מסורת מול חדשנות: איך חיבורים מרובי צירים מפיברגלס משנים את תהליכי העיצוב המבני?

בדי פיברגלאס מרובי צירים בשימוש נרחב בתחומים רבים כמו תעופה וחלל, ייצור חשמל מטורבינות רוח, ייצור רכב, תחבורה רכבתית, ציוד ספורט, חיזוק מבנים וציוד רפואי, בזכות המסה הקטנה, העומס הגבוה והמאפיינים המכניים הרב-כיווניים שלהם, ובאופן עיקרי משמשים לייצור רכיבי מבנה קלי משקל וביצועים גבוהים כדי לשפר את העמידות והיעילות של מוצרים , ובמקביל, עם התפתחות הטכנולוגיה והגידול בצורך בהגנת הסביבה, ה שימוש היקף השימוש בו ממשיכה להתרחב.

המונח הבסיסי של בד רב-צירי

סיבי פחמן מרובי צירים מתייחסים למבנה שבו סיבי הפחמן מסודרים בשכבות בכיוונים מרובים או כיווני צירים בתוך חומר מורכב מסיבי פחמן. מבנה זה מאפשר להשיג עמידות וקשיחות מכיוונים רבים, ובכך משפר את הביצועים הכוללים של החומר המורכב.

בדי סיבי פחמן מרובי צירים הם בדים שעשויים מסיבי סיבי פחמן שמתפזרים באמצעות חוטי פוליאסטר בטכניקת סריגת אריגה בכיוונים מרובי זווית של 0°/+45°/-45°/90°.

0/90°	±45°

בד סיבי פחמן מרובה צירים משתמש במבנה שכבות סיבים בזוויות מרובות כמו 0°, ±45°, 90°, וכן הלאה, ומשיג ייצוב מדויק באמצעות טכנולוגיית סריגת אריגה. כל שכבת סיבים מסודרת בזווית מסוימת ויוצרת מבנה דמוי ביולוגי הדומה לשלד ביולוגי. העיצוב הייחודי הזה מאפשר לחומר לשמור על חוזק גבוה בכיווני מתח שונים, ובכך מתגבר על החסרונות של בד חד-כיווני מסורתי שיש לו איזוטרופיה בולטת.

בד ארוג לעומת בד מרובה צירים

【פשוט】

(1) יציבות מוגזמת: בשל המרחק הקצר בין נקודות ההאריזה, לרקמות בשיטה פשוטה יש דרגת יציבות גבוהה, מה שהופך אותן לא מתאימות לשימוש בשרשראות עם פרופילים מורכבים, כיוון שהן אינן גמישות כמו חומרים אחרים.

(2) ריכוז מאמצים: בגלל הקימוט המוגזם (הזווית שנוצרת על ידי הסיבים במהלך האריזה) בסיבים, הקימוט הגרוב יוצר ריכוז מאמצים שיכול להחליש את החלק עם הזמן

【טוויל】

(1) שיווי משקל בין גמישות ליציבות: רקמות טוויל אינן טובות כמו רקמות פשוטות, אם כי הן בעלות גמישות טובה ויודעות ליצור קווי מתאר מורכבים.

(2) הבדל בחוזק: רקמות טוויל חלשות יותר מרקמות פשוטות, מה שעלול להשפיע על השימוש בהן ביישומים מסוימים הדורשים חוזק מתיחה גבוה.

【רב-צירי בדים】

בניגוד לרקמות מסורתיות:

（1）רב-כיווני חוזק וקשיחות: זו שיפור משמעותי ביחס לרקמות פשוטות, שהן לא מתאימות לשכבות מורכבות בגלל יציבות מוגזמת.

（2）הפחתת עקמומיות הסיבים: רקמה באגודה תחרה מגדילה משמעותית את חוזק הגזירה בין שכבות, סבלנות לפ손, עמידות להשפעות ותכונות דחיסה לאחר פגיעה של החומרים המורכבים, מה שיותר תומך בעוצמת הסיבים.

תחומי יישום של בדים רב-צירים

【תחום תעופת החלל：T המסע של F22 וה-Boeing 787 לירידה במשקל

בכלי טיס, מסגרות מבניות ורכיבים אחרים, נדרשים חומרים שיהיו קלים ובעלי תכונות מכניות בכיוונים מרובים כדי לעמוד בעומסי האוויר ובמאמצים רב-ממדיים. סיבי פחמן ברבדים רב-צירים מאפשרים באמצעות עיצוב מושכל של שכבת הסיבים את הגדלת היציבות, העוצמה והקשיחות של המבנה

בסטרן של Boeing 787, להבי מאוורר וכו', רבדי סיבי פחמן רב-צירים מקטינים משמעותית את המשקל ומשפרים את ההתנגדות. חומרי פחמן מסורתיים לא יכולים לעמוד בצורה יעילה במאמצים בכיוונים מרובים, מה שעלול לגרום לתשישות וסדקים.

תחבורה רכבתית: רכבות מטראו מצופות פחמן דור חדש CETROVO מאת CSR Qingdao Sifang Rolling Stock Co.

גוף קל יותר, פעילות יעילה יותר מבחינת צריכה של אנרגיה. ירידת משקל של גוף רכב מטוטרת פיברגלס ב-25%, ירידת משקל של מסגרת טרקטור (פיברגלס רב-צירי) ב-50%, ירידת משקל כולל של הרכבת בכ-11%, וצריכת האנרגיה בפעולתה יורדת ב-7%. כל רכבת יכולה להפחית את פליטות הפחמן הדו-חמצני בכ-130 טון בשנה, ש эквивאלנטי לנטיעת 101 דונם.

עלויות תפעול ושימור נמוכות יותר לאורך מחזור החיים. הודות לחומרי הפיברגלס הקלים ולשימוש בטכנולוגיות חדשות, נזק הקירור והשינוע ברכבת מטוטרת מפיברגלס מופחת בצורה משמעותית, מה שמפחית בצורה ניכרת את כמות התיקונים הנדרשת ברכבת ובמסילה, ועלות התיקון הכוללת לאורך מחזור החיים מופחתת ב-22%.

【תעשיית המלחמה: הנשק הסודי של מטוס הקרב F22-Raptor של ארצות הברית】

מטוס הקרב F-22 "רפטור" של ארצות הברית, באמצעות שימוש במגוון חומרי תרכובות מחוזקים בפחמן, כולל חומרי תרכובת סיבי פחמן קשורים באפיוניות מרובה צירים, שיעור השימוש בכנף הראשית, הזנב האחורי, הזנב המשטחי ועור הגוף ובחלקים אחרים מגיע עד 35%, מה שמקל משמעותית על משקל הגוף, ומ Verbesserung der Wendigkeit sowie der Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit. Gewicht des Rumpfes wurde erheblich reduziert, Manövrierfähigkeit sowie Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit wurden verbessert.

【תחום אזרחי: מהפכת החומרים של הדור הבא】

בתחום האזרחי, שימשו יריעות פיברגלס רב-ציריות בצורה נרחבת בתעשייה רבות כמו בנייה, רפואה, תחבורה וציוד ספורט, והמוצרים שלהן משולבים במלואם בחיי היומיום. בתחום הבנייה, החומר אומץ בצורה נרחבת לצורך תיקון וחיזוק של מבנים קיימים, בזכות היתרונות שלו של נוחות בביצוע והשפעה אמינה, מה שתרם באופן משמעותי להתרחבות השימוש בו בתעשיית הבנייה. בתחום הרפואה, עם התקדמות הטכנולוגיה הרפואית ושיפור המודעות הבריאותית, הביקוש השוקי לציוד רפואי בעל ביצועים גבוהים ממשיך לגדול, והפעלת המכשירים בעומס כבד מציבה דרישות חמורות לגבי עמידותם. חומרי פיברגלס הוכיחו כי הם מציגים אינרטיות כימית מעולה (עמידות בפני שחיקה, חומצות וقلים) ויציבות ממדים, מה שהופך אותם לבחירה אידיאלית לייצור ציוד רפואי. כלי תחבורה נהנים מתכונות הקלות והחוזק הגבוה של היריעות הרב-ציריות (עמידות מעולה במאמצי מתיחה וגזירה), מה שמצמצם בצורה משמעותית את המשקל המת, ומפחית את צריכה של אנרגיה, בעוד התכונות המכניות המצוינות שלו משפרות בצורה יעילה את הבטיחות הסבבית של הרכב. בתעשיית הציוד הספורטיבי, תערובות פיברגלס עונות על דרישות הצרכנים לציוד בעל ביצועים גבוהים, ומבטיחות איכות ועמידות של המוצר, בזכות הקלות, הדämpינג הגבוה, עמידות מעולה בפניעייתשנות ומאפייני הלחץ הנמוכים שלהם.

מבט לעתיד

עם השתכללות התועלת מדרישות חומרי הרכיבה, תחגוג בגד קרבון פיבר רב-צירי שפעה רבה יותר בתחומים רבים בזכות זווית ההטיה שניתנת להתאמה אישית, חופש העיצוב הגבוה והתכונות המכניות המוצעות. בעתיד, עם התקדמות טכנולוגיית הייצור האוטומטית ומערכות רזין חדשות, ישתפר יעילות הייצור של בד רב-צירי, עלותם תמשיך להיות מותאמת ויופנה ליישום רחב יותר בתנורי טורבינות רוח, כלי רכב לתחום האנרגיה החדשה, תעופה וחלל ושדות מתקדמים אחרים. באותו זמן, עמידות מרשימה בפני מכה ועמידות בפני עייפות של בד רב-צירי תמשיכו לשחק תפקיד חשוב יותר בתחום האזרחי של חיזוק מבנים, ציוד ספורט וציוד רפואי, כדי לסייע בהפצת מוצרים קלי משקל ובביצועים גבוהים.