ساخت قطعات فایبرگلاس و قالب کامپوزیت

کامپوزیت چیست و چه تفاوتی با فایبرگلس دارد؟

به قطعاتی که از دو مواد گوناگون درست شده باشند و هر قسمت آن سبب خوب شدن ویژگی مکانیکی و شیمیایی قطعه شود، کامپوزیت می گوییم. فایبرگلاس و فیبر کربن(الیاف کربن) از زیر گروه های Composite هستند.

کامپوزیت جرم وزن کمی دارد و همینطور استحکام آن خیلی بالا است. قطعات تولید شده با متریال فایبر و کامپوزیت، در مقابل آب مقاوم اند و حالت های اسیدی و قلیایی متوسط، روی آنها تاثیر نمی گذارد. یک خصوصیت دیگر و خاص قطعات ساخته شده با الیاف شیشه و الیاف کربن، این است که در تیراژ پایین(کمتر از 100 عدد)، هزینه قالب سازی و تولید آنها ارزانتر از قطعات تزریق پلاستیک خواهد بود. مثلا اگر شما قصد دارید برای یک دستگاه بدنه تولید کنید و تعداد قطعات درخواستیتون، در حدود 10 الی 100 عدد باشد، مناسب ترین کار این است که با استفاده از قالب سازی فایبرگلاس و کامپوزیت ها، محصول خود را درست و اماده کنید. البته ابعاد قطعه هم در توجیه تولید آن تاثیر دارد. برای مثال ما طراحی و تولید قالب فایبر را برای قطعاتی با اندازه کمتر از 50 سانتیمتر توصیه نمی کنیم.

قالب FRP(فایبرگلاس) چطور تولید می شود(Fiber glass parts production)

محصولات صنعتی قاعدتا از مواد متفاوتی درست می شوند. یکی از مدل های همیشگی قطعات صنعتی و تولیدی، قطعه فایبرگلاس و کامپوزیت است. خوبیه قطعه فایبرگلاس وزن سبک آن و استحکام و مقاومت نسبتا بالا است. همچنین حالا برای تیراژهای پایین، تولید قالبسازی و تولید قطعه فایبرگلاس قاعدتا بهتر از روش تزریق پلاستیک یا ریخته گری است. ما می توانیم قطعه و قالب فایبرگلاس و کامپوزیت را به اندازه 50 سانتیمتر تا 10 متر درست کنیم. اگر می خواهید در مورد روش ساخت قالب فایبرگلاس و نکات مهم و تاثیرگذار در قیمت و کیفیت آن بیشتر بدانید، تا اخر این مقاله با ما همراه باشید.

فایبرگلاس(FRP,GRP) چیست؟

فایبرگلاس یک مدل کامپوزیت است که در صنایع مختلف و با هدف ساخت قطعات با استحکام بالا و کم وزن و در عین حال با قیمت مناسب، بکار می رود. مواد اصلی تشکیل دهنده فایبر گلاس، الیاف شیشه و رزین هستند که بر روی قالب های تهیه شده به حالت لایه لایه قرار می گیرد. در کاربردهای صنعتی کامپوزیت فایبر گلاس با نام های زیر نیز معروف شده است.

(GRP(Glass Reinforced Plastics یا جی آر پی

(FRP(Fiber Reinforced Plastics Polymer یا اف آر پی

در قطعه فایبرگلاس و به طور کلی کامپوزیت، دو بخش رزین و الیاف، هر کدام یک نوع تنش و نیرو را تحمل می کنند. رزین وظیفه تحمل تنش فشاری را بر دوش دارد و الیاف شیشه سبب بالا رفتن مقاومت کششی قطعه می شود. قطعه های فیبر کربن(فایبرکربن) از نوع های دیگه کامپوزیت ها است که در آن الیاف کربن جایگزین الیاف شیشه خواهد شد.

پارادایم استفاده از دو ماده متفاوت برای افزایش استحکام، در اطراف ما زیاد دیده می شود. مثلا در صنعت ساختمان، بتن مسلح از همین قانون استفاده می کند. بتن عنصر تحمل کننده فشار و میلگرد المان تحمل کننده کشش است.

الیاف فایبرگلاس(الیاف شیشه)

الیاف مورد استفاده در تولید قطعات فایبر گلاس به دو نوع سوزنی و الیاف حصیری تقسیم می شود.

