שיטת ייצור רטיטה מסיבי פחמן קונבנציונלית

בעולם המורכב והמתוחכם של תעשיית החלל וייצור דרגה-عليונה, פריפרג סיבי פחמן טכנולוגיית צבירה דומה ל"אמן נסתר", שמעצב חומרים מתקדמים עם דיוק עילוי המשלב עמידות וקלות. כהליך קלאסי בתחום החומרים המורכבים, שיטת הצבירה של פיברגלאס קרבון מוסח (פרפגר) עברה עשרות שדרוגים לאורך השנים, ועדיין מהווה את "עמוד השדרה" בייצור המתקדם. היום נעמיק ונפרק את הלוגיקה העומדת בבסיס טכנולוגיה זו, כדי לראות כיצד היא משתנה מפיסת בד קרבון מוזרקת רזין לרכיב מפתח בחללית, או לשלד הגוף של מכונית מרוץ.

מהו פיברגלאס קרבון מוסח (פרפגר)?

כדי להבין את שיטת הזריקה, עלינו ראשית להבין את המושג הבסיסי של "חומר מוכן למolding" (prepreg). במילים פשוטות, חומר פייברגלאס קרבון מוכן הוא "השילוב המושלם" של חוטי פיברגלאס קרבון עם רזין – בתנאי טמפרטורה ולחץ מבוקרים, רזיני אפוקסי, רזיני פנוליים וחומרי בסיס אחרים נדחסים באופן אחיד לתוך בד הפיברגלאס, ויוצרים לفة או גיליון של חומר מרוכב דביק עם צמיגות מסוימת.
תכונת ה"הרטבה מוקדמת" הזו מבדילה אותו מתהליך הזיהוי של סיבים יבשים: תוכן הרזין והפיזור שלו נקבעים מראש, וכל שעל התהליך הבא לעשות הוא לדאוג שהחומר יתאים בדיוק לתבנית וייעבר תהליך עיבוד מלא, מה שמקטין בצורה משמעותית את מורכבות הפעולה באתר. זה כמו בצק מוכן לאפייה, המתכון כבר התוקן, כל מה שנשאר זה לשלוט בחום ובזמן האפייה.

