نظرة عامة على تقنية النماذج الأولية السريعة للمواد المركبة

في الوقت الحاضر، هناك العديد من عمليات التصنيع لهياكل المواد المركبة، والتي يمكن تطبيقها على إنتاج وتصنيع الهياكل المختلفة.ومع ذلك، وبالنظر إلى كفاءة الإنتاج الصناعي وتكاليف الإنتاج لصناعة الطيران، وخاصة الطائرات المدنية، فمن الملح تحسين عملية المعالجة لتقليل الوقت والتكاليف.النماذج الأولية السريعة هي طريقة تصنيع جديدة تعتمد على مبادئ التشكيل المنفصل والمكدس، وهي تقنية نماذج أولية سريعة منخفضة التكلفة.تشمل التقنيات الشائعة القولبة بالضغط، وتشكيل السوائل، وتشكيل المواد المركبة بالحرارة.

1. العفن الضغط على تكنولوجيا النماذج الأولية السريعة
إن تقنية النماذج الأولية السريعة للقولبة هي عملية تضع الفراغات المعدة مسبقًا في قالب التشكيل، وبعد إغلاق القالب، يتم ضغط الفراغات وتصلبها من خلال التسخين والضغط.سرعة القولبة سريعة، وحجم المنتج دقيق، وجودة القولبة مستقرة وموحدة.إلى جانب تكنولوجيا الأتمتة، يمكنها تحقيق الإنتاج الضخم والأتمتة والتصنيع منخفض التكلفة للمكونات الهيكلية المركبة من ألياف الكربون في مجال الطيران المدني.

خطوات صب:
① الحصول على قالب معدني عالي القوة مطابق لأبعاد الأجزاء المطلوبة للإنتاج، ومن ثم تركيب القالب في المكبس وتسخينه.
② قم بتشكيل المواد المركبة المطلوبة في شكل القالب.يعد التشكيل المسبق خطوة حاسمة تساعد على تحسين أداء الأجزاء النهائية.
③ أدخل الأجزاء المشكلة مسبقًا في القالب الساخن.ثم قم بضغط القالب عند ضغط مرتفع جدًا، يتراوح عادة من 800 رطل لكل بوصة مربعة إلى 2000 رطل لكل بوصة مربعة (اعتمادًا على سمك الجزء ونوع المادة المستخدمة).
④ بعد تحرير الضغط، قم بإزالة الجزء من القالب وإزالة أي نتوءات.

مزايا صب:
لأسباب مختلفة، صب هو تكنولوجيا شعبية.جزء من سبب شعبيتها هو أنها تستخدم مواد مركبة متقدمة.بالمقارنة مع الأجزاء المعدنية، غالبًا ما تكون هذه المواد أقوى وأخف وزنًا وأكثر مقاومة للتآكل، مما ينتج عنه أجسام ذات خصائص ميكانيكية أفضل.
ميزة أخرى للقولبة هي قدرتها على تصنيع أجزاء معقدة للغاية.على الرغم من أن هذه التكنولوجيا لا يمكنها تحقيق سرعة إنتاج قوالب حقن البلاستيك بشكل كامل، إلا أنها توفر أشكالًا هندسية أكثر مقارنة بالمواد المركبة المصفحة النموذجية.بالمقارنة مع قولبة حقن البلاستيك، فهي تسمح أيضًا بألياف أطول، مما يجعل المادة أقوى.ولذلك، يمكن اعتبار القولبة بمثابة الحل الوسط بين قولبة حقن البلاستيك وتصنيع المواد المركبة المصفحة.

1.1 عملية تشكيل SMC
SMC هو اختصار للمواد المركبة التي تشكل الصفائح المعدنية، أي المواد المركبة التي تشكل الصفائح المعدنية.تتكون المواد الخام الرئيسية من خيوط SMC الخاصة، والراتنجات غير المشبعة، والمواد المضافة منخفضة الانكماش، والحشوات، والمواد المضافة المختلفة.وفي أوائل الستينيات، ظهر لأول مرة في أوروبا.وفي حوالي عام 1965، طورت الولايات المتحدة واليابان هذه التكنولوجيا على التوالي.في أواخر الثمانينات، قدمت الصين خطوط وعمليات إنتاج SMC متقدمة من الخارج.تتمتع SMC بمزايا مثل الأداء الكهربائي الفائق، ومقاومة التآكل، وخفة الوزن، والتصميم الهندسي البسيط والمرن.خصائصه الميكانيكية يمكن مقارنتها ببعض المواد المعدنية، لذلك يتم استخدامه على نطاق واسع في صناعات مثل النقل والبناء والإلكترونيات والهندسة الكهربائية.

1.2 عملية تشكيل BMC
في عام 1961، تم إطلاق مركب تشكيل صفائح الراتنج غير المشبعة (SMC) الذي طورته شركة Bayer AG في ألمانيا.في ستينيات القرن العشرين، بدأ الترويج لمركب القولبة السائبة (BMC)، المعروف أيضًا باسم DMC (مركب قولبة العجين) في أوروبا، والذي لم يتم تكثفه في مراحله الأولى (الخمسينيات من القرن الماضي)؛وفقا للتعريف الأمريكي، BMC هو BMC سميكة.بعد قبول التكنولوجيا الأوروبية، حققت اليابان إنجازات كبيرة في تطبيق وتطوير BMC، وبحلول الثمانينيات، أصبحت التكنولوجيا ناضجة للغاية.حتى الآن، كانت المصفوفة المستخدمة في BMC عبارة عن راتنجات البوليستر غير المشبعة.

BMC ينتمي إلى المواد البلاستيكية بالحرارة.بناءً على خصائص المواد، يجب ألا تكون درجة حرارة برميل المواد لآلة التشكيل بالحقن مرتفعة جدًا لتسهيل تدفق المواد.لذلك، في عملية التشكيل بالحقن لـ BMC، يعد التحكم في درجة حرارة برميل المادة أمرًا مهمًا للغاية، ويجب وجود نظام تحكم للتأكد من ملاءمة درجة الحرارة، من أجل تحقيق درجة الحرارة المثالية من قسم التغذية إلى قسم فوهة.

1.3 قولبة البولي سيكلبنتادين (PDCPD).
إن صب البولي سيكلبنتادين (PDCPD) هو في الغالب عبارة عن مصفوفة نقية بدلاً من البلاستيك المقوى.ينتمي مبدأ عملية صب PDCPD، الذي ظهر في عام 1984، إلى نفس فئة صب البولي يوريثين (PU)، وقد تم تطويره لأول مرة من قبل الولايات المتحدة واليابان.
حققت Telene، وهي شركة تابعة لشركة Zeon Corporation اليابانية (الموجودة في بوندو، فرنسا)، نجاحًا كبيرًا في البحث والتطوير لـ PDCPD وعملياتها التجارية.
تعتبر عملية صب RIM نفسها أسهل في التشغيل الآلي ولها تكاليف عمالة أقل مقارنة بعمليات مثل رش FRP أو RTM أو SMC.تكلفة القالب المستخدمة بواسطة PDCPD RIM أقل بكثير من تكلفة SMC.على سبيل المثال، يستخدم قالب غطاء المحرك Kenworth W900L غلافًا من النيكل وقلبًا من الألومنيوم المصبوب، مع راتينج منخفض الكثافة بثقل نوعي يبلغ 1.03 فقط، وهو ما لا يقلل التكاليف فحسب، بل يقلل أيضًا من الوزن.

