بررسی كلی فرآیند قالب گیری كیسه ای Bag molding

[skolar76]

​

فرآیندهای شكل دهی كامپوزیت ها به روش های مختلفی طبقه بندی می شوند. بعضی آنها را به روش های دستی و ماشینی تقسیم بندی می كنند. اما اغلب این روش ها به دو دسته كلی قالب باز (open mold) و قالب بسته (closed mold) تقسیم می شوند. در روش های قالب بسته، قالب از دو قسمت نر و ماده، سمبه و ماتریس و یا به طور كلی كفه بالا و پایین تشكیل می شود و هر دو سطح قطعه در تماس با قالب قرار می گیرد. اما در روش های قالب باز، قالب اصلی تنها از یك نیمه یا كفه تشكیل شده و فقط یك طرف قطعه در تماس با قالب قرار دارد و طرف دیگر آن در تماس با هوا یا یك جسم انعطاف پذیر است. روش قالب گیری كیسه ای (bag molding) جزء روش های قالب باز است و در آن قالب سخت و یك قالب منعطف (bag) وجود دارد.


انواع قالب گیری كیسه ای (Bag Molding)

• قالب گیری كیسه ای در خلاء Vacuum bag molding
• قالب گیری كیسه ای تحت فشار Pressure bag molding
• قالب گیری كیسه ای در اتو كلاو Autoclave bag molding
• قالب های مورد استفاده در روش قالب باز شامل دو نوع می باشند:
• قالب های مثبت (male plug)
• قالب های منفی (female plug)

​

در جایی كه سطح صاف بیرونی می خواهیم مثل قایق تفریحی از قالب مادگی و در جایی كه سطح صاف داخلی مثل سینك نیاز است از قالب نر استفاده می شود.
فرآیند قالب گیری باز در مواد كامپوزیتی چندین مزت نسبت به قالب گیری بسته دارد كه در ذیل به آنها اشاره می شود:

● هنگامی كه یك قالب تكی در فرآیند باز به كار می رود هزینه قالب خیلی كمتر از استفاده از قالب دو تكه در فرآیند بسته است.
● سازه های خیلی پیچیده و بزرگ در این روش راحت تر از قالب گیری بسته خارج می شوند.
● طیف وسیعی از مواد اعم از فلزات، چوب ها، كامپوزیت ها و .... برای تهیه قالب در روش باز به كار می روند در حالی كه در روش قالب گیری بسته برای تهیه قالب نیاز به فلزات گران قیمت و مرغوب داریم.
● تهیه قالب در روش باز از لحاظ تكنولوژیكی راحت تر است.​

بنابراین روش قالب گیری باز روشی منعطف تر و راحت تر در مقایسه با روش قالب گیری بسته است.
اما با این وجود این روش معایبی نیز در بر دارد، از جمله اینكه كار پرقدرتی است و بنابراین برای تولید قطعات با كیفیت بالا كارگران باید آموزش و مهارت لازم و كافی در فرآیند داشته باشند. البته پیشرفت در اتوماسیون قالب گیری باز سبب حل مشكلاتی چون مهارت شخصی شده است. اتوماسیون نه فقط كیفیت محصولات را بالا برده است بلكه تولید در واحد زمان (سرعت) را نیز افزایش داده است. همچنین این روش زمان پخت طولانی تری در مقایسه با متد دیگر دارد. به طور نرمال عملیات كاربرد حرارت، زمان پخت را كاهش می دهد. با این حال عملیات حرارتی به علت بزرگی سازه بسیار مشكل است.


قالب گیری كیسه ای (Bag Molding)
قطعات تولید شده به این روش از كیفیت بهتری نسبت به قطعات تولید شده به روش دستی برخوردارند. این بهبود ناشی از كاهش هوای حبس شده در قطعات تولید شده به روش قالب گیری كیسه ای است. این روش جهت ساخت قطعات پیچیده كه به روش فشاری نمی توان آنها را تولید كرد مناسب است و می توان قطعات كوچك و بزرگ را به این روش ساخت. به جهت توانایی این روش در ساخت قطعات پیچیده در تیراژ كم و با كیفیت بالا، عمدتا جهت ساخت قطعات هواپیما از این روش استفاده می شود. به طور كلی روش های Bag molding در صنایع هوافضا و ساخت بدنه هواپیما بیشترین كاربرد را دارند، چون قطعات تولیدی دارای وزن كمی هستند و هرجا كه نیاز به وزن كم باشد این روش ها به كار می روند. با این روش می توان هم ساختارهای عمیق و هم ساختارهای كم عمق و سطحی را تولید كرد. ساختارهای عمیق مانند پوشش آنتن رادار هواپیما و گنبدهایی كه بر روی دستگاه های كاشف زیردریایی كار می گذارند. ساختارهای كم عمق نیز مانند پانل های معماری، پانل های در و بدنه هواپیما.


