریع برای قطعات با l/d کمتر از2
ویژه (به روش مختلط)
16
17
موثر درخواص نهایی کامپوزیت حاصله
برای الیاف میزان کشش برای حالت helical و polar بین 0.45 الی 1.8 کیلوگرم و برای حالت hoop بین 2.7 الی 3.6 کیلوگرم است.
انواع کشنده ها
معمولی
موتور
فنری
کشش الیاف
18
19
20
انواع حمام آغشته سازی
Dip tank
Roller impregnation
Metered
ابعاد حمام
هادی های حمام
شانه ها
حمام رزین
21
22
23
مشخصات
ماندگاری زیاد در دمای پایین فرآیند آغشته سازی و پیچش الیاف
پخت سریع در دمای فرآیند پخت
وجود سیستم دوار مندرل در زمان پخت
انواع سیستم های پخت
آون همراه با vacume bag یا shrink tape
سیستم روغن داغ از درون مندرل
سیستم لامپ
سیستم بخارداغ از درون مندرل
اتوکلاو
میکروویو
اشعه الکترونی
لیزر
سیستم های پخت
دما، رطوبت، شرایط آب و هوایی، پیری و سایر شرایط محیطی بر خواص کامپوزیتهای رشته پیچی شده تاثیر می گذارند. تاثیر این عوامل همانند تاثیر بر قطعات کامپوزیتی تهیه شده با سایر روشها، می باشد. مسئله ای که وجود دارد این است که پایین بودن درصد رزین در کامپوزیتهای رشته پیچی شده، موجب می شود که آنها برای نفوذ رطوبت و تخریب در محیطهای شدیداً مرطوب مستعدتر شوند. تاثیر منفی دوره های گرما-رطوبت می تواند با استفاده از رزینهای کاراتر در لایه های آخر به حداقل برسد.
24
25
کاربردهای تجاری: مخازن الکتریکی شیرها اجزاء کلیدهای فشار قوی تیرهای برق لوله های حفاری نفت مجاری حرارتی و …. کاربردهای ویژه: محفظه موتور موشک عایق های موتور موشک نازل موشک مخازن شیمیائی لاینر جامد سوخت موتور لاینر نازل موشک
26
THE
END