ลักษณะเฉพาะของกระบวนการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์และขั้นตอนการผลิต

กระบวนการขึ้นรูปคือการนำวัสดุพรีเพรกจำนวนหนึ่งใส่ลงในช่องแม่พิมพ์โลหะ จากนั้นใช้เครื่องอัดที่มีแหล่งความร้อนเพื่อสร้างอุณหภูมิและความดันที่เหมาะสม เพื่อให้วัสดุพรีเพรกในช่องแม่พิมพ์อ่อนตัวลงด้วยความร้อน ความดันจะไหลเข้าไปเติมเต็มช่องแม่พิมพ์ และทำการขึ้นรูปและบ่มผลิตภัณฑ์ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้น

กระบวนการขึ้นรูปนั้นมีลักษณะเฉพาะคือต้องใช้ความร้อนในระหว่างกระบวนการขึ้นรูป โดยจุดประสงค์ของความร้อนคือเพื่อให้วัสดุพรีเพรกอ่อนตัวลงและไหลได้ง่ายขึ้นเรซินโดยการเติมช่องว่างในแม่พิมพ์และเร่งปฏิกิริยาการแข็งตัวของวัสดุเมทริกซ์เรซิน ในระหว่างกระบวนการเติมช่องว่างในแม่พิมพ์ด้วยพรีเพรก ไม่เพียงแต่เมทริกซ์เรซินเท่านั้นที่ไหล แต่ยังรวมถึงวัสดุเสริมแรงด้วย ทำให้เมทริกซ์เรซินและเส้นใยเสริมแรงเติมเต็มทุกส่วนของช่องว่างในแม่พิมพ์ไปพร้อมกัน

เฉพาะเรซินเนื่องจากความหนืดของเมทริกซ์สูงมาก และพันธะมีความแข็งแรงมาก เพื่อให้เส้นใยเสริมแรงไหลไปตามพื้นผิวได้ จึงจำเป็นต้องใช้แรงดันในการขึ้นรูปที่สูงกว่าในกระบวนการขึ้นรูป ซึ่งต้องใช้แม่พิมพ์โลหะที่มีความแข็งแรงสูง ความแม่นยำสูง และทนต่อการกัดกร่อน และต้องใช้เครื่องอัดร้อนแบบพิเศษเพื่อควบคุมอุณหภูมิในการอบขึ้นรูป แรงดัน เวลาในการคงรูป และพารามิเตอร์กระบวนการอื่นๆ

กระบวนการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์มีประสิทธิภาพสูงในการผลิต ความแม่นยำของขนาดผลิตภัณฑ์ และผิวสำเร็จที่ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับผลิตภัณฑ์วัสดุผสมที่มีโครงสร้างซับซ้อน สามารถขึ้นรูปได้ในครั้งเดียวโดยไม่ทำให้คุณสมบัติของผลิตภัณฑ์วัสดุผสมเสียหาย ข้อเสียหลักคือ การออกแบบและการผลิตแม่พิมพ์มีความซับซ้อนมากขึ้น และการลงทุนเริ่มต้นสูงกว่า แม้ว่ากระบวนการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์จะมีข้อเสียดังกล่าว แต่กระบวนการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ก็ยังคงมีความสำคัญในกระบวนการขึ้นรูปวัสดุผสมอยู่ดี

