ภาพรวมของเทคโนโลยีการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วสำหรับวัสดุคอมโพสิต

ปัจจุบันมีกระบวนการผลิตโครงสร้างวัสดุคอมโพสิตมากมายซึ่งสามารถนำมาประยุกต์ใช้กับการผลิตและการผลิตโครงสร้างต่างๆ ได้อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาถึงประสิทธิภาพการผลิตทางอุตสาหกรรมและต้นทุนการผลิตของอุตสาหกรรมการบิน โดยเฉพาะเครื่องบินพลเรือน จึงมีความจำเป็นเร่งด่วนที่จะต้องปรับปรุงกระบวนการบ่มเพื่อลดเวลาและต้นทุนRapid Prototyping เป็นวิธีการผลิตแบบใหม่ที่ใช้หลักการของ discrete และ stacked forming ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วที่มีต้นทุนต่ำเทคโนโลยีทั่วไป ได้แก่ การอัดขึ้นรูป การขึ้นรูปของเหลว และการขึ้นรูปวัสดุเทอร์โมพลาสติกคอมโพสิต

1. เทคโนโลยีการสร้างต้นแบบการกดแม่พิมพ์อย่างรวดเร็ว
เทคโนโลยีการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วของการขึ้นรูปเป็นกระบวนการที่วางช่องว่างพรีเพกไว้ล่วงหน้าในแม่พิมพ์ขึ้นรูป และหลังจากที่ปิดแม่พิมพ์แล้ว ช่องว่างนั้นจะถูกบดอัดและแข็งตัวด้วยความร้อนและความดันความเร็วในการขึ้นรูปรวดเร็ว ขนาดของผลิตภัณฑ์ถูกต้อง และคุณภาพการขึ้นรูปมีความเสถียรและสม่ำเสมอเมื่อรวมกับเทคโนโลยีระบบอัตโนมัติ ก็สามารถบรรลุการผลิตจำนวนมาก ระบบอัตโนมัติ และการผลิตส่วนประกอบโครงสร้างคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในด้านการบินพลเรือนที่มีต้นทุนต่ำ

ขั้นตอนการปั้น:
1. หาแม่พิมพ์โลหะที่มีความแข็งแรงสูงซึ่งตรงกับขนาดของชิ้นส่วนที่จำเป็นสำหรับการผลิต จากนั้นจึงติดตั้งแม่พิมพ์ในการอัดและให้ความร้อน
2. ขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตที่ต้องการให้เป็นรูปทรงของแม่พิมพ์การขึ้นรูปขั้นต้นเป็นขั้นตอนสำคัญที่ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของชิ้นส่วนที่เสร็จแล้ว
3. ใส่ชิ้นส่วนที่เตรียมไว้ลงในแม่พิมพ์ที่ให้ความร้อนจากนั้นอัดแม่พิมพ์ด้วยแรงดันสูงมาก โดยทั่วไปจะมีแรงดันตั้งแต่ 800psi ถึง 2000psi (ขึ้นอยู่กับความหนาของชิ้นส่วนและประเภทของวัสดุที่ใช้)
④ หลังจากปล่อยแรงดันแล้ว ให้ถอดชิ้นส่วนออกจากแม่พิมพ์และขจัดเสี้ยนออก

ข้อดีของการปั้น:
ด้วยเหตุผลหลายประการ การขึ้นรูปจึงเป็นเทคโนโลยียอดนิยมสาเหตุส่วนหนึ่งที่ทำให้ได้รับความนิยมก็เนื่องมาจากใช้วัสดุคอมโพสิตขั้นสูงเมื่อเปรียบเทียบกับชิ้นส่วนโลหะ วัสดุเหล่านี้มักจะแข็งแรงกว่า เบากว่า และทนทานต่อการกัดกร่อนมากกว่า ส่งผลให้วัตถุมีคุณสมบัติเชิงกลดีกว่า
ข้อดีอีกประการหนึ่งของการขึ้นรูปคือความสามารถในการผลิตชิ้นส่วนที่ซับซ้อนมากแม้ว่าเทคโนโลยีนี้จะไม่สามารถผลิตความเร็วในการผลิตแม่พิมพ์ฉีดพลาสติกได้เต็มที่ แต่ก็มีรูปทรงเรขาคณิตมากกว่าเมื่อเทียบกับวัสดุคอมโพสิตเคลือบทั่วไปเมื่อเปรียบเทียบกับการฉีดขึ้นรูปพลาสติกแล้ว ยังช่วยให้เส้นใยยาวขึ้น ทำให้วัสดุแข็งแรงขึ้นดังนั้น การขึ้นรูปจึงถือเป็นจุดกึ่งกลางระหว่างการฉีดขึ้นรูปพลาสติกและการผลิตวัสดุคอมโพสิตเคลือบ