الیاف حصیری فایبرگلاس

لایه حصیری به نام دلیل افزایش استحکام در ساختار قطعات فایبر گلاس شناخته می شود. استفاده از الیاف حصیری در قالب، نیاز به زمان و دقت زیاد دارد . همینطور حال الیاف حصیری بخاطر تراکم بالا، وزن قطعات را زیاد میکند و همینطور قیمت آن در مقایسه به پارچه سوزنی بالاتر خواهد بود. دلیل استحکام بیشتر قطعه های که با الیاف شیشه حصیری ساخته می شوند، نوع بافت این نوع لایه است که به صورت تار و پود در هم تنیده شده اند. به همین دلیل است که الیاف حصیری در برابر تنش کششی مقاومت بیشتری دارد.

الیاف سوزنی فایبرگلاس(FRP)

استفاده از پارچه سوزنی سبب کم شدن وزن قطعه کامپوزیت می شود. الیاف حصیری نسبت به الیاف فایبر سوزنی از وزن و استحکام بیشتری برخوردارند اما از نظر قیمت گرانتر هستند.

ما در تولید قطعه و قالب فایبر گلاس با کیفیت، از ترکیب الیاف حصیری و سوزنی استفاده می کنیم تا به اضافه ی افزایش استحکام، وزن قطعه فایبر نیز سبک بوده و قیمت مناسبی داشته باشد.

خواص فیزیکی و مشخصات مکانیکی فایبرگلاس

تنش تسلیم و استحکام قطعات فایبر گلاس با دقت به مدل رزین و الیاف مورد استفاده، از 150 تا 300 مگاپاسکال تغییر می کند. جرم حجمی(چگالی) فایبرگلاس، بین 1600 تا 2200 کیلوگرم بر متر مکعب است. کالای تولید شده با فایبرگلاس در برابر نفوذ آب مقاوم است و همینطور حال نور مستقیم آفتاب و حرارت بر روی آن تاثیر منفی ندارد. سطح قطعات فایبرگلاس می تواند کاملا صیقلی باشد و به رنگ دلخواه مشتری درست شود. با استفاده از رزین مناسب می توان قطعه فایبرگلاس را در مقابل خوردگی اسیدی و قلیایی مقاوم کرده است . البته تمام این موارد در صورتی امکان پذیر است که تولید کننده از رزین باکیفیت و بدون فیلر(پودر کربنات کلسیم) استفاده کند.

فایبرگلاس تا چه دمایی می تواند تحمل کند؟

سوالی که برای خیلی از افراد مطرح می شود این است که قطعه فایبرگلاس در محیطی تا چند درجه سانتیگراد می تواند کار کند؟ به طورعادی اگر طراحی و تولید قطعه فایبرگلاس به حالت اصولی انجام شود، می تواند تا 80 درجه سانتیگراد را به اسانی تحمل کند. اما این به شرطی است که تولید کننده فایبرگلاس از رزین خالص و با کیفیت استفاده کند و برای ارزان شدن قالب یا بدنه فایبر، فیلر یا پودر کربنات کلسیم داخل آن نریزد.

اگر شما بخواهید فن فایبرگلاس یا بدنه کامپوزیت خاصی درست کنید، ما می توانیم با استفاده رزین های خاص، امکان تحمل حرارت تا 120 درجه سانتیگراد را نیز اماده می کنیم. شفاف است که در شرایط خاص دمایی، قیمت قطعه کامپوزیت بیشتر خواهد شد.

رزین مورد استفاده در تولید قطعه فایبرگلاس

همچنین که گفتیم وظیفه رزین در قطعات فایبر گلاس پر کردن منافذ و افزایش استحکام فشاری است. استحکام کششی محصول فایبرگلاس را هم الیاف کامپوزیت تامین می کنند. همینطور رزین با پر کردن منافذ و حفره ها از نفوذ آب و مایعات به داخل قطعه هم جلوگیری می کند. انواع رزین قابل استفاده در ساخت فایبرگلاس عبارتند از : رزین پلی استر، رزین ونیل استر و رزین اپوکسی.

رزین پلی استر(شامل رزین ایزو فتالیک و رزین ارتو فتالیک)

رزین ‌های پلی استر غیر اشباع به صورت پراکنده ای در کل دنیا استفاده می شوند. رزین پلی ‏استری شامل دو نوع ارتوفتالیک و ایزوفتالیک است. درصد بالایی از رزین پلی استر غیر اشباع مصرفی در صنعت کامپوزیت و فایبرگلاس، از نوع رزین پلی استر غیر اشباع ارتو فتالیک است.

رزین ایزوفتالیک در مقایسه به رزین ارتوفتالیک دارای مقاومت بالاتری نسبت به خوردگی است و عمر بالاتری در تماس با مواد شیمیایی و آب دارد اما قیمت آن نسبت به رزین ارتوفتالیک بالاتر هست.

این در حالی است که رزین ارتوفتالیک در صنعت فایبرگلاس ویژگی بیشتری داشته و قیمت مناسبی هم دارد.