שיטת זריקה קונבנציונלית

（1）יציקה באמצעות אוטוקלב
תהליך הסטנדרט הזהב לייצור קומפוזיטים בעלי ביצועים גבוהים לדרגת תעופה. התהליך כולל איטום של שכבת הפיברגלאס (פרפגר) יחד עם תבנית בתוך שקית וואקום, והצבתה במיכל גדול הפועל בטמפרטורה ובלחץ גבוהים – מיכל הלחיצה החם. במהלך תהליך הקשיה, מופעלים על המיכל לחץ גבוה אחיד (מספר אטמוסفيرות) וטמפרטורה גבוהה בו זמנית, מה שמאפשר לעורר להשתפח במלואו ולדחוס את הסיבים, ומייצר חלקים עם אחוז סיבים גבוה במיוחד ונקבוביות נמוכה.
יתרון התהליך הוא שהוא מייצר חלקים מבניים מורכבים באיכות יוצאת דופן עם תכונות מכניות עקביות ואיכותיות גבוהות. עם זאת, החסרונות הם ברורים מאוד: ציוד הלחיצה החם עצמו יקר מאוד, צורך הרבה אנרגיה, ומחזורי הייצור שלו ארוכים ויקרים, ולכן הוא מוגבל בדרך כלל לתעשיית התעופה ולמכוניות מרוץ פורמולה 1, שבהן נדרשים ביצועים קיצוניים.
（2）עיבוד דחיסה
תהליך יעיל במיוחד לייצור בכמויות בינוניות עד גבוהות. בתהליך זה מכניסים כמות קבועה של חומר מוכן (prepreg) או תערובת יציקה (כגון SMC) לתבנית מתכת שחוממה מראש, לאחר מכן סוגרים את התבנית ומיישמים לחץ וטמפרטורה גבוהים, כך שהחומר זורם בתוך חלל התבנית וממלא אותו, ואז מתעבה ויוצר מוצר לאחר שמירה על חום ושימור לחץ.
יתרונות התהליך הם דרגה גבוהה של אוטומציה, ייצור מהיר, דיוק ממימדי גבוה של המוצר ושני הצדדים חלקים. עם זאת, בשל הצורך בתבנית קשיחה העמידה בפני לחץ גבוה, עלות ההשקעה הראשונית היא גבוהה יותר. התהליך מתאים ביותר לייצור של חלקים מבניים בכמויות גדולות הדורשים איכות משטח טובה, כגון לוחות גוף של רכב, קליפות סוללות וציוד ספורט בעל ביצועים גבוהים.
（3）יציקה בשקית ריק
תהליך בסיסי ונפוץ שמשתמש בלחץ אטמוספירי כדי לדחוס חומרי קומפוזיט. שרשרת של חומרים עזר מופעלת על גבי שכבה מלוטשת ידנית או שכבה מוגמרת, וכל המערכת חתוכה בשקית וואקום, שנשאבת באופן רציף באמצעות משאבת וואקום כדי ליצור לחץ שלילי, כך שהלחץ האטמוספירי מופעל באופן אחיד על פני השטח של המוצר, ובכך מסיר את האוויר ודוחס את המבנה.
שיטה זו יכולה להגביר משמעותית את תכולת הסיבים, להפחית את הנקבוביות ולשפר את אחידות הפיזור של הרזין, והמחיר שלה נמוך בהרבה מזה של מיכל הלחיצה החם. עם זאת, היא יכולה לספק רק לחץ מרבי של כ-0.1 MPa, וגבול הביצועים העליון אינו טוב כמו זה של התהליך בעל הלחץ הגבוה, והיא נמצאת בשימוש נרחב בבניית ספינות, בניסויים מקדימים ובחלקי קומפוזיט עם דרישות ביצועים בינוניות.
（4）עטיפת גליל
תהליך מכוון המתמחה בייצור צינורות דקיקים בעלי ביצועים גבוהים. חומר קרבון פייבר פרפגר מצופה חותך בזווית מסוימת ואז מת wound בצורה מדויקת תחת מתח על גבי ליבה, בדרך כלל עוטפים אחר כך בגזרה כדי ליישם לחץ דחיסה, ואז מחממים ומאדים בתנור ומפרידים מהליבה כדי להשיג את הצינור.
תהליך זה מאפשר שליטה מדויקת בכיוון הסיבים (למשל, שילובי 0°, ±45°), ומשיג תכונות מכניות טובות במיוחד בתנועה מקדמת וחוזרת עם דיוק ממדי ו איכות משטח טובים. עם זאת, הוא תלוי בשכבות מוכנות (פריפרג') ובלבנים, יש לו יעילות ייצור מוגבלת, והוא בשימוש עיקרי במוצרי ספורט מתקדמים כמו מוטות מקל גולף, קורי דגים ושבירי אופניים.
（5）لف סיבים
תהליך אוטומטי לייצור רכיבים עמידים וסיביים. קו צינוריות הפחמן נמסבבת בריכוז של אפוקסי ולאחר מכן מוצב בצורה מדויקת על ידי ראש סיבוב ממוחשב על גבי מצופה מסתובבת בזוויות ופרופילים מוגדרים מראש עד שמגיע לעובי המבוקש, ואז מת hardened למבנה.
היתרון הגדול ביותר של תהליך זה הוא שהסיבים הם רציפים ומוטלים בצורה אחידה, מה שמאפשר נפח סיבים גבוה במיוחד וכושר עמידות מקסימלי, במיוחד למכלים הנתונים לחץ פנימי. עם זאת, הוא מוגבל לצורות סיבוב קמור ולציוד יקר. טיפוסי מוצרים כוללים צילינדרי גז בלחץ גבוה (CNG/הידרוגלן), צינורות וקליפות מנועי רקטות.
（6）מolding משיכה (Pultrusion)
תהליך יעיל מאוד לייצור מתמשך של פרופילים מורכבים עם חציר עמיד. כמו "ספגטי", הוא מושך חוטים או בדים של סיבי פחמן מתמשכים דרך אמבטיה של שרף כדי להתרברב, ואז מעביר אותם דרך תבנית פלדה מדויקת מחוממת, שם הם מתוכננים מראש, מתכווצים ומתחממים באופן מתמשך, ואז לב
התהליך פרודוקטיבי ביותר, המאפשר ייצור מתמשך אוטומטי, שימוש גבוה בחומרי גלם ויעילות בעלות משמעותית. עם זאת, המוצרים שלה מוגבלים לפרופילים קבועים של חציר צדי, והכוח האורך גבוה הרבה יותר מהמעבר. מוצרים נפוצים כוללים גשר גשר, גשרים כבלים, עמודי סולם, וקללות ופרופילים שונים.
(7)עיצוב שק לחץ
ניתן להתייחס אליו כגרסה משופרת של עיצוב בשקית ריק. על בסיס מערכת שקית הריק, תבנית הכוללת מוחדרת למחסנית לחץ שאפשר לסגור, אשר לא רק מאפסת את הפנים, אלא גם מעבירה אויר דחוס למחסנית, ויוצרת לחץ חיובי גבוה יותר (לרוב 0.4-0.6MPa) על חוץ שקית הריק, ובכך מספקת לחצי עיצוב גבוהים יותר מאשר ריק טהור.
שיטה זו משפרת בצורה משמעותית את אחוזי הסיבים והצפיפות של החלק, מבלי צורך בהשקעה גדולה במחסנית לחץ חמה, ומשיגה ביצועים טובים יותר מהשיטה המשתמשת רק בריק. היא מתאימה במיוחד לייצור חלקים גדולים שלא יכולים להיכנס למחסנית לחץ חמה, כגון קטרים קטנים ועד בינוניים, חלקים של קרונות רכבת וכיפות רדאר גדולות.

השוואה בין שיטות עיצוב סיבי פחמן פריפרג

העתיד: חדשנות בהקשר להיסטוריה

מסורת אינה מסמלת דעיכה. כיום, התעשייה עוקפת חסמים באמצעות 'חדשנות מיקרו': לדוגמה, פיתוח רזינים בעלי טמפרטורת נמוכה ומאבדים במהירות, שמפחיתים את זמן האיבוד מ-2 שעות ל-30 דקות; אימוץ ציוד אוטומטי לשכבות, המחליף הצבה ידנית ומשפר את היעילות; ואף שילוב אלגוריתמי בינה מלאכותית בעיצוב תבניות כדי לאפשר הפצה אופטימלית של לחץ ולצמצם פגמים.
שיפורים אלו אפשרו לתהליכים המסונפנים לשמור על יתרונותיהם בתחום הביצועים, תוך מעבר הדרגתי ל-'יעילות גבוהה ועלות נמוכה', וכן להמשיך למלא תפקיד חשוב בתחום החומרים המורכבים.
מכיוון שחללית ועד ציוד ספורט, שיטת הצבת הפיברגלאס הקלאסית מפענחת את פילוסופיית הייצור של "עבודה איטית ויציבה" עם עשייה מדויקת. ייתכן שהיא לא המתקדמת ביותר, אך בסצנות הדורשות אמינות קיצונית, ה"מסורת" הזו היא בדיוק הבטחת האיכות החשובה ביותר.