1.1 กระบวนการขึ้นรูป บตท
SMC เป็นตัวย่อสำหรับแผ่นโลหะขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิต นั่นคือ โลหะแผ่นขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตวัตถุดิบหลักประกอบด้วยเส้นด้ายพิเศษของ SMC เรซินไม่อิ่มตัว สารเติมแต่งการหดตัวต่ำ สารตัวเติม และสารเติมแต่งต่างๆในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ปรากฏครั้งแรกในยุโรปประมาณปี 1965 สหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นได้พัฒนาเทคโนโลยีนี้อย่างต่อเนื่องในช่วงปลายทศวรรษ 1980 จีนได้เปิดตัวสายการผลิตและกระบวนการ SMC ขั้นสูงจากต่างประเทศSMC มีข้อได้เปรียบ เช่น ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เหนือกว่า ความต้านทานการกัดกร่อน น้ำหนักเบา และการออกแบบทางวิศวกรรมที่เรียบง่ายและยืดหยุ่นคุณสมบัติทางกลของมันสามารถเทียบเคียงได้กับวัสดุโลหะบางชนิด ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การขนส่ง การก่อสร้าง อิเล็กทรอนิกส์ และวิศวกรรมไฟฟ้า

1.2 กระบวนการขึ้นรูป BMC
ในปีพ.ศ. 2504 ได้มีการเปิดตัวสารประกอบการขึ้นรูปแบบแผ่นเรซินไม่อิ่มตัว (SMC) ที่พัฒนาโดย Bayer AG ในประเทศเยอรมนีในทศวรรษที่ 1960 Bulk Moulding Compound (BMC) เริ่มได้รับการส่งเสริม หรือที่รู้จักในชื่อ DMC (Dough Moulding Compound) ในยุโรป ซึ่งไม่ข้นขึ้นในช่วงแรก (ทศวรรษ 1950)ตามคำจำกัดความของอเมริกา BMC คือ BMC ที่หนาขึ้นหลังจากยอมรับเทคโนโลยีของยุโรป ญี่ปุ่นก็ประสบความสำเร็จอย่างมากในการประยุกต์และการพัฒนา BMC และในช่วงทศวรรษ 1980 เทคโนโลยีดังกล่าวก็มีความเป็นผู้ใหญ่มากจนถึงขณะนี้ เมทริกซ์ที่ใช้ใน BMC เป็นเรซินโพลีเอสเตอร์ไม่อิ่มตัว

BMC เป็นของพลาสติกเทอร์โมเซตติงขึ้นอยู่กับลักษณะของวัสดุ อุณหภูมิของถังวัสดุของเครื่องฉีดพลาสติกไม่ควรสูงเกินไปเพื่อให้วัสดุไหลสะดวกดังนั้นในกระบวนการฉีดขึ้นรูปของ BMC การควบคุมอุณหภูมิของถังวัสดุจึงมีความสำคัญมากและต้องมีระบบควบคุมเพื่อให้มั่นใจถึงความเหมาะสมของอุณหภูมิ เพื่อให้ได้อุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดตั้งแต่ส่วนป้อนจนถึง หัวฉีด