قطعات فایبرگلاس ساخته شده با رزین پلی استر و الیاف شیشه در صنعت بسیار مورد استفاده قرار می گیرند. محصول کامپوزیت که با رزین پلی استر ساخته شده باشد می تواند تا دمای حدود 200 درجه سانتیگراد مقاومت کند. ولی قرار گرفتن همیشه ی قطعه فایبرگلاس با رزین پلی استر در این دما، باعث صدمه دیدن آن و کاهش استحکام قطعه خواهد شد. در عین حال بخاطر طبیعت قطبی ساختار پلیمری، استفاده از قطعات فایبرگلاس ساخته شده با رزین پلی استر در نزدیکی وسایل الکتریکی با فرکانس بالا محدودیت دارد.

رزین اپوکسی در تولید کامپوزیت و فایبرگلاس

رزین‌ اپوکسی به اسم رزین ‌اپوکسید هم شناخته می‌شود. خصوصیت خاص این نوع رزین داشتن بیش از یک گروه epoxy در ساختار مولکولی است. این گروه ممکن است در بدنه زنجیر باشد ولی قاعدتا در اخر قرار دارد.

رزین اپوکسی در شرایط پخت، میزان کمتری تغییر اندازه در مقایسه با بقیه ی رزین ها دارد و به اصطلاح شرینکیج(Shirinkage) آن کمتر است. به همین دلیل قطعه ساخته شده از رزین اپوکسی، وقتی از قالب فایبرگلاس خارج می شود، تلورانس دقیقتری خواهد داشت. رزین اپوکسی دارای خصوصیت های زیر است:

– مقاومت شیمیایی عالی (بویژه در محیط قلیایی)
– استحکام کششی، فشاری و خمشی بسیار بالا
– پایداری ابعادی و شرینکیج بسیار کم
– عایق عالی الکتریسیته و برق
– دوام بالا و تحمل شرایط سخت محیطی
– قابلیت پخت در دماهای مختلف
– مقاومت خستگی بسیار بالا

به همین علت با وجود بالاتر بودن قیمت رزین اپوکسی، این رزین در ساخت بعضی از قطعات فایبرگلاس که کاربری نظامی و هوایی دارد(مانند پهباد، هواپیما، چره های توربین باد) مورد استفاده قرار می گیرد.

رزین وینیل استر 

وینیل استر محصول واکنش رزین‌ اپوکسی با اسید های غیر اشباع اتیلنی است. رزین وینیل استر ویژگی چقرمگی و مقاومت شیمیایی بسیار بهتری نسبت به رزین‌های پلی استر دارد. زنجیر اصلی اپوکسی سازنده وینیل استر، باعث پیدایش چقرمگی و ازدیاد طول کششی بالاتر می‌شود. رزین‌ وینیل استر نسبت به پلی استرهای غیر اشباع مقاومت شیمیایی خوبی دارد.

در شرایطی که وضعیت اسیدی بودن و قلیایی بودن محیط – PH – از مدل عادی خارج شود نیازمند بررسی مقاومت هر یک از این مدل رزین ها در آن حالت ویژه است. اضافه بر موارد فوق، با اضافه کردن ادتیو – افزودنی های خاص می توان قطعه کامپوزیت فایبر را در مقابل شعله و حریق نیز مقاوم کرد .

نمونه سازی از قطعه فایبر و نقش آن در ساخت قالب

برای اینکه یک قالب فایبر بسازیم، ابتدا باید یک نمونه از قطعه نهایی را به روش نمونه سازی سریع یا Rapid prototyping، درست کنیم.

هنر اصلی ما و قالب سازهای حرفه ای، این است که می توانیم نمونه اولیه قطعه های پیچیده صنعتی را با استفاده از چوب (یا فرم) و با توجه خیلی زیاد تولید کنیم. این مهارت سبب می شود که قیمت قالب قطعه فایبرگلاس(کامپوزیت) اقتصادی باشد و تایم ساخت آن هم کوتاه شود.

البته اگر ابعاد قطعه خیلی بزرگ نبوده و از نگاه هندسی پیچیدگی قطعه زیاد نشود، استفاده از سی ان سی CNC چوب هم می تواند در ساخت قالب کمک کند. استفاده کردن از چوب برای محصول بزرگ مثل پره توربین، قطعه های تزئینی دکوراسیون، قطعات بدنه دستگاه کاربرد دارد. البته تکنولوژی پرینتر های سه بعدی کمک می کند، قطعاتی با متراژ کوچک و متوسط را(تا طول 50 سانتیمتر) با این روش نمونه سازی کنیم.

کیفیت نمونه اولیه و رعایت اندازه ها و تلورانس های تولید، تاثیر زیادی در استاندارد بودن قالب و دقت محصول نهایی کامپوزیت خواهد داشت.

