مراحل ساخت بدنه فیبرکربنی

مجله ماشین – نویسنده: مهندس کیوان بنی هاشمی /گروه صنعتی معروف به Speed Kore Performance از سال ۲۰۱۵ خودروهای عضلانی آمریکایی را مجهز به پیشرانه‏‌هایی با کارآیی بالا، شاسی‏‌های سفارشی و از همه مهمتر استفاده از فیبرکربن به سبک خودروهای F1 به منظور سبک ‏سازی کرده و مدیران این شرکت تصمیم دارند تا چیزی شبیه مسابقات فرمولا وان موناکو را در دیترویت راه‏ اندازی کنند.

جدیدترین مدل ایجاد شده براساس این سناریو یک دوج شارژر با عنوان Hellraiser است. به‏ طوری‏که ۲۷۳ کیلوگرم از وزن اصلی آن کاسته شده در حالی که به ‏دلیل استفاده از پیشرانه۴۲۶ Hellephant که یک موتور ۸ سیلندر V شکل بوده نیروی تولیدی آن به ۶۰۰ اسب‏ بخار رسیده است.

اما آن‏چه باعث کنجکاوی شد فرآیند استفاده از فیبرکربن توسط شرکت Speed Kore بود و بدین منظور گزارشی از فرایند ساخت بدنه خودرو در این مرکز تهیه نمودیم.

امروزه از الیاف کربن بیش از هر زمان دیگری در ساخت اتومبیل های گران‏ قیمت و برخوردار از یک موتور قدرتمند استفاده می‏‌شود البته در برخی از خودروهای در محدوده قیمتی ۳۰ تا ۵۰ هزار دلار نیز فیبرکربن در ساخت سازه‏‌های بدنه آن دیده می‏‌شود.

اما به هر حال تأثیر فیبرکربن در عملکرد و کارآیی هر خودرو انکارناپذیر است حتی اگر میزان آن اندک باشد.

اگر قصد خریداری چنین قطعاتی را دارید باید هم به جنبه‏‌های زیبایی و هم سازه‏ای آن توجه کامل مبذول کنید. برخی قطعات کربنی ارزان‏ قیمت در بازار وجود دارد اما فرآیند تولید و نوع مواد مصرفی می‌‏تواند تأثیر قطعی روی کاهش وزن و افزایش استحکام داشته باشند.

قالب

جدا از کیفیت، قطعات فیبرکربنی از دو عنصر بافت الیاف کربن و رزین ساخته می‏‌شود. بافت یا Fabric تشکیل شده از رشته‏‌های پلیمری الیاف کربن اما بدون رزین استحکام آن فقط اندکی بیشتر از پتو است.

اغلب سازندگان برای ساخت قطعات از جنس الیاف کربن از قالب استفاده می‏‌کنند و در فرآیند پخت و بافت یا Fabric اقدام به شکل دادن آنها می‏‌کنند.

برای قطعات معمولی از قالب‏‌های فایبرگلاس استفاده می‏‌کنند. گرچه فایبرگلاس برای قطعات کوچک کافی است اما فاقد استحکام مورد نیاز در ساخت قطعات بزرگ‏تر است.

علیرغم نقاط ضعف قالب‏‌های ساخته شده از فایبرگلاس، بسیاری از سازندگان از آنها برای ساخت اغلب قطعات از جنس الیاف کربن استفاده می‏‌کنند.

اغلب قالب‏‌های شرکت Speed Kore با استفاده از پرتو نور آبی رنگ برای اسکن کردن یک قطعه مثبت و ایجاد یک مدل دیجیتالی سه بعدی به ‏وجود آمده اند.

این اطلاعات به یک دستگاه CNC پنج محوره داده می‏‌شود تا برش‌‏های قطعات منفی یا قطعاتی را که باید دور ریخته شوند را انجام دهد.

قالب‏‌هایی که بدین شکل تولید می‌‏شوند به نحو استثنایی دقیق هستند و لذا قطعاتی که درون آنها شکل می‌‏گیرند نیاز چندانی به کارهای تکمیلی یا Finishing ندارند.

فیبرکربن و رزین

گونه‏‌های مختلفی از مواد الیاف کربنی وجود دارد اما رایج ترین نوعی که در کاربردهای خودرویی مورد استفاده قرار می‌‏گیرد نوعی است که بافت جناغی و به‏ صورت ۲×۲ است.

چنین آرایش بافتی نام خود را از دو ریسمان هموار که در جهات مختلف حرکت می‏‌کنند اقتباس کرده است.

اگرچه چنین طرحی توسط شخص بافته شود ولی نوع بافت آن این‏ گونه است که یکی در بالای یکی دیگر قرار دارد.

بافت جناغی Two-by-Two نتیجه یک طرح مورب با لفاف‏‌های عمودی و افقی بوده و این امکان را به بافت یا Fabric آن می‌‏دهد که بدون آنکه به حالت خوشه دار درآید و یا کشیده شود خود را به شکل قالب درآورد.

اگرچه بافت الیاف کربن مترادف با کامپوزیتی با عملکرد بالا است اما فراموش نکنیم که این رزین است که مقاومت لازم را به آن می‏‌دهد.

رزین به ‏عنوان یک عامل تقویت‏ کننده مورد استفاده قرار گرفته و باعث می‏‌شود که لایه‌‏های مختلف در یکدیگر ادغام شده و مانع از ایجاد هر گونه حباب هوا به منظور تولید یک قطعه محکم و مستحکم می‏‌گردد.

