دانلود تحقیق فرآوری کامپوزیت

فرآوری کامپوزیت ها
فرآیند تولید کامپوزیتها، علم تغییر شکل به شکل دیگر است.

چون در کامپوزیتها دو یا چند ماده مختلف وارد می شود، لذا روشهای تولید کامپوزیتها با فرآیند تولید فلزات بسیار متفاوت است.

روشهای گوناگونی برای تولید انواع مختلفی از مواد مسلح کننده و رزین ها وجود دارد.

کار مهندس تولید،‌ انتخاب صحیح فرآیند تولید و تعیین شرایط تولید با توجه به قابلیت کار آیی مناسب، سرعت تولید و قیمت تجهیزات مورد استفاده است.

مهندس باید قضاوت درستی در انتخاب فرآیند داشته باشد تا با کمترین هزینه بهترین کار را به انجام برساند.

برای این کار مهندسین باید اطلاعات مفیدی از مزایا،‌ معایب و محدودیتهای هر فرآیند داشته باشند.

این کتاب، روشهای مختلف ساخت را که معمولاً در تولید کامپوزیتهای ترموست و ترموپلاستیک به کار می روند و نیز شرایط تولید، مراحل ساخت، محدودیتها و مزایای هر




( شکل 4-1) خواص فشردگی کامپوزیتهای ترموپلاستیک مسلح شده با الیاف شیشه ای بلند(LG) و کوتاه(SG).

درصد وزنی الیاف در انتهای اسم کامپوزیت بصورت دو رقمی نوشته شده است.

روش تولید را بررسی می کند.

در شکل (5-1)، روشهای ساخت کامپوزیتها که در صنایع کامپوزیت رایج است،‌طبقه بندی شده است.

این روشها در فصل 6 توضیح داده شده اند.

ساخت محصولات کامپوزیتی
محصولات کامپوزیتی با تغییر شکل مواد اولیه به شکل نهایی توسط یک فرآیندهای ساخت مشروح در بخش (6-1) تولید می شوند.

محصولاتی که بدین گونه ساخته می شوند، ابتدا ماشین کاری می شوند و سپس متناسب با کاربرد لازم به بقیه ی اجزا متصل می گردند.

ساخت محصول نهایی به چهار مرحله ی زیر تقسیم می شود:
1) شکل دهی: در این مرحله، مواد اولیه به شکل و اندازه خاص تبدیل می شوند.

عمل شکل دهی معمولاً تحت فشار و حرارت انجام می شود.

تمامی روشهای ساخت کامپوزیت ها در بخش (6-1)، در این گروه قرار دارند.

عملیات شکل دهی کامپوزیت ها در فصل 6 بطور کامل و همراه با جزئیات شرح داده شده است.

2) ماشین کاری: عملیات ماشین کاری برای حذف مواد اضافی یا غیر مطلوب بکار می رود.

عملیات سوراخ کاری، تراش کاری، برش کاری و سنگ زنی در این گروه قرار دارند.

ابزار و شرایط لازم برای عملیات ماشین کاری کامپوزیت ها نسبت به فلزات متفاوت است.

ماشین کاری کامپوزیت ها در فصل 10 بررسی شده است.

3) اتصال و مونتاژ: انجام اتصال و مونتاژ اجزاء بمنظور بستن ( جفت کردن) اجزای مختلف به یکدیگر برای تولید محصول با کیفیت مطلوب انجام می گیرد.

اتصالات چسبی، ذوبی، اتصالات مکانیکی و ...

معمولاً برای مونتاژ قطعه بکار می رود.

عملیات مونتاژ وقت گیر و گران قیمت است، لذا سعی می شود تا حد امکان برای کاهش قیمت محصول ‌مرحله مونتاژ و اتصال اجزاء‌حذف شود.

همانطوریکه کاملاً‌ در فصل 5 توضیح داده شده است، این عمل بوسیله یکپارچه شدن اجزاء امکان پذیر است.

عملیات اتصال و مونتاژ که برای
4) شکل دهی محصولات کامپوزیتی به کار می روند، در فصل 9 توضیح داده است.