1.4 التشكيل المباشر عبر الإنترنت للمواد المركبة البلاستيكية الحرارية المقواة بالألياف (LFT-D)
حوالي عام 1990، تم تقديم LFT (اللدائن الحرارية الطويلة المقواة بالألياف) إلى السوق في أوروبا وأمريكا.تعد شركة CPI في الولايات المتحدة أول شركة في العالم تقوم بتطوير معدات قولبة اللدائن الحرارية المقواة بالألياف الطويلة المركبة والتقنية المقابلة لها (LFT-D، Direct In Line Mixing).دخلت التشغيل التجاري في عام 1991 وهي رائدة عالميًا في هذا المجال.تقوم شركة Diffenbarcher، وهي شركة ألمانية، بالبحث في تكنولوجيا LFT-D منذ عام 1989. حاليًا، يوجد بشكل رئيسي LFT D، وLFT مصمم (الذي يمكنه تحقيق التعزيز المحلي بناءً على الضغط الهيكلي)، وLFT-D السطحي المتقدم (السطح المرئي، السطح المرتفع) الجودة) التقنيات.من منظور خط الإنتاج، فإن مستوى مطبعة Diffenbarcher مرتفع جدًا.يتمتع نظام البثق D-LFT الخاص بشركة Coperation الألمانية بمكانة رائدة على المستوى الدولي.

1.5 تكنولوجيا تصنيع الصب بدون قوالب (PCM)
تم تطوير PCM (تصنيع القوالب بدون صب) بواسطة مركز النماذج الأولية السريعة بالليزر بجامعة تسينغهوا.ينبغي تطبيق تكنولوجيا النماذج الأولية السريعة على عمليات صب رمل الراتنج التقليدية.أولاً، احصل على نموذج CAD للصب من نموذج CAD للجزء.يتم وضع ملف STL الخاص بنموذج CAD المصبوب في طبقات للحصول على معلومات ملف التعريف المقطعي، والتي يتم استخدامها بعد ذلك لإنشاء معلومات التحكم.أثناء عملية التشكيل، تقوم الفوهة الأولى برش المادة اللاصقة بدقة على كل طبقة من الرمل عن طريق التحكم بالكمبيوتر، بينما تقوم الفوهة الثانية برش المحفز على طول نفس المسار.يخضع الاثنان لتفاعل الترابط، مما يؤدي إلى تصلب طبقة الرمل بطبقة وتشكيل كومة.يتم تجميد الرمل الموجود في المنطقة التي تعمل فيها المادة اللاصقة والمحفز معًا، بينما يظل الرمل الموجود في المناطق الأخرى في حالة حبيبية.بعد معالجة طبقة واحدة، يتم ربط الطبقة التالية، وبعد ربط جميع الطبقات، يتم الحصول على كيان مكاني.يظل الرمل الأصلي رملًا جافًا في المناطق التي لا يتم رش المادة اللاصقة فيها، مما يسهل إزالته.ومن خلال تنظيف الرمل الجاف غير المعالج في المنتصف، يمكن الحصول على قالب صب بسمك جدار معين.بعد تطبيق أو تشريب الطلاء على السطح الداخلي للقالب الرملي، يمكن استخدامه لصب المعدن.

عادة ما تكون نقطة درجة حرارة المعالجة لعملية PCM حوالي 170 درجة مئوية.يختلف الوضع البارد الفعلي والتجريد البارد المستخدم في عملية PCM عن القولبة.يتضمن الوضع البارد والتجريد البارد وضع مادة التقوية الأولية على القالب تدريجيًا وفقًا لمتطلبات هيكل المنتج عندما يكون القالب في الطرف البارد، ثم إغلاق القالب بواسطة مكبس التشكيل بعد اكتمال الوضع لتوفير ضغط معين.في هذا الوقت، يتم تسخين القالب باستخدام آلة درجة حرارة القالب، والعملية المعتادة هي رفع درجة الحرارة من درجة حرارة الغرفة إلى 170 درجة مئوية، ويجب تعديل معدل التسخين وفقًا للمنتجات المختلفة.معظمها مصنوع من هذا البلاستيك.عندما تصل درجة حرارة القالب إلى درجة الحرارة المحددة، يتم تنفيذ العزل والحفاظ على الضغط لمعالجة المنتج عند درجة حرارة عالية.بعد اكتمال المعالجة، من الضروري أيضًا استخدام آلة درجة حرارة القالب لتبريد درجة حرارة القالب إلى درجة الحرارة العادية، ويتم ضبط معدل التسخين أيضًا على 3-5 درجة مئوية / دقيقة، ثم تابع فتح القالب واستخراج الأجزاء.