پلی استر یا رزین – نقاط قوت و ضعف

رایج‌ترین رزین‏‌های پلیمری که برای مخلوط شدن مورد استفاده قرار می‏‌گیرند عبارتند از اپوکسی یا پلی استر و همانطور که در مورد البسه صادق است پلی استر انتخاب ارزان‏‌تری است.

برخی از سازندگان در ساخت قطعات تزئینی از رزین‏‌های پلی استر استفاده می‌‏کنند چون سریعاً فرآیند انجام می‏‌شود البته در جایی و قطعه‌‏ای که یکپارچگی ساختاری اهمیت چندانی نداشته باشد.

در مقابل، اپوکسی گرچه گران‏‌تر است اما استحکام بیشتری دارد و از نظر کلی کیفیت ظاهری بهتری دارد.

شرکت Speed Kore از اپوکسی انحصاراً در تولید تمامی قطعات کربنی استفاده می‏‌کند.

آنها با استفاده از کامپوزیتی به‏نام prepreg که ساخته شده از الیاف کربنی پیش از آغشته ‏سازی است یک قدم در استفاده از اپوکسی فراتر گذاشته‌‏اند.

بخش‌‏های مختلف الیاف کربن سبک وزن بوده و بخش عمده وزن مربوط به رزین اضافه شده به آن است. چنانچه ضمانت قطعه یکسان و طرح آن از نظر بافتی پیوسته باشد این امر منجر به کاهش وزن می‏‌شود.

فرآیند پختن

Prepreg و الیاف کربن استاندارد فرآیند پختن متفاوتی دارند.

قطعات استاندارد کربنی ساخته شده از روشی به نام Wet lay-Up هستند.

در این روش بافت براساس سایز و اندازه مورد نظر برش داده ‏شده و به داخل قالب گذاشته می‏‌شود و سپس رزین با استفاده از یک برس روی آن ریخته می‏‌شود.

قطعاتی که بدین شکل تولید می‏شوند معمولاً به‏ صورت هوا خنک هستند.

قرار دادن آن در کیسه وکیوم یا خلاء عملاً منجر به مهر و موم کردن قطعه در داخل کیسه پلاستیکی شده و یک شلنگ وکیوم را به آن متصل می‏‌کنند و با استفاده از فشار محیط باعث هموار شدن بافت یا فابریک در قالب می‏‌شوند و با جداسازی حباب‌‏های هوا و پخش رزین روی آن عملاً تمامی بخش‏‌های خالی پر می‏‌شود و رزین اضافی ریخته شده در قالب جمع ‏آوری می‏‌شود.

قطعاتی که بدین ترتیب تولید و ساخته می‏‌شوند اعم از اینکه در کیسه وکیوم گذاشته شوند یا خیر همگی با متد wet lay-up شکل می‏‌گیرند و در طول فرآیند پخته شدن ممکن است تغییر پیدا کرده و بسته‏‌بندی شوند و معمولاً از نظر وزنی سنگین‏‌تر از قطعات ساخته شده از کامپوزیت prepreg هستند.

هزینه ساخت این قطعات کمتر‏ بوده ولی به هر حال کیفیت آنها پائین تر است.

کامپوزیت کربن در طول فرآیند فشرده شدن لایه‏‌ها به یکدیگر تحمل هیچگونه خطایی را ندارد و برای پخته شدن نیاز به حرارت دارد.

مواد کامپوزیتی با یک ساختار ساندویچی در بین لایه‏‌های پشتیبان کننده جای می‏‌گیرند و بعد از جدا شدن سطحی که در مجاورت دید قرار می‏‌گیرد چسبنده و چسبناک است.

مواد باید با دقت به داخل قالب ریخته شده و معمولاً نمی‏توان محل آن را تغییر داد.

سپس یک کیسه وکیومی را وارد آن کرده و قالب را داخل اتوکلاو قرار می‏‌دهند که معمولاً عملکرد شبیه یک دیگ تحت فشار دارد.

این فشار باعث می‏‌شود که کامپوزیت محکم به دیواره قالب چسبیده و در این مرحله حرارت باعث پخته شدن آن می‏‌شود و نتیجه یک ادغام الیاف فوق‌‏العاده خوب شکل می‏‌گیرد.

تکمیل قطعات

اغلب قطعات هنگامی که از قالب خارج می‌‏شوند به منظور حفظ کیفیت ظاهری و همین‌طور مواد آن در مقابل خسارات ناشی از اشعه ماوراء بنفش توسط کیلر که یک رنگ پوششی شفاف است اسپری می‏‌شوند چون در غیر این صورت رزینی که توسط کیلر پوشانده نشده باشد به سرعت در مجاورت نور آفتاب به رنگ زرد در می‏‌آید و لذا چنین اقدامی الزامی است.

شرکت Speed Kore اقدام به اصلاح لبه‏‌های تیز قطعات خروجی از اتوکلاو با هدف بی‏‌نقص کردن آنها قبل از آن ۵ تا ۱۰ لایه پوششی کیلر اعم از مات و براق روی آنها انجام می‏‌دهد.

ناگفته نماند که همه سازندگان از این لایه پوششی استفاده نمی‏‌کنند اما لازم است که پوشش کیلر یا سرامیک برای محافظت از قطعات کربنی تکمیل نشده مورد استفاده قرار گیرد.

قطعاتی که توسط شرکت Speed Kore تولید می‏‌شود به‏ دلیل پرداختن به جزئیات، گران‏ قیمت هستند اگر بدن ه‏ای کاملاً از الیاف کربن ساخته شده باشد هزینه‌‏ای حداقل بالغ بر ۴۰۰ هزار دلار دارد ولی هر یک از قطعات تولیدی این شرکت فوق‏‌العاده سبک و از استحکام بالایی برخوردار هستند.