5) پرداخت کاری: عملیات پرداخت به دلایل مختلفی از قبیل: به سازی ظاهر محصول، حفاظت محصول در برابر آسیب محیطی، بوجود آوردن یک پوشش مقاوم به سایش و یا یک پوشش فلزی شبیه به فلز صورت می گیرد.

شرکتهای تولید کننده چوب گلف، به منظور بهبود ظاهر و زیبا شدن نمای چوب گلف، از چوبهای کامپوزیتی روکش دار و رنگ دار استفاده می کنند.

لازم نیست که تمامی عملیات ذکر شده در بالا در یک شرکت تولیدی انجام شود.

بعضی مواقع محصولی که در یک شرکت ساخته می شود برای انجام عملیات بعدی به شرکتی دیگر فرستاده می شود.

به عنوان مثال: شفت اتومبیل که د ریک شرکت میل لنگ سازی ساخته می شود، برای مونتاژ بر روی محصول نهایی، به شرکت سازنده اتومبیل (خط 1 یا خط 2) فرستاده می شود و سپس به شرکتهای سازنده تجهیزات اصلی فروخته می شود.

در بعضی موارد، محصولاتی از قبیل: چوبهای گلف، راکتهای تنیس، قلابهای ماهیگیری و ...

در یک شرکت ساخته شده و سپس مستقیماً به توزیع کننده برای استفاده مصرف کننده فرستاده می شوند.

(جدول 2-1ا حداکثر دمای استفاده مداوم برای کامپوزیتهای ترموست و ترموپلاستیک مختلف ___________________________________________________ - بازارهای کامپوزیت ( تجارت کامپوزیت ) دلایل زیادی برای افزایش کاربرد کامپوزیت ها وجود دارد.

ولی انگیزه اصلی برای استفاده از محصولاتی که از کامپوزیتها ساخته می شوند، محکمتر و سبکتر بودن این محصولات است.

هم اکنون تمامی صنایع از مزایای کامپوزیت ها آگاهی دارند و مشکل است بتوان صنعتی را پیدا کرد که از این فواید اطلاع نداشته باشد.

امروزه صنایع حمل و نقل مصرف کنندگان اصلی کامپوزیتها هستند.

بطوریکه در سال 2000 میلادی بالغ بر 3/1 میلیون پوند کامپوزیت به مصرف رسانده اند.

مواد کامپوزیتی در بسیاری از صنایع استفاده می شود.

در سه یا چهار دهه گذشته، تغییرات بنیادی در فناوری کامپوزیت ها و نیازهای آن صورت گرفته است.

این تغییرات محیطی، ‌نیازها و فرصتهای جدیدی را بوجود آورد که تنها با پیشرفت در مواد جدید و بکارگیری فناوری پیشرفته امکان پذیر است.

( شکل 5-1) طبقه بندی روشهای تولید کامپوزیتها در دهه گذشته،‌ روشهای پیشرفته ی ساخت مواد و سیستم ها و دستگاه های مربوط به کامپوزیت ها رشد چشمگیری داشته اند تا نیازهای بازارهای مختلف را بر طرف سازند.

با توجه به مزایا و سوددهی این صنعت،‌ بسیاری صنایع بر روی کامپوزیت ها سرمایه گذاری کرده اند.

توسعه و افزایش استفاده از کامپوزیت ها به دلیل کاهش قیمت الیاف و کاهش هزینه های مربوط به روشهای ساخت خودکار ( اتوماتیک ) و روشهای تولید انبوه بوده است.

بعنوان مثال،‌ قیمت الیاف کربن از150 دلار بر پوند در سال 1975 به 8 دلار بر پوند در سال 2000 کاهش یافت.

این کاهش قیمت به دلیل توسعه ی روشهای تولید کم هزینه و افزایش مصرف صنایع صورت گرفته است.

در پایان ،‌می توان بازارهای فروش مواد کامپوزیتی را به گروههایی از قبیل: صنایع هواپیما سازی‌، صنایع اتومبیل سازی، ساختمان سازی، صنایع دریایی، سازندگان تجهیزات مقاوم به خوردگی، سازندگان کالاهای مصرفی، تجهیزات کاربردی، تجاری و غیره طبقه بندی کرد.

در شکل (6-1)، بازارهای فروش مواد کامپوزیت در آمریکا را در سالهای 1999 و 2000 نشان می دهد.

صنعت هواپیما سازی صنعت هواپیما سازی از نخستین صنایعی بود که مزایای استفاده از کامپوزیتها را درک کرد.

به کمک کامپوزیت ها هواپیماها، موشکها و پرتابه ها سریعتر و مسافت طولانی تری را پرواز کردند.

معمولاً کامپوزیت های با الیاف شیشه ای، کربن و کولار برای ساخت قطعات هواپیما طراحی می شوند.

عموماً‌ صنعت هواپیما سازی از کامپوزیت هایی با الیاف کربن به دلیل ویژگی برجسته و کارآیی بالا استفاده می کند.

روش لایه گذاری دستی یک روش عمومی برای ساخـت قطعات هواپیما است.

همچنــین از روشــهای RTM و تابیدن تارها استفاده می شود.

در سال 1999، صنعت هواپیما ساز ی23 میلیون پوند کامپوزیت مصرف کرد.

همانگونه مکه در شکل (6-1) نشان داده شده، در هواپیماهای نظامی از قبیل: F-11 ، F-14، F-15و F-16 جهت کاهش وزن بدنه هواپیما از کامپوزیت ها استفاده شده است.

قطعات کامپوزیتی که در هواپیماهای چنگی فوق الذکر استفاده می شوند،‌ عبارتند از دم های افقی و عمودی، ‌رویه بال، جعبه های بالابر،‌ درب هاو قطعات بدنه هستند که در جدول (3-1) نشان داده شده اند.

استفاده از قطعات فوق الذکر باعث کاهش 20% تا 35% وزن کلی هواپیما می شود.

کاهش وزن در هواپیماهای جنگی و موشکها باعث افزایش ظرفیت حمل بار می شود.

شکل (7-1) کامپوزیت های مورد استفاده در بدنه ی هواپیماهای تجاری‌، و شکل (8-1) کامپوزیت های مورد استفاده در بدنه هواپیماهای جنگی را نشان می دهد.

همچنین قطعات کامپوزیتی مورد استفاده در موتور جت هواپیمای نظامی و ماهواره ها به ترتیب در شکلهای (9-1) و (10-1) نشان داده شده است.

سبکی و تلرانس ابعادی قطعات مورد استفاده در صنایع هواپیمایی از دلایل اصلی کاربرد کامپوزیـت ها در این صنعت است.

در لایـه های پاییـن جو ( LEO) ، جائیکه تغییرات دما بین C 100- تا C 100+ است،‌ برای محافظت از بدنه و عکس العمل سایر اجزاء باید پایداری ابعادی وجود داشته باشد.

کامپوزیت اپوکسی کربن بصورت ورقه ای طراحی می شود تا ضریب انبساط حرارتی اجزاء و قطعات به صفر برسد.

در شاتل فضایی، کامپوزیت ها باعث کاهش وزنی معادل 2688پوند در این سفینه شدند.

در هواپیماهای مسافری مثل بویینگ 747 و767، برای کاهش وزن هواپیما،‌ کاهش مصرف سوخت و افزایش ظرفیت حمل بار از قطعات کامپوزیتی استفاده می شود.

کامپوزیت های مورد استفاده در این هواپیماها در جدول (3-1) آمده است.

صنعت اتومبیل سازی (خودرو) (شکل6-1) کامپوزیتهای مصرف شده در صنایع مختلف در سال1999 و پروژه های انجام شده در سال 2000 (جدول 3-1) قطعات کامپوزیتی مورد استفاده در هواپیما مواد کامپوزیتی به عنوان یک "ماده منتخب" در بعضی کاربردهای صنعت اتومبیل سازی،‌به دلیل داشتن سطح نهایی مرغوب به کار می روند.

سازندگان اتومبیل با استفاده از کامپوزیتها قادر هستند، ظاهر، قیمت و کارآیی اتومبیل را به نحو مطلوب تغییردهند.

امروزه استفاده از بدنه های از جنس کامپوزیت، در همه نوع اتومبیل از اتومبیلهای ورزشی و اتومبیلهای مسافربری گرفته تا کامیون های سنگین،‌ متوسط و کوچک موفقیت آمیز بوده است.

بطوریکه در سال 2000 میلادی، صنایع اتومبیل سازی 318 میلیون پوند کامپوزیت به مصرف رساند.

چون بازارهای اتومبیل نسبت به قیمت بسیار حساس هستند، کامپوزیتهای با الیاف کربن به دلیل قیمت بالای مواد آنها هنوز قابل قبول نیستند.

در صنایع اتومبیل سازی از کامپوزیتهای مسلح شده با الیاف شیشه ای استفاده می شود.

د ر جدول (4-1) مقدار متوسط کامپوزیتهای مصرف شده در اتومبیل با نوع ماده زمینه و روشهای ساخت آنها آمده است.

قطعات کامپوزیتی هواپیماهای تجاری (شکل 7-1) اجزای کامپوزیتی معمول مورد استفاده در هواپیمای تجاری صنعت کالاهای ورزشی وسایل ورزشی و تفریحی مصرف کنندگان اصلی مواد کامپوزیتی هستند.

علت افزایش میزان مصرف کامپوزیتها در وسایل ورزشی و قایقها ی مسابقه ای کارآیی فوق العاده آنها است.

اگر از یک فروشگاه وسایل ورزشی بازدید کنید،‌ حتماً‌ محصولاتی نظیر چوبهای گلف، ‌راکتهای تنیس، اسکی های روی برف، قلابهای ماهیگیری و ...

در آنجا نخواهید دید، این وسایل مواد کامپوزیتی ساخته شده اند.

اینگونه کالاها سبکتر هستند و کارآیی بیشتری دارند و باعث می شود که مصرف کننده آن را بهتر در دست گرفته و در استفاده از آن راحت تر باشد.

قطعات کامپوزیتی هواپیماهای جنگی ( شکل 8-1) اجزا ی کامپوزیتی معمول مورد استفاده در هواپیمای نظامی اجزای موتور (شکل 9-1) اجزای کامپوزیتی معمول مورد استفاده در هواپیمای نظامی قطعات کامپوزیتی در ماهواره (جدول 4-1) مقدار متوسط مصرف مواد کامپوزیتی در صنایع ماشین سازی در سال 1988 تا 1993 هزینه تمامی کالاهای ورزشی مصـرفی در آمریکا در سال 1999 (شامل گلـف، هاکی، بسکتبال، بیس بال، تنیس و ...) که توسط شرکت سازنده ی کالاهای ورزشی (نورس پالم بیچ، فلوریدا) گزارش شده است، حدود 33/17 میلیارد دلار تخمین زده شده است.

بازار وسایل نقلیه تفریحی (از قبیل دوچرخه، موتور سیکلت، قایق تفریحی، قایق موتوری، دوچرخه ی آبی اسنومبیل و RVS ) که 37/17 میلیارد دلار تخمین زده شده، د ر سال 1998 بالغ بر 39/15 میلیارد دلار بوده است.

فروش کلی گلف د ر سال 1999، 66/2 میلیارد دلار شامل توپها، چوب گلف و ...

بوده است.

یک سوم آن مربوط به چوبهای گلف است.

هزینه های مربوط به هاکی و اسکیت روی یخ 225 میلیون دلار، تخته های برفی 183 میلیون دلار،‌ و اسکی روی برف 303 میلیون دلار تخمین زده شده است که همگی د ر سال 1999 به فروش رسیده اند.

هیچگونه آماری واقعی در دست نیست که بیان کند در کالاهای ورزشی ذکر شده چه مقدار کامپوزیت مصرف شده است.

در آمریکای شمالی سالانه 6 میلیون چوب هاکی از جنس کامپوزیت ساخته می شود، این رقم 1% تا 3% بازار کامپوزیت را شامل می شود.

( میزان خرده فروشی چوبهای هاکی 60 تا 150 دلار است ).

د ر سال 1990، فروش " شرکت تجارتی کایت سانفرانسیسکو " حدود 215 میلیون دلار تخمین زده شده است که عموماً ‌محصولاتشان با تیوپهای کامپوزیتی پیچیده شده رولی یا تیوپهای کامپوزیتی پولترود ساخته شده اند.

مصرف بدنه و اجزای کامپوزیتی در دوچرخه ها حدود نیم میلیون قطعه یا حدود 600000 پوند از ماده جهانی را نشان میدهد،‌ که قیمت آن معادل 3000 تا 5000 دلار به ازای هر واحد است.

4-8-1 کاربردهای دریایی بدلیل مقاومت به کامپوزیت ها، این مواد در قایق های مسافربری، قایقهای قدرتی،‌ گوی های شناور و ...

استفاده می شوند.

وزن کم کامپوزیتها باعث کاهش مصرف سوخت، افزایش سرعت مسافرتهای دریایی و افزایش ظرفیت حمل بار می شود.

قسمت عمده این کامپوزیتها با استفاده از پلاستیکهای مسلح شده بوسیله ی شیشه (GRP) که درون قطعه بشکل حبابهای ریز شش گوش است،‌ ساخته می شوند.

بر اساس گزارشی که صنعت دریایی از 361 بازار فروش تهیه کرد ، حدود 70% اجزای قایقهای تفریحی از مواد کامپوزیتی ساخته شده است.

بر طبق این گزارش فروش سالیانه قایق های خانگی در آمریکا 85/8 میلیارد دلار و میزان فروش کامپوزیت مصرفی در صنعت کشتی سازی جهان 620 میلیون پوند در سال 2000 تخمین زده شده است.

همچنین از کامپوزیت ها برای ساخت لوله های مصرفی در دریا برای استخراج گاز و نفت استفاده می شوند.

انگیزه اصـلی استفاده از کامپوزیتهای GRP برای کاربـردهای فوق الذکر، کاهش هزینه های نگهداری و کاهش هزینه ی نصب و نیز مقاومت به خوردگی و کارآیی مکانیکی است.

مزیت دیگری که استفاده از اتصالات چسبی نسبت به جوشکاری دارد این است که نیاز به کار گرم قطعات را به حداقل می رساند.

5-8-1 کالاهای مصرفی کامپوزیتها بطور وسیع در کالاهای مصرفی از قبیل: ماشینهای دوزندگی، درها، تیوپهای حمام ،‌ میزها، صندلیها، رایانه ها، چاپگرها و ...

مهمترین و عمده ترین کامپوزیتهایی که در این رابطه استفــاده می شوند، کامپوزیـتهای ساخـته شده با الیاف کوتاه از طریق روش ریخته گری مثل ریخته گری تحت فشار، ‌ریخته گری تزریقی،‌ RTM و SRIM هستند.

6-8-1 صنعت ساختمان سازی صنعت ساختمان سازی و شهر سازی دومین مصرف کنندگان مهم کامپوزیتها هستند.

معماران و مهندسین ساختمان متفق القول هستند که در آینده، سازه های ساخته شده در امریکا،‌ مخصوصاً‌ پلهای موجود در راههای اصلی وضعیت بدی خواهند داشت.

بطوریکه بر اساس اسناد " اداره مرکزی راه و ترابری امریکا " ، 42% از پلهای محلی احتیاج به مرمت دارند و بقیه متروک می گردند.

دولت مرکزی تقریبا 87 میلیارد دلار بودجه در 20 سال آینده صرف نوسازی ساختمانها نموده است.

انگیزه اصلی استفاده از پلاستیـک های مسلح شده با شیشه و کربن برای پلــها،‌ کاهش هزینه های نصب ،‌ تعمیر و نگهداری و افزایش طول عمر و بهبود مقاومت به خوردگی و دوام پلها است.

از طرف دیگر، ‌به دلیل نصب و تعمیر سریع، ترافیک در جاده ها و معابر به حداقل خود می رسد.

استفاده کامپوزیتهایی از قبیل : کامپوزیتهای اپوکسی / شیشه،‌ اپوکسی / کربن، و آرامید/ اپوکسی در مطالعه زمین لرزه و مسائل مربوط به زلزله علاوه بر رشد چشمگیر آن ،‌ بسیار موفقیت آمیز بوده است.

7-8-1 کاربردهای صنعتی استفاده از کامپوزیتها در کاربردهای صنعتی مختلف توسعه یافته است.

از کامپوزیتها در ساخت غلتکهای صنعتی و شفتها برای صنعت چاپ و شفتهای متحرک صنعتی برای برجهای خنک کننده استفاده می شود.

بکارگیری کامپوزیتها با الیاف بافته (در هم رفته) برای موارد فوق الذکر بسیار مفید است.

کامپوزیتهای ساخته شده با الیاف کوتاه به روش ریخته گری تزریقی ، ‌ در پیستونها، غلتک، پمپها و بوشها کاربرد دارند.

همچنین از کامپوزیتها برای بهبود سختی، زمان پاسخگویی و کاهش استهلاک در ساختن بازوهای روبات استفاده می شود.

9-1 موانع موجود د ربازارهای کامپوزیت در بعضی مواقع، نخستین مانع در استفاده از کامپوزیتها، قیمتهای زیاد آنها در مقایسه با مواد معمولی است.

صرف نظر از تاثیری که یک ماده در طول عمر محصول دارد،‌ در صنعت ابتدا قیمت ماده اولیه زمانیکه طول عمر محصول زیاد مهم نیست، در نظر گرفته مس شود.

این قیمت بالا باعث می شود که تحقیقات بر روی ماده جدیدتری انجام بگیرد.

بطور کلی هزینه ی فرآیند ساخت کامپوزیتها مخصوصاً در فرآیندهای لایه گذاری دستی بالاست.

در اینجا قیمت مواد اولیه کسر کوچکی از قیمت تمام شده ی محصول تشکیل می دهد.

شواهد نشان می دهد در آسیا، مکزیک و کره هزینه کارگر دقیقاً متناسب با هزینه نهایی تمام شده برای محصول است.

مانع بعدی بر سر راه استفاده از کامپوزیتها، مشکل بازیافت این مواد است.

با توجه به ظرفیت بالای تولید این محصولات در بازارها ( از قبیل صنایع ماشین سازی ) که ظرفیت تولید کامپوزیتها به میلیونها قطعه د ر سال می رسد که با قوانین زیست محیطی بین دولتها مغایرت دارد، لذا بازیافت مواد کامپوزیتی مانعی جهت استفاده از کامپوزیتها بوجود آورده است.

بازیافت کامپوزیتها در فصل 12 شرح داده شده است.

___________________________________________________________ موادحداکثر دمای استفاده مداوم(C)ترموست ها وینلی لستر پلی استر فنولیک اپوکسی سیانات استر بیس المید150-80 150-60 150-70 215-80 250-150 320-230ترموپلاستیک ها پلی اتیلن پلی پروپیلن استال نایلون پلی استر PPS PEEK تفلون80-50 75-50 95-70 100-75 120-70 220-120 250-120 260-200 قطعات کامپوزیتیجنگنده14-F دربها،‌ دمهای افقی، پوششهای آیرودینامیک، رویه های تثبیت کننده.جنگنده 15-F پرده ها، سکانها، دمهای عمودی ،‌دمهای افقی، ترمزها، رویه های تثبیت کننده.جنگنده 16- F دمهای عمودی و افقی، پره اصلی بال، رویه های روی جعبه پره عمودی.بمب افکن B-1 دربها، دمهای عمودی و افقی، بالها، راه های ورودیهواپیمای AV-8B دربها، سکانها، دمهای عمودی و افقی،‌ قسمتهای متحرک بال هواپیما، بال ها، پوششهای آئرودینامیک، ‌جعبه پره.بویینگ 737 لرزه گیرها، تثبیت کننده های افقی، بالها.بویینگ 757 دربها، سکانه ها، بالابرها، قسمتهای متحرک بال هواپیما، لرزه گیرها، بالـها، پوشـشهای آئرودینامیک.بویینگ 767 دربها، سکانه ها، بالابرها، قسمتهای متحرک بال هواپیما،‌ لرزه گیرها، پوششهای آئرودینامیک کاربردهامقدار استفاده (kg 10)مواد زمینهمقدار استفاده (kg 10)فرآیند ساختمقدار استفاده (kg 10)تیرهای ضرب گیر42پلی استر (TS )42SMC40صندلی/کف بار گذاری14پلی پروپیلن22GMT20کلاهک دودکش13پلی کربنات/ PBT10قالب گیری تزریقی13نگهدارنده رادیاتور4پلی اتیلن4قالب کیسه ای خارجی5سقف بدنه4اپوکسی4تارهای پیچیده شده3دیگر موارد11دیگر موارد7دیگر موارد8جمع کل89جمع کل89جمع کل89