روش رایج قالب‌گیری پیش‌آغشته فیبر کربن

در دنیای پیچیده هوافضا و تولیدات سطح بالا، پیشپوش فیبر کربن فناوری قالب‌گیری مانند یک «هنرمند نامرئی» است که با دقت بسیار بالا، مواد پیشرفته را شکل می‌دهد و ترکیبی از استحکام و سبکی را ایجاد می‌کند. به عنوان یک فرآیند کلاسیک در حوزه مواد مرکب، روش سنتی قالب‌گیری پیش‌پیچ‌شده کربن فایبر طی دهه‌ها توسعه یافته و همچنان «ستون فقرات» تولید پیشرفته محسوب می‌شود. امروز قصد داریم منطق اصلی این فناوری را به‌طور عمیق بررسی کنیم و ببینیم چگونه این فناوری، از یک تکه پارچه کربن فایبر اشباع‌شده با رزین به یک جزء کلیدی در فضاپیما و ساختار اساسی بدنه یک ماشین مسابقه تبدیل می‌شود.

پیشپوش فیبر کربن چیست؟

برای درک روش قالب‌گیری، ابتدا باید مفهوم پایه «پرپрег» را بدانیم. به سادگی، پرپрег الیاف کربنی ترکیبی از نخ الیاف کربنی و رزین است — در محیطی با دمای دقیق و تحت فشار کنترل‌شده، رزین اپوکسی، رزین فنولیک و سایر مواد زمینه به‌صورت یکنواخت در پارچه الیاف کربن نفوذ داده می‌شوند تا حلقه یا ورقی از ماده مرکب چسبناک با ویسکوزیته معینی ایجاد شود.
ویژگی «پیش‌آغشته‌شدن» این ماده آن را از فرآیند قالب‌گیری الیاف خشک متمایز می‌کند: مقدار و توزیع رزین از قبل تعیین شده است و تنها نیاز است در مرحله بعدی قالب‌گیری، دقت شود که ماده به‌درستی در قالب قرار گرفته و کاملاً پخته شود؛ این امر پیچیدگی عملیات محلی را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. این شبیه خمیر آماده قبل از پختن است که دستور العمل آن قبلاً تنظیم شده و تنها کافی است حرارت و زمان پخت کنترل شود.

روش متداول قالب‌گیری

（1）قالب‌گیری با اتوکلاو
فرآیند استاندارد طلایی برای تولید کامپوزیت‌های پیشرفته درجه هوا فضا، شامل مهر و موم کردن لایه‌های پیش‌آغشته الیاف کربن و قالب در یک کیسه خلاء و قرار دادن آن در یک مخزن بزرگ با دمای بالا و فشار بالا، یعنی مخزن پرس گرم است. در حین فرآیند پخت، فشار بالای یکنواخت (چندین اتمسفر) و دمای بالا به‌طور همزمان به مخزن اعمال می‌شود که این امر باعث جریان کامل رزین و فشرده‌سازی الیاف می‌گردد و قطعاتی با درصد بسیار بالای الیاف و تخلخل پایین تولید می‌شود.
مزیت این فرآیند تولید قطعات ساختاری پیچیده با کیفیت بی‌همتا، خواص مکانیکی عالی و یکنواختی بالا است. با این حال، معایب آن بسیار آشکار است: تجهیزات پرس گرم خود بسیار گران‌قیمت هستند، انرژی زیادی مصرف می‌کنند و چرخه‌های تولید طولانی و پرهزینه‌ای دارند؛ بنابراین معمولاً استفاده از آن به حوزه‌هایی محدود می‌شود که عملکرد فوق‌العاده مطلوب است، مانند صنعت هوایی و مسابقات فرمول ۱.
（۲）قالب‌گیری تراکمی
فرآیندی بسیار کارآمد برای تولید در حجم متوسط تا بالا. این روش مقدار معینی از پیش‌روان یا ترکیب قالب‌گیری (مانند SMC) را در یک قالب فلزی از پیش گرم شده قرار می‌دهد، سپس قالب را بسته و فشار و دمای بالایی اعمال می‌کند تا ماده در داخل حفره قالب جریان یافته و آن را پر کند، و پس از عایق‌بندی و حفظ فشار، عمل آوری شده و قالب‌گیری انجام شود.
مزایای این فرآیند شامل درجه بالای اتوماسیون، تولید سریع، دقت ابعادی بالا در محصول و صاف بودن هر دو طرف آن است. با این حال، به دلیل نیاز به قالب صلب مقاوم در برابر فشار بالا، هزینه سرمایه‌گذاری اولیه بیشتر است. این فرآیند بسیار مناسب برای تولید قطعات ساختاری حجیمی است که کیفیت سطح خوبی نیاز دارند، مانند پنل‌های بدنه خودرو، جعبه باتری و تجهیزات ورزشی با عملکرد بالا.
（3）قالب‌گیری با کیسه خلاء
فرآیندی پایه‌ای و متداول که از فشار جو برای فشرده‌سازی مواد کامپوزیتی استفاده می‌کند. در این روش، لایه‌ای از مواد کمکی با یک لایه دستی چسب‌دار یا پرپрег پوشانده شده و کل سیستم با یک کیسه خلاء درزگیری می‌شود که به طور مداوم توسط یک پمپ خلاء تخلیه می‌شود تا فشار منفی ایجاد شود؛ بدین ترتیب فشار جو به صورت یکنواخت به سطح محصول وارد می‌شود و باعث خارج‌شدن هوا و فشرده‌سازی ساختار می‌گردد.
این روش می‌تواند محتوای الیاف را به طور قابل توجهی افزایش دهد، تخلخل را کاهش دهد و یکنواختی توزیع رزین را بهبود بخشد و هزینه آن بسیار پایین‌تر از مخزن پرس گرم است. با این حال، تنها قادر به اعمال حداکثر فشاری در حدود ۰٫۱ مگاپاسکال است و حد بالای عملکرد آن به اندازه فرآیندهای فشار بالا نیست. این روش به طور گسترده در ساخت قایق، ساخت نمونه‌های اولیه و قطعات کامپوزیتی با نیازهای متوسط عملکردی استفاده می‌شود.
（4）پیچش غلتکی
فرآیندی جهت‌دار که در تولید لوله‌های نازک‌دیوار با عملکرد بالا تخصص دارد. پیش‌آغشته فیبر کربن در زاویه خاصی برش داده می‌شود و سپس تحت کشش دقیق روی یک قالب مرکزی پیچیده می‌شود، معمولاً با پیچیدن نوار فشار برای اعمال فشار تراکم همراه است، و سپس در یک اجاق گرم شده و سفت می‌شود و پس از آن قالب‌گیری انجام می‌شود تا لوله به دست آید.
این فرآیند امکان کنترل دقیق جهت‌گیری فیبرها (مثلاً ترکیب‌های 0°، ±45°) را فراهم می‌کند و خواص مکانیکی عالی در جهت محوری را با دقت ابعادی و کیفیت سطح مناسب به دست می‌آورد. با این حال، این روش به پیش‌آغشته‌ها و قالب‌های مرکزی وابسته است، بازده تولید محدودی دارد و عمدتاً در کالاهای ورزشی با کیفیت بالا مانند شفت چوب گلف، میله ماهیگیری و پایه جلوی دوچرخه استفاده می‌شود.
（5）پیچش فیلامنت
فرآیندی خودکار برای تولید اعضای دوار با استحکام بالا. نخ کربن پیوسته در یک حمام رزین غوطهور شده و سپس توسط یک سر پیچش کنترل‌شده توسط کامپیوتر، به‌صورت دقیق روی یک ماندرل در حال چرخش، با پروفیل‌ها و زوایای از پیش تعیین‌شده پیچیده می‌شود تا به ضخامت طراحی‌شده برسد و سپس به شکل درآمده و پخته می‌شود.
بزرگترین مزیت این فرآیند این است که الیاف پیوسته و به‌صورت یکنواخت تحت کشش قرار دارند که این امر امکان دستیابی به درصد حجمی بسیار بالای الیاف و استفاده بهینه از استحکام را فراهم می‌کند، به‌ویژه برای ظرف‌هایی که تحت فشار داخلی قرار دارند. با این حال، این روش محدود به اشکال دوار برجسته بوده و به تجهیزات گران‌قیمتی نیاز دارد. معمول‌ترین محصولات شامل سیلندرهای گاز فشار قوی (CNG/هیدروژن)، لوله‌ها و محفظه موتورهای راکت می‌شود.
（6）پولتراژ
فرآیندی بسیار کارآمد برای تولید مداوم مقاطع مرکب با سطح مقطع ثابت. همانند "اسپاگتی"، نخ‌ها یا پارچه‌های الیاف کربن پیوسته را از طریق یک حمام رزین برای غنی‌سازی عبور می‌دهد، سپس از یک قالب فولادی دقیق و گرم عبور داده می‌شوند که در آنجا شکل اولیه گرفته، فشرده شده و به‌صورت پیوسته پخته می‌شوند، و در نهایت توسط یک کشش‌دهنده بیرون کشیده شده و به طول‌های ثابتی برش داده می‌شوند.
این فرآیند بسیار پربازده است و امکان تولید خودکار و مداوم، استفاده بالا از مواد اولیه و صرفه اقتصادی قابل توجهی را فراهم می‌کند. با این حال، محصولات آن محدود به مقاطع خطی با سطح مقطع ثابت هستند و استحکام طولی بسیار بیشتر از عرضی است. محصولات رایج شامل اعضای تیر شبکه‌ای، پل‌های کابلی، میله‌های نردبانی و انواع میله‌ها و مقاطع هستند.
（7）قالب‌گیری با کیسه تحت فشار
این روش می‌تواند به عنوان نسخه بهبودیافته قالب‌گیری با کیسه خلأ در نظر گرفته شود. بر اساس سیستم کیسه خلأ، کل قالب محصورشده در یک مخزن فشار آب‌بندی‌شونده قرار می‌گیرد که نه تنها داخل آن را تخلیه می‌کند، بلکه هوای فشرده را نیز به داخل مخزن وارد می‌کند و فشار مثبت بالاتری (معمولاً ۰٫۴ تا ۰٫۶ مگاپاسکال) به بیرون کیسه خلأ وارد می‌کند و بدین ترتیب فشار قالب‌گیری بیشتری نسبت به روش صرفاً خلأ فراهم می‌آید.
این روش به طور قابل توجهی محتوای الیاف و تراکم قطعه را بدون نیاز به سرمایه‌گذاری زیاد روی مخزن پرس گرم بهبود می‌بخشد و عملکرد بهتری نسبت به فرآیند کیسه خلأ تنها دارد. این روش به‌طور ایده‌آل برای تولید قطعات بزرگی که در مخزن پرس گرم جا نمی‌شوند، مانند بدنه قایق‌های کوچک تا متوسط، قطعات واگن قطار و رادوم‌های بزرگ مناسب است.

مقایسه روش‌های شکل‌دهی پیش‌آغشته الیاف کربن

آینده: نوآوری در میراث فرهنگی

سنت‌گرایی به معنای توقف نیست. امروزه صنعت از طریق «نوآوری‌های ریز» در حال عبور از موانع است: برای مثال، توسعه رزین‌های دمای پایین و سریع‌الپخت که زمان پخت را از ۲ ساعت به ۳۰ دقیقه کاهش می‌دهند؛ استفاده از تجهیزات لایه‌چینی خودکار که جایگزین انباشت دستی شده و کارایی را بهبود می‌بخشد؛ و حتی معرفی الگوریتم‌های هوش مصنوعی در طراحی قالب برای بهینه‌سازی توزیع فشار و کاهش نقص‌ها.
این بهبودها به فرآیندهای سنتی اجازه داده‌اند تا مزایای عملکردی خود را حفظ کنند و همزمان به تدریج به سمت «کارایی بالا و هزینه پایین» حرکت کنند و همچنان نقش مهمی در حوزه مواد مرکب ایفا کنند.
از فضاپیما تا تجهیزات ورزشی، روش سنتی قالب‌گیری پیش‌آغشته کربن فایبر، فلسفه تولید «کار آرام و پایدار» را با مهارتی محکم تفسیر می‌کند. شاید این روش پیشرفته‌ترین نباشد، اما در سناریوهایی که به قابلیت اطمینان بسیار بالا نیاز است، همین «سنت» دقیقاً تضمین‌کننده کیفیت ارزشمندی است.