شرینکیج و تغییر طول در قطعه فایبرگلاس و قالب کامپوزیت 

کلمه شیرینکیج(Shirinkage) یک معنی خیلی مهم در تولید محصول کامپوزیت الخصوص فایبرگلاس است. شیرینکیج به معنای اختلاف اندازه و ابعاد در یک قطعه، در مقایسه به اندازه قالب، پس از تمام شدن مراحل تولید است. در واقعیت در فرآیندهای تولید مثل تزریق پلاستیک، ریخته گری و تولید کامپوزیت، اندازه هندسی قطعه زمانی که از قالب خارج می شود، با اندازه اولیه آن فرق های کمی دارد. دلیل این مساله حرارت و فرآیندهای شیمیایی در زمان پروسه تولید است. در قطعه های FRP که با رزین پلی استر ساخته می شود مقدار شرینکیج فایبرگلاس تقریبا 6 درصد حجمی است. این وقتی است که Shirinkage قطعات ساخته شده با رزین اپوکسی تقریبا 3% حجمی است. با این حرفا معلوم است که در تایم ساخت قالب فایبرگلاس برای تولید قطعه، باید حتما اندازه صحیح شرینکیج در نظر گرفته شود تا قطعه از نظر ابعاد و اندازه مشکلی نداشته باشد.

بیشترین کاربرد فایبرگلاس و قطعات کامپوزیت الیاف شیشه در برج خنک کننده، مرتبط به بدنه و پنل کولینگ تاور، ستون و فن استک صنعتی است. در مراحل تولید قالب فایبرگلاس، اول مدل سه بعدی قطعه را توسط نرم افزار های مدلسازی درست می کنیم. بعد از آن مدل فیزیکی قطعه مورد نظر را تولید می کنیم و در اخر از روی قطعه مورد نظر، قالب کامپوزیت ساخته می شود. این روش مربوط به وضعیتی است که در آن نمونه قطعه مورد نظر به طور فیزیکی وجود نداشته باشد.

اگر نمونه ای از قطعه فایبرگلاس که می تواند پره، بلید، قسمتی از بدنه، فن استک، فن بل و غیره باشد، وجود فیزیکی داشته باشد یا آسیب دیده و سوخته باشد، اول باید نمونه قطعه فایبر را بازسازی می کنیم و بعد از خشک شدن، قالب فایبرگلاس از روی نمونه بازسازی شده ساخته می شود.

کاربرد های مختلف محصولات FRP, GRP و کامپوزیت فایبر در صنعت

از قالب فایبرگلاس و قطعه های کامپوزیت در قسمت های مختلف استفاده می شود. دلیل کاربرد بالای این قطعات، وزن کم، استحکام زیاد، مقاومت در برابر رطوبت و زنگ زدن، شرایط تولید قطعه های پیچیده و بزرگ مثل فن فایبرگلاس و پره توربین با قیمت قالب خوب و زمان تقریبا کوتاه نمونه سازی و ساخت قالب است. بعضی از کاربرد های قطعات فایبرگلاس در صنعت عبارت است از :

– تولید بدنه کولر صنعتی و برج خنک کننده

– تولید قالب و بدنه پره توربین با فایبر

– ساخت قطعه و قالب فایبرگلاس برای استفاده در دکوراسیون

– تولید کابین های خاص کامپوزیت

– مهندسی معکوس و تولید پره های کامپوزیت فایبر

– تولید قطعات صنایع نظامی و خودرو

کاربردهای قطعه فایبرگلاس

فایبرگلاس و کامپوزیت در دکوراسیون داخلی، معماری و عمران

یکی دیگر از مهمترین کاربردهای قطعات کامپوزیت و فایبرگلاس می توانیم به دکوراسیون داخلی و خارجی، ساخت بناها و نماهای متفاوت و کاربردهای عمرانی اشاره کنیم. مثلا وقتی شما یک سازه با هندسه ای خاص و متفاوت طراحی کرده اید، برای ساختن بعضی از بخش ها امکان این وجود دارد که از کامپوزیت و فایبرگلاس استفاده کنید. قطعات فایبرگلاس به دلیل وزن کم، قیمت مناسب، شرایط تولید در تیراژ پایین و مقاومت در مقابل باد، باران، نور خورشید و تغییر درجه حرارت، یکی دیگر از بهترین گزینه ها هستند. نگفته باقی نماند که استفاده از نمای فایبرگلاس، بیشتر در پروژه های لوکس مسکونی و تجاری کاربرد دارد و یک کار تقریبا گران قیمت به شمار می آید. در تصویر زیر دو نمونه از نماهای ساخته شده با فایبرگلاس برای ساختمان های خاص و لاکچری را میبینید .