1. การเตรียมการ
ทำหน้าที่ให้ดีพรีเพรกรวมถึงการตรวจสอบและเตรียมแม่พิมพ์สำหรับการขึ้นรูป โดยใช้ชิ้นงานทดสอบในเตาหลอมเป็นฐานรอง และทำความสะอาดแม่พิมพ์หลังจากการใช้งานครั้งสุดท้าย เพื่อขจัดคราบเรซินและเศษวัสดุที่เหลืออยู่ เพื่อให้แม่พิมพ์สะอาดและเรียบเนียน
2. การตัดและการวางแผ่นพรีเพรก
จะนำวัตถุดิบคาร์บอนไฟเบอร์ที่เตรียมไว้แล้วมาผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ โดยหลังจากตรวจสอบวัสดุพรีเพรกแล้ว จะคำนวณพื้นที่ของวัตถุดิบ วัสดุ จำนวนแผ่น และนำวัตถุดิบมาซ้อนกันเป็นชั้นๆ พร้อมทั้งอัดขึ้นรูปด้วยแรงดันเบื้องต้น เพื่อให้ได้รูปทรงที่สม่ำเสมอและมีความหนาแน่นตามที่ต้องการ
3. การขึ้นรูปและการอบแห้ง
วางวัตถุดิบที่เรียงซ้อนกันลงในแม่พิมพ์ และในขณะเดียวกันก็ใส่ถุงลมพลาสติกด้านในลงไปด้วย ปิดแม่พิมพ์ แล้วนำเข้าเครื่องขึ้นรูป ถุงลมพลาสติกภายในจะได้รับแรงดันคงที่ อุณหภูมิคงที่ และตั้งเวลาคงที่ เพื่อให้วัสดุแข็งตัว
4. การระบายความร้อนและการถอดแบบ
หลังจากอัดแรงดันภายนอกแม่พิมพ์ไว้ระยะหนึ่งแล้ว ให้รอจนเย็นตัวลงสักระยะ จากนั้นจึงเปิดแม่พิมพ์และถอดชิ้นงานออกจากแม่พิมพ์ด้านนอก เพื่อทำความสะอาดแม่พิมพ์
5. การขึ้นรูปชิ้นงาน
หลังจากถอดออกจากแม่พิมพ์แล้ว ผลิตภัณฑ์จำเป็นต้องทำความสะอาด โดยใช้แปรงเหล็กหรือแปรงทองแดงขูดเศษพลาสติกที่เหลือออก จากนั้นใช้ลมเป่าเพื่อขัดเงาผลิตภัณฑ์ให้พื้นผิวเรียบเนียนและสะอาด
6. การทดสอบแบบไม่ทำลายและการตรวจสอบขั้นสุดท้าย
การทดสอบแบบไม่ทำลายและการตรวจสอบขั้นสุดท้ายของผลิตภัณฑ์จะดำเนินการตามข้อกำหนดของเอกสารการออกแบบ

การวิเคราะห์ประเด็นทางเทคนิคของกระบวนการขึ้นรูปพรีเพรก

นับตั้งแต่การกำเนิดของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ต้นทุนการผลิตและผลกระทบจากกระบวนการผลิตมักเป็นข้อจำกัด ทำให้ไม่สามารถนำไปใช้ในปริมาณมากได้ ปัจจัยสำคัญที่กำหนดต้นทุนและผลกระทบจากการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์คือกระบวนการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์กระบวนการขึ้นรูปมีอยู่มากมาย เช่น RTM, VARI, ถังอัดร้อน, การอบพรีเพรก (OOA) เป็นต้น แต่มีข้อจำกัดอยู่สองประการคือ 1. ระยะเวลาในการขึ้นรูปนาน 2. ราคาสูง (เมื่อเทียบกับโลหะและพลาสติก) การขึ้นรูปด้วยการอัดพรีเพรก (Prepreg Compression Molding) เป็นกระบวนการขึ้นรูปชนิดหนึ่งที่สามารถผลิตได้ในปริมาณมากและลดต้นทุนการผลิต ซึ่งกำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ

กระบวนการขึ้นรูปด้วยพรีเพรก หมายถึง การใช้ความร้อน ความดัน และระยะเวลาที่กำหนด เพื่อกระจายพรีเพรกให้กลายเป็นชิ้นงานขึ้นรูปด้วยการอัด กระบวนการนี้มีความเร็วในการขึ้นรูปสูง อุปกรณ์ไม่ซับซ้อน ใช้งานง่าย เมื่อเทียบกับกระบวนการขึ้นรูปด้วยถังความร้อน VARI และ OOA แล้ว ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีคุณภาพพื้นผิวที่ดีเยี่ยม มีความเสถียรของขนาดที่ดี และควบคุมกระบวนการได้ง่าย

▲แผนผังกระบวนการขึ้นรูปพรีเพรก

องค์ประกอบสี่ประการของกระบวนการขึ้นรูป

1. อุณหภูมิและความสม่ำเสมอ: สะท้อนถึงระดับปฏิกิริยาระหว่างเรซินและสารเร่งปฏิกิริยาและความสม่ำเสมอของตำแหน่งปฏิกิริยา ซึ่งควบคุมคุณภาพของพื้นผิวการขึ้นรูปและระดับการบ่มเป็นหลัก

2. แรงดันและความสม่ำเสมอ: สะท้อนถึงการระบายอากาศและผลกระทบของการไหลในเรซิน ซึ่งควบคุมคุณภาพพื้นผิวการขึ้นรูปและคุณสมบัติทางกล