1.3 การขึ้นรูปโพลีไซโคลเพนทาไดอีน (PDCPD)
การขึ้นรูปโพลีไซโคลเพนทาไดอีน (PDCPD) ส่วนใหญ่เป็นเมทริกซ์บริสุทธิ์มากกว่าพลาสติกเสริมแรงหลักกระบวนการขึ้นรูป PDCPD ซึ่งเกิดขึ้นในปี 1984 อยู่ในหมวดหมู่เดียวกับการขึ้นรูปโพลียูรีเทน (PU) และได้รับการพัฒนาครั้งแรกโดยสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่น
Telene ซึ่งเป็นบริษัทในเครือของบริษัท Zeon Corporation ของญี่ปุ่น (ตั้งอยู่ในเมือง Bondue ประเทศฝรั่งเศส) ประสบความสำเร็จอย่างมากในการวิจัยและพัฒนา PDCPD และการปฏิบัติการเชิงพาณิชย์
กระบวนการขึ้นรูป RIM นั้นง่ายต่อการดำเนินการโดยอัตโนมัติและมีค่าใช้จ่ายด้านแรงงานต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการต่างๆ เช่น การพ่น FRP, RTM หรือ SMCต้นทุนแม่พิมพ์ที่ใช้โดย PDCPD RIM นั้นต่ำกว่าของ SMC มากตัวอย่างเช่น แม่พิมพ์ฝากระโปรงเครื่องยนต์ของ Kenworth W900L ใช้เปลือกนิกเกิลและแกนอะลูมิเนียมหล่อ โดยมีเรซินความหนาแน่นต่ำที่มีความถ่วงจำเพาะเพียง 1.03 ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยลดต้นทุน แต่ยังช่วยลดน้ำหนักอีกด้วย

1.4 การขึ้นรูปโดยตรงทางออนไลน์ของวัสดุคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกเสริมแรงด้วยไฟเบอร์ (LFT-D)
ประมาณปี 1990 LFT (Long Fiber Reinforced Thermoplastics Direct) เปิดตัวสู่ตลาดในยุโรปและอเมริกาบริษัท CPI ในสหรัฐอเมริกาเป็นบริษัทแรกของโลกที่พัฒนาอุปกรณ์การขึ้นรูปแบบเทอร์โมพลาสติกเสริมใยยาวแบบคอมโพสิตในสายการผลิตโดยตรงและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง (LFT-D, การผสมในสายการผลิตโดยตรง)เริ่มดำเนินการเชิงพาณิชย์ในปี พ.ศ. 2534 และเป็นผู้นำระดับโลกในด้านนี้Diffenbarcher บริษัทสัญชาติเยอรมัน ค้นคว้าเทคโนโลยี LFT-D มาตั้งแต่ปี 1989 ปัจจุบันมี LFT D เป็นหลัก, Tailored LFT (ซึ่งสามารถเสริมกำลังเฉพาะจุดตามความเค้นของโครงสร้าง) และ Advanced Surface LFT-D (พื้นผิวที่มองเห็นได้, พื้นผิวสูง คุณภาพ) เทคโนโลยีจากมุมมองของสายการผลิต ระดับการพิมพ์ของ Diffenbarcher นั้นสูงมากระบบการอัดรีด D-LFT ของบริษัท German Coperation อยู่ในตำแหน่งผู้นำในระดับสากล