2. تكنولوجيا تشكيل السائل
تشير تقنية تشكيل السائل (LCM) إلى سلسلة من تقنيات تشكيل المواد المركبة التي تضع أولاً أليافًا جافة في تجويف قالب مغلق، ثم تحقن الراتنج السائل في تجويف القالب بعد إغلاق القالب.تحت الضغط، يتدفق الراتينج ويمتص الألياف.بالمقارنة مع عملية تشكيل العلب بالضغط الساخن، فإن LCM لديها العديد من المزايا، مثل كونها مناسبة لتصنيع الأجزاء بدقة أبعاد عالية ومظهر معقد؛تكلفة تصنيع منخفضة وتشغيل بسيط.
تم تطوير عملية RTM عالية الضغط بشكل خاص في السنوات الأخيرة، HP-RTM (قولبة نقل الراتنج عالي الضغط)، والتي يتم اختصارها كعملية قولبة HP-RTM.يشير إلى عملية التشكيل باستخدام الضغط العالي لخلط وحقن الراتينج في قالب محكم الغلق تم وضعه مسبقًا بمواد مقواة بالألياف ومكونات مدمجة مسبقًا، ومن ثم الحصول على منتجات المواد المركبة من خلال ملء تدفق الراتينج، والتشريب، والمعالجة، والقولبة .ومن خلال تقليل وقت الحقن، من المتوقع التحكم في وقت تصنيع المكونات الهيكلية للطيران خلال عشرات الدقائق، مما يحقق محتوى عالي من الألياف وتصنيع أجزاء عالية الأداء.
تعد عملية تشكيل HP-RTM إحدى عمليات تشكيل المواد المركبة المستخدمة على نطاق واسع في العديد من الصناعات.تكمن مزاياها في إمكانية تحقيق إنتاج منخفض التكلفة ودورة قصيرة وإنتاج ضخم وإنتاج عالي الجودة (مع جودة سطحية جيدة) مقارنة بعمليات RTM التقليدية.يستخدم على نطاق واسع في مختلف الصناعات مثل صناعة السيارات، وبناء السفن، وتصنيع الطائرات، والآلات الزراعية، والنقل بالسكك الحديدية، وتوليد طاقة الرياح، والسلع الرياضية، وما إلى ذلك.

3. تكنولوجيا تشكيل المواد المركبة بالحرارة
في السنوات الأخيرة، أصبحت المواد المركبة البلاستيكية الحرارية نقطة بحثية ساخنة في مجال تصنيع المواد المركبة محليًا ودوليًا، نظرًا لمزاياها المتمثلة في المقاومة العالية للصدمات، والمتانة العالية، وتحمل الضرر العالي، والمقاومة الجيدة للحرارة.يمكن أن يؤدي اللحام بالمواد المركبة البلاستيكية الحرارية إلى تقليل عدد وصلات البرشام والمسامير في هياكل الطائرات بشكل كبير، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الإنتاج بشكل كبير وتقليل تكاليف الإنتاج.وفقًا لشركة Airframe Collins Aerospace، وهي مورد من الدرجة الأولى لهياكل الطائرات، فإن الهياكل البلاستيكية الحرارية غير المضغوطة القابلة للحام لديها القدرة على تقصير دورة التصنيع بنسبة 80٪ مقارنة بالمكونات المعدنية والمركبة المتصلدة بالحرارة.
إن استخدام الكمية الأنسب من المواد، واختيار العملية الأكثر اقتصادا، واستخدام المنتجات في الأجزاء المناسبة، وتحقيق أهداف التصميم المحددة مسبقا، وتحقيق نسبة تكلفة الأداء المثالية للمنتجات كان دائما هو الاتجاه من الجهود المبذولة لممارسي المواد المركبة.أعتقد أنه سيتم تطوير المزيد من عمليات التشكيل في المستقبل لتلبية احتياجات تصميم الإنتاج.