ویژگی های فرآیند شكل دهی قالب گیری كیسه ای
به طور كلی در این روش محدودیتی در نوع الیاف قابل استفاده وجود ندارد، اما الیافی كه معمولاً در این روش استفاده می شود عبارتند از الیاف شیشه و كربن. البته باید اشاره كرد كه بیشتر الیاف تقویت كننده، اصلاح سطحی شده اند (surface-treated) تا با انواع خاصی از رزین بتوانند سازگار بشوند. رزین های ترموست مورد استفاده شامل پلی استر، اپوكسی و وینیل استر می باشند. رزین های دیگری هم مثل فنولیك (به علا قابلیت احتراق كم و انتشار ضعیف دود و گاز سمی) و پلی آمید نیز به كار برده می شوند. البته TMC، SMC و دیگر پیش آغشته های پلی سولفون، پلی ایمید، فنولیك، دیالیل فتالات، سیلیكون ها یا دیگر سیستم های رزینی در این روش قابلیت استفاده دارند.
معمولاً قطعات با ضخامت كم (2-mm6) را با این روش تولید می كنند. محدودیت های ابعادی قطعه تولیدی نیز بستگی به ظرفیت كمپرسور، پمپ خلا و یا اتوكلاو دارد.
سایر ویژگی ها عبارتند از:

● درصد الیاف در محصول: 60-25%
● دمای معمول پخت (Ċ): دمای محیط تا 50 برای رزین های مایع،160-80 برای SMC و پیش آغشته.
● قرار دادن rip در قالب
● عدم قرار گیری قطعه فلری در قالب
● عدم قرار گیری فوم در قالب
● تجهیزات مورد نیاز: قلم مو و غلطك (تجهیزات روش دستی، ماشین لایه گذاری اتوماتیك، اتوكلاو، پمپ خلا
●تعداد قطعات جهت پذیرش قیمت قالب: از یك به بالا
● سرعت تولید: پایین
● نیروی انسانی مورد نیاز: زیاد​

ابتدا به بررسی نقاط مشترك این سه فرآیند می پردازیم و سپس به طور جداگانه به شرح جزئیات خواهیم پرداخت.


معرفی فرآیند
بسته به ضخامت مطلوب و مورد نظر ما، رزین و الیاف تقویت كننده (با روش های hand lay up و spray – up) و یا پیش آغشته ها لایه به لایه روی قالب می گیرند. معمولاً یكسری مواد و لایه های جانبی دیگر بر روی آنها قرار می گیرد كه هر یك از آنها دارای كارایی خاصی می باشند. پس از اعمال این لایه ها و مواد جانبی روی لایه گذاری، همه مواد داخل یك كیسه (bag) قرار می گیرند و اطراف آ به كمك درز گیرها مسدود می شود. حال به معرفی این لایه ها و سایر اجزای فرآیند می پردازیم:



اجزای فرآیند

قالب
همه قطعات كامپوزیت های مهندسی توسط فرآیندهایی ساخته می شوند كه در آنها نیاز به قالب های سخت (hard tooling) برای پایداری در طول مراحل (lay up) و (curing) است. این قالب باید به اندازه كافی محكم و سخت باشد تا بتواند فشار اعمال شده در طی فرآیند را تحمل كند. سطح قالب بایید صیقلی بوده و ضریب انبساط حرارتی اندكی داشته باشد. در اتوكلاو مبحث Tooling از اهمیت خاصی برخوردار است. زیرا قالب باید در دما و فشار مورد نیاز چرخه فرآیند (process cycle) به خوبی كار كند.
موارد مورد توجه در طراحی قالب:

- Codt
- Tool Life
- Accuracy
- Weight
- Machinability
- Strength
- Thermal Expansion
- Dimensional Stability
- Surface Finish
- Thermal Mass
- Thermal Conductivity​

انواع قالب:
با اینكه می توان از مواد زیادی استفاده كرد، نوع انتخاب ما برای ساخت قالب منجر به دسته بندی زیر می شود:
برای بازه دمایی كم و متوسط Reinforced Polymers
برای بازه دمایی كم تا زیاد Metals
برای دماهای بسیار بالا Ceramics and Bulk graphite
برای كامپوزیت های مهندسی انتخاب بین موارد زیر صورت می گیرد:
Metals شامل Steel، Al، آلیاژهای Elastomeric Tooling، Graphite epoxy Tooling، Electroformed Nickel، Nickel بیشتر برای فشارهای زیاد و توزیع فشار بر روی قطعه استفاده می شود.
Bulk graphite and Ceramic System Geopolymers برای دماهای Ultra High (تولید كامپوزیت های ترموپلاستیك) استفاده می شود.
همچنین می توان از گچ و سایر مواد ارزان كه نسبتاً راحت فرآیند می شوند استفاده كرد. (به خصوص برای قطعات كوچك كه تنوع Prototype دازیم)