1.5 เทคโนโลยีการผลิตการหล่อแบบไร้แม่พิมพ์ (PCM)
PCM (การผลิตแบบหล่อน้อยลง) ได้รับการพัฒนาโดย Laser Rapid Prototyping Center ของมหาวิทยาลัย Tsinghuaควรใช้เทคโนโลยีการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วกับกระบวนการหล่อทรายด้วยเรซินแบบดั้งเดิมขั้นแรก รับโมเดล CAD การหล่อจากโมเดล CAD ของชิ้นงานไฟล์ STL ของโมเดล CAD แบบหล่อถูกวางซ้อนกันหลายชั้นเพื่อให้ได้ข้อมูลโปรไฟล์แบบตัดขวาง ซึ่งจากนั้นจะใช้เพื่อสร้างข้อมูลการควบคุมในระหว่างกระบวนการขึ้นรูป หัวฉีดอันแรกจะพ่นกาวลงบนทรายแต่ละชั้นอย่างแม่นยำโดยการควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ ในขณะที่หัวฉีดอันที่สองจะพ่นตัวเร่งปฏิกิริยาไปตามเส้นทางเดียวกันทั้งสองเกิดปฏิกิริยาพันธะ ทำให้ชั้นทรายแข็งตัวทีละชั้นและก่อตัวเป็นกองทรายในบริเวณที่กาวและตัวเร่งปฏิกิริยาทำงานร่วมกันจะแข็งตัวด้วยกัน ในขณะที่ทรายในบริเวณอื่นยังคงอยู่ในสถานะเป็นเม็ดหลังจากการบ่มชั้นหนึ่ง ชั้นถัดไปจะถูกเชื่อมติดกัน และหลังจากที่ทุกชั้นถูกเชื่อมเข้าด้วยกัน ก็จะได้เอนทิตีเชิงพื้นที่ทรายเดิมยังคงเป็นทรายแห้งในบริเวณที่ไม่ได้พ่นกาวทำให้ลอกออกได้ง่ายขึ้นโดยการทำความสะอาดทรายแห้งที่ยังไม่แข็งตัวตรงกลาง จะได้แม่พิมพ์หล่อที่มีความหนาของผนังตามที่กำหนดหลังจากทาหรือเคลือบสีลงบนพื้นผิวด้านในของแม่พิมพ์ทรายแล้ว ก็สามารถใช้สำหรับการเทโลหะได้

จุดอุณหภูมิการบ่มของกระบวนการ PCM มักจะอยู่ที่ประมาณ 170 ℃การปูเย็นและการปอกเย็นที่เกิดขึ้นจริงที่ใช้ในกระบวนการ PCM นั้นแตกต่างจากการขึ้นรูปการวางแบบเย็นและการลอกแบบเย็นเกี่ยวข้องกับการค่อยๆ วางพรีเพกบนแม่พิมพ์ตามความต้องการโครงสร้างของผลิตภัณฑ์เมื่อแม่พิมพ์อยู่ที่ปลายเย็น จากนั้นปิดแม่พิมพ์ด้วยการกดขึ้นรูปหลังจากการวางเสร็จสิ้นเพื่อให้เกิดแรงกดที่แน่นอนในเวลานี้ แม่พิมพ์ถูกให้ความร้อนโดยใช้เครื่องวัดอุณหภูมิแม่พิมพ์ กระบวนการปกติคือการเพิ่มอุณหภูมิจากอุณหภูมิห้องเป็น 170 ℃ และต้องปรับอัตราการให้ความร้อนตามผลิตภัณฑ์ต่างๆส่วนใหญ่ทำจากพลาสติกชนิดนี้เมื่ออุณหภูมิของแม่พิมพ์ถึงอุณหภูมิที่ตั้งไว้ ฉนวนและการเก็บรักษาแรงดันจะดำเนินการเพื่อรักษาผลิตภัณฑ์ไว้ที่อุณหภูมิสูงหลังจากการบ่มเสร็จสิ้น ยังจำเป็นต้องใช้เครื่องวัดอุณหภูมิแม่พิมพ์เพื่อทำให้อุณหภูมิแม่พิมพ์เย็นลงเป็นอุณหภูมิปกติ และอัตราการให้ความร้อนยังตั้งไว้ที่ 3-5 ℃/นาที จากนั้นจึงดำเนินการเปิดแม่พิมพ์และการสกัดชิ้นส่วน

2. เทคโนโลยีการขึ้นรูปของเหลว
เทคโนโลยีการขึ้นรูปของเหลว (LCM) หมายถึงชุดของเทคโนโลยีการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตโดยวางพรีฟอร์มเส้นใยแห้งไว้ในโพรงแม่พิมพ์แบบปิดก่อน จากนั้นจึงฉีดเรซินเหลวเข้าไปในโพรงแม่พิมพ์หลังจากการปิดแม่พิมพ์ภายใต้ความกดดัน เรซินจะไหลและดูดซับเส้นใยเมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการขึ้นรูปกระป๋องอัดร้อน LCM มีข้อดีหลายประการ เช่น เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำของมิติสูงและมีลักษณะที่ซับซ้อนต้นทุนการผลิตต่ำและใช้งานง่าย
โดยเฉพาะอย่างยิ่งกระบวนการ RTM แรงดันสูงที่พัฒนาขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา HP-RTM (High Pressure Resin Transfer Molding) หรือเรียกโดยย่อว่ากระบวนการขึ้นรูป HP-RTMหมายถึงกระบวนการขึ้นรูปโดยใช้ความดันแรงดันสูงเพื่อผสมและฉีดเรซินลงในแม่พิมพ์ที่ปิดผนึกสุญญากาศก่อนวางด้วยวัสดุเสริมเส้นใยและส่วนประกอบที่ฝังไว้ล่วงหน้า จากนั้นจึงได้ผลิตภัณฑ์วัสดุคอมโพสิตผ่านการเติมการไหลของเรซิน การชุบ การบ่ม และการสาธิต .ด้วยการลดเวลาในการฉีด คาดว่าจะควบคุมเวลาการผลิตส่วนประกอบโครงสร้างการบินได้ภายในสิบนาที ทำให้มีปริมาณเส้นใยสูงและการผลิตชิ้นส่วนที่มีประสิทธิภาพสูง
กระบวนการขึ้นรูป HP-RTM เป็นหนึ่งในกระบวนการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายอุตสาหกรรมข้อได้เปรียบอยู่ที่ความเป็นไปได้ในการบรรลุต้นทุนต่ำ วงจรสั้น การผลิตจำนวนมาก และการผลิตคุณภาพสูง (ที่มีคุณภาพพื้นผิวที่ดี) เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการ RTM แบบดั้งเดิมมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การผลิตยานยนต์ การต่อเรือ การผลิตเครื่องบิน เครื่องจักรกลการเกษตร การขนส่งทางรถไฟ การผลิตพลังงานลม สินค้ากีฬา ฯลฯ

3. เทคโนโลยีการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติก
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกได้กลายเป็นจุดสนใจในการวิจัยในด้านการผลิตวัสดุคอมโพสิตทั้งในประเทศและต่างประเทศ เนื่องจากมีข้อดีคือ ทนต่อแรงกระแทกสูง มีความเหนียวสูง ทนทานต่อความเสียหายสูง และทนความร้อนได้ดีการเชื่อมด้วยวัสดุคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกสามารถลดจำนวนการเชื่อมต่อหมุดย้ำและโบลต์ในโครงสร้างเครื่องบินได้อย่างมาก ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตอย่างมากและลดต้นทุนการผลิตจากข้อมูลของ Airframe Collins Aerospace ซึ่งเป็นซัพพลายเออร์ชั้นนำด้านโครงสร้างเครื่องบิน โครงสร้างเทอร์โมพลาสติกที่เชื่อมได้แบบไม่ต้องกดร้อนสามารถขึ้นรูปได้ มีศักยภาพในการลดวงจรการผลิตลง 80% เมื่อเทียบกับส่วนประกอบที่เป็นโลหะและเทอร์โมเซตติง
การใช้วัสดุในปริมาณที่เหมาะสมที่สุด การเลือกกระบวนการที่ประหยัดที่สุด การใช้ผลิตภัณฑ์ในส่วนที่เหมาะสม การบรรลุเป้าหมายการออกแบบที่กำหนดไว้ล่วงหน้า และการบรรลุอัตราส่วนต้นทุนประสิทธิภาพในอุดมคติของผลิตภัณฑ์เป็นทิศทางเสมอ ความพยายามของผู้ปฏิบัติงานด้านวัสดุคอมโพสิตฉันเชื่อว่าในอนาคตจะมีการพัฒนากระบวนการขึ้นรูปเพิ่มเติมเพื่อตอบสนองความต้องการในการออกแบบการผลิต