3. ระยะเวลาในการบ่ม: สะท้อนถึงระดับการบ่ม เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพในการผลิต

4. ความหนาของแม่พิมพ์: ออกแบบความหนาของแม่พิมพ์ให้เหมาะสมกับความหนาของผลิตภัณฑ์ โดยพิจารณาจากคุณลักษณะเฉพาะของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์

ความเหมาะสมของกระบวนการ

พรีเพรกในทางทฤษฎีแล้ว กระบวนการขึ้นรูปสามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีโครงสร้างใดๆ ก็ได้ แต่หากโครงสร้างของผลิตภัณฑ์ซับซ้อนเกินไป เช่น หัวเข็มขัดกลับด้าน หรือมีพื้นที่ขอบมากเกินไป จะทำให้ต้นทุนของแม่พิมพ์เพิ่มขึ้นอย่างมากและเกิดความยากลำบากในการผลิต ดังนั้นสำหรับชิ้นส่วนที่มีโครงสร้างซับซ้อนเป็นพิเศษ กระบวนการขึ้นรูปจึงไม่ค่อยเหมาะสมนัก แต่เราสามารถใช้การปรับโครงสร้างให้เหมาะสม หรือใช้การออกแบบแบบบล็อกร่วมกับการเชื่อมต่อเพื่อผลิตชิ้นส่วนที่ซับซ้อนได้

เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง

1. เทคโนโลยีการตัดหลายชั้น: แผ่นพรีเพรกหลายชั้นจะถูกตัดพร้อมกัน แผ่นพรีเพรกที่มีมุมต่างกันจะถูกตัดพร้อมกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการตัด

2. เทคโนโลยีแบบร้อนเข้า/ร้อนออก: แม่พิมพ์จะถูกให้ความร้อนโดยตรงจนถึงอุณหภูมิการอบแห้ง จากนั้นจึงใส่ชิ้นงานขึ้นรูปเข้าไปในแม่พิมพ์และกดขึ้นรูป ซึ่งช่วยลดเวลาในการขึ้นรูปและลดการใช้พลังงาน

3. เทคโนโลยีการขึ้นรูปตามขนาดที่ต้องการ: ชิ้นงานขึ้นรูปเบื้องต้นจะถูกเจาะให้ได้ขนาดที่ต้องการก่อน จากนั้นจึงนำไปใส่ในแม่พิมพ์ขนาดที่ต้องการเพื่อทำการอบให้แข็งตัว ซึ่งช่วยลดขั้นตอนการตัดแต่ง

ความยากลำบากของกระบวนการ

ความยากลำบากในการออกแบบแม่พิมพ์สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีโครงสร้างซับซ้อน: หากผลิตภัณฑ์มีส่วนโค้งเว้าและมุมลบจำนวนมาก จะทำให้การผลิตแม่พิมพ์ยากขึ้น และในขณะเดียวกัน เมื่อใช้งานแม่พิมพ์เป็นเวลานาน จะทำให้ความแม่นยำในการจัดตำแหน่งของชิ้นส่วนลดลง ดังนั้น ในการออกแบบผลิตภัณฑ์ ควรพยายามหลีกเลี่ยงส่วนโค้งเว้าหรือมุมลบ

หมายเหตุ: ชิ้นส่วนหุ้มภายนอกของผลิตภัณฑ์มีความต้องการคุณภาพพื้นผิวสูงมาก ปัญหาทั่วไปของชิ้นส่วนวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ ได้แก่: จุดขาวบนพื้นผิวผลิตภัณฑ์; ปัญหาพื้นผิวไม่เรียบ; รูเล็กๆ บนพื้นผิว; ปัญหาการยึดติดไม่ดี เป็นต้น โดยสรุปสาเหตุได้แก่ สารเร่งปฏิกิริยาในพรีเพรกผสมไม่สม่ำเสมอหรือปฏิกิริยาไม่สมบูรณ์; อุณหภูมิของแม่พิมพ์ไม่สม่ำเสมอ; อุณหภูมิและความดันไม่เหมาะสม; การออกแบบและการผลิตแม่พิมพ์ไม่ถูกต้อง; กระบวนการขึ้นรูปไม่ได้รับการควบคุม; แม่พิมพ์ตัวแทนปล่อยเกิดปฏิกิริยา และอื่นๆ