كیسه منعطف (bag)
غشای نازك و انعطاف پذیری است كه پس از لایه گذاری و اعمال تمام مواد جانبی به روی لایه ها و قالب قرار می گیرد و آنها را می پوشاند و یك محیط مسدود ایجاد می كند.
اطراف كیسه به كمك درز گیر به طور كامل آب بندی شده و سپس فشاری بر روی آن اعمال می گردد. درزبندی اطراف كیسه به وسیله مواد درزگیر صورت می گیرد كه معمولاً از قطعات لاستیكی برای این كار استفاده می شود. همچنین ممكن است درزبندی به كمك اتصالات مكانیكی ورت گیرد و برای این منظور در ساخت كیسه تمهیدات لازم انجام می شود. همچنین ممكن است درزبندی به كمك اتصالات مكانیكی صورت گیرد و برای این منظور در ساخت كیسه تمهیدات لازم انجام می شود. گاهی از یك خط خلاء جراگانه برای درزگیری اطراف كیسه استفاده می شود. اخیراً به منظور كاهش هزینه های تولید به جای كیسه های یكبار مصرف، از كیسه های قابل استفاده مجدد استفاده می شود.


رها كننده (release agent)
در سه قسمت از رهاكننده استفاده می گردد:
1. قبل از لایه گذاری و بر روی سطح قالب برای جلوگیری از چسبیدن قطعه به قالب. بدین منظور غالباً از محلول پلی وینیل الكل استفاده می شود، كه آنرا به كمك یك پارچه، ابر، قلم مو یا اسپری بر روی سطح قالب كه با واكس پوشش داده شده است اعمال می كنند. اعمال واكس و رها كننده در هر بار قالب گیری باید صورت گیرد.
2. بعد از لایه گذاری ها یك لایه از این مواد استفاده می شود كه باید نفوذ پذیر باشد تا رزین اضافی را به سمت bleeder عبور دهد. معمولاً این فیلم پارچه ای از جنس الیاف شیشه پوشش دهی شده با تفلون می باشد كه متخلخل بوده و از حفره های بسیار ریزی برخوردار است.
3. بعد از لایه bleeder، كه بر خلاف حالت قبل نفوذ پذیر نمی باشد و به صورت فیلم جدا كننده است.

لایه محافظ (Peel Ply)​

این لایه قبل و بعد از لایه های كامپوزیتی قرار می گیرد و پس از تكمیل فرآیند بر روی سطح باقی می ماند. لایه های محافظ برای نگهداری بهتر سطح كامپوزیت در مقابل دست خوردن و ایجاد خراش تا قبل از عملیات بعدی نظیر اتصال یا پوشش دهی روی سطح قطعه می مانند. این لایه باید نفوذ پذیر باشد تا هنگام فرآیند رزین اضافی از آن عبور كند. یكی دیگر از موارد استفاده این لایه ایجاد زبری بر روی سطوح است.


لایه جاذب رزین اضافی (لایه جاذب رزین اضافی (bleeder)
این لایه برای جذب رزین اضافی و رفع حباب ها استفاده می شود. جنس آن معمولاً از الیاف بافته شده یا نمدی شیشه می باشد و بعد از عامل جدا كننده برروی لایه های كامپوزیتی قرار می گیرد. گاهی از لایه جاذب در لبه ها نیز استفاده می شود. البته اخیراًسعی شده از پیش آغشته هایی در لایه گذاری استفاده شود كه میزان رزین اضافی در آنها صفر باشد، در نتیجه نیازی به استفاده از لایه bleeder نخواهد بود. جذب رزین اضافی در پیش آغشته بین 2 تا 5 درصد می باشد. سیستم های bleed – out به منظور ثابت نگه داشتن فشار كاهش یافته و در داخل محتوای كیسه ها طراحی شده اند.


لایه تنفس (bresther)
لایه های تنفس برای توزیع خلاء یا فشار روی قسمت های مختلف قطعه لایه گذاری در هنگام فرآیند می باشند كه مانند لایه جاذب جنس آن از الیاف شیشه است.


لایه آب بندی (DAM)
آب بندها موادی هستند كه معمولاً در لبه های لایه گذاری قرار می گیند و از جریان یافتن رزین اضافی در لبه ها و در نتیجه نازك شدن آنها جلوگیری می كنن. این مواد معمولاً از جنس لاستیك می باشند.

مواد
موادی كه در این روش به شكل دهی آنها می پردازیم به دو صورت زیر می توانند باشند:

● Wet – Lay up : كه شامل دو طریق : spray – up و hand lay up
●pre- preg : الیاف از قبل به رزین آغشته شده اند و آماده شكل دهی و پخت هستد و چون دارای تغلیظ كننه هستند حالت نیمه جامد دارند. پخت آنها به روش hot cure است.(به آنها lay – up خشك نیز می گویند.)​

منبع: نشریه P.E.T