توان محور آذین صنعت

ورق های فایبر گلاس
23/05/2024
فایبرگلاس
فایبرگلاس در مقابل یو پی وی سی: چرا فایبرگلاس انتخاب برتر است
20/09/2024

فرآیند رشته پیچی بدون استفاده از قالب

فرآیند رشته پیچی بدون قالب (CORELESS FILAMENT WINDING)  یک فرآیند تولید قطعات کامپوزیتی است که در آن یک دسته الیاف آغشته به رزین بین یکسری نقاط ثابت برای تولید ساختارهای کامپوزیتی تقویت شده با الیاف قرار می­گیرد.

شکل(1). نقاط ثابت همانند لنگرهایی به صورت فضایی بر روی یک قاب چیده شده‌اند و شکل مولفه مورد نظر را تعریف کرده و دسته الیاف را در یک دنباله خاص به هم متصل می‌کنند. ساختار شبکه‌ای در حال تکامل گام به گام از نظر هندسی توسط گره‌هایی که توسط لبه‌ها به هم متصل شده‌اند توصیف می‌شود و پس از پخت رزین، قابلیت تحمل باربری می یابند. به عنوان یک نتیجه از حذف ماندرل در فرآیند رشته پیچی متداول، رفتار متقابل بین الیاف معمولا شکل اجزای حاصل در این فرآیند را تحت تاثیر قرار می­دهد. هدف از ارائه و توسعه این روش بررسی فرآیندهای خودکار برای ساخت قطعات کامپوزیت است تا هم کنترل قرارگیری الیاف و هم تطبیق‌پذیری هندسی در مقایسه با حالت‌های ساخت موجود افزایش داده شود.

دستگاه رشته پیچی بدون قالب

شکل1- نقاط ثابت واقع بر محور دستگاه رشته پیچی بدون قالب

 

نحوه انجام فرآیند رشته پیچی بدون قالب

در شکل(2)، نحوه انجام فرآیند نشان داده شده است. مطابق با شکل در این روش از دو رباط استفاده می­شود که با یکدیگر کاملا همگام هستند. و به طور موثر یک سیستم سینماتیکی 12 محوری را ایجاد می­کنند. یک ربات به عنوان راهبر(Master) و دیگری به عنوان پیرو (Slave) تعیین می شوند. برای اینکه دو ربات همگام شوند، رباط پیرو یک صفحه پایه را دنبال می کند که از نظر سینماتیکی به رباط راهبر مرتبط است. جهت گیری رباط پیرو از مدل هندسی موردنظر با تغییر خودکار متغیرهای ذخیره شده واقع بر پایه سینماتیکی انجام می­شود. از این روش بطور موثری برای طراحی و ساخت سازه های معماری استفاده می­گردد.

- نحوه انجام فرآیند رشته پیچی بدون قالب

شکل2- نحوه انجام فرآیند رشته پیچی بدون قالب

ماشین‌های رشته پیچی پیشرفته شامل ۲ تا ۸ محور چرخشی، دوک‌های متعدد الیاف و نوارها هستند. در این راستا، فرآیند رشته پیچی بدون هسته (CFW) در اوایل دهه 2010 با یک پیش زمینه معماری دانشگاهی و با جایگزینی مجموعه دوک و ماندرل با لنگرهای نقطه مانند واقع بر روی یک قاب و ماشین رشته پیچ با یک ربات صنعتی استخراج شد. فرآیندهای شکل‌دهی مختلفی برای ساخت کامپوزیت های زمینه پلیمری تقویت‌شده با الیاف (FRP) وجود دارد، از لایه گذاری دستی گرفته تا فرآیندهای صنعتی کاملا اتوماسیون. در این راستا، فرآیند رشته پیچی بدون قالب نوعی تغییر در  فرآیند رشته پیچی معمولی است که در چهار سال گذشته به طور مشترک توسط موسسه سازه های ساختمانی و طراحی سازه (itke) و موسسه طراحی محاسباتی (ICD) توسعه داده شده است. در این فرآیند با استفاده از یک چارچوب مشخص و در یک فضای حداقلی، توسط یک ربات صنعتی، الیاف شیشه به صورت پیوسته و در امتداد یک مسیر از پیش تعیین شده همانند شکل(3) پیچیده می شوند. در حین انجام فرآیند، الیاف در فضای مذکور با یکدیگر تعامل دارند و یک سطح منحنی با چگالی متفاوت در نقاط مختلف تشکیل می دهند. در این فرآیند جهت، مقدار کشش و ترتیب قرارگیری الیاف با شکل نهایی به دست آمده مرتبط است. در نتیجه، برای رسیدن به یک طرح کامل و بی عیب ونقص، می بایست تمامی جنبه های عملکرد و ساخت سازه پیشنهادی در مراحل اولیه ایده در نظر گرفته شود. این طرح در حال حاضر از طریق یک مطالعه همسو و فراگیر در زمینه هایی همچون مدل‌ سازی و مقیاس بر روی مدل ها، اندازه‌گیری‌ بر روی مدل‌ها و شبیه‌سازی‌های ساختاری ساده‌شده که بعداً با نمونه‌سازی فیزیکی در مقیاس بزرگ‌تر همخوانی داشته باشد به دست می‌آید. نقطه شروع این تحقیق در نظر گرفتن این موضوع بوده است که یک استراتژی نمونه سازی سریع و مجازی با کاربردی آسان گسترش داده شود تا زمان مورد نیاز برای تکرارهای متعدد طراحی در مراحل اولیه کاهش داده شود و این اطمینان حاصل شود که در آینده، مدل سازی و تحلیل­های پیچیده تر بر اساس هر شکلی قابل انجام باشد. در شکل های (4) و (5) نحوه ساخت یک سازه نمایشگاهی با روش فوق و با استفاده از یک ربات صنعتی نشان داده شده است.

شکل3- طرح حرکت الیاف برای ایجاد یک شکل سه بعدی در روش رشته پیچی بدون قالب

 

شکل4- یک سازه نمایشگاهی در حین ساخت با روش رشته پیچی بدون قالب

 

 

شکل5- فرآیند حین ساخت یک قطعه مخروطی شکل در روش رشته پیچی بدون قالب

 از زمانی که تحقیقات در مورد این فرآیند در سال 2004 آغاز شد، سه پروژه با استفاده از این فرآیند با موفقیت انجام شد: غرفه تحقیقاتی ICD/ITKE 2012 بر اساس آرایش الیاف در پنجه خرچنگ شکل(6)، غرفه تحقیقاتی ICD/ITKE 2013/2014 بر اساس آرایش الیاف موجود در نوعی سوسک ( سوسک  Elytra) شکل(7) و غرفه نمایشگاهی دانشگاه اشتوتگارت هانوفر2015 شکل(8).

 

شکل 6- غرفه تحقیقاتی ICD/ITKE 2012 با الهام از طرح الیافی موجود در پنجه خرچنگ

 

شکل7- غرفه تحقیقاتی ICD/ITKE 2013-2014 با الهام از سوسک بالدارElytra

 

شکل 8- پایه نمایشگاهی برای دانشگاه اشتوتگارت ©ICD/ITKE