กระบวนการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตที่พบได้บ่อยที่สุด! เอกสารแนบประกอบด้วยวัสดุหลักและข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับข้อดีและข้อเสีย

มีวัตถุดิบให้เลือกมากมายสำหรับวัสดุคอมโพสิต ได้แก่ เรซิน เส้นใย และวัสดุแกนกลาง ซึ่งแต่ละวัสดุมีคุณสมบัติเฉพาะตัวในด้านความแข็งแรง ความแข็ง ความเหนียว และเสถียรภาพทางความร้อน โดยมีต้นทุนและผลผลิตที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพโดยรวมของวัสดุคอมโพสิตไม่ได้ขึ้นอยู่กับเมทริกซ์เรซินและเส้นใย (รวมถึงวัสดุแกนกลางในโครงสร้างแบบแซนด์วิช) เท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับวิธีการออกแบบและกระบวนการผลิตของวัสดุในโครงสร้างด้วย ในบทความนี้ เราจะแนะนำวิธีการผลิตคอมโพสิตที่ใช้กันทั่วไป ปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อแต่ละวิธี และวิธีการเลือกวัตถุดิบสำหรับกระบวนการต่างๆ

การขึ้นรูปด้วยการพ่น
1. คำอธิบายวิธีการ: พ่นวัสดุเสริมแรงด้วยเส้นใยสั้นและระบบเรซินลงในแม่พิมพ์พร้อมกัน จากนั้นทำการอบให้แข็งตัวภายใต้ความดันบรรยากาศเพื่อขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์คอมโพสิตเทอร์โมเซตติง
2. การเลือกวัสดุ:
เรซิน: ส่วนใหญ่เป็นโพลีเอสเตอร์
เส้นใย: เส้นใยแก้วหยาบ
วัสดุแกนกลาง: ไม่มี ต้องประกอบเข้ากับไม้อัดเพียงอย่างเดียว
3. ข้อดีหลัก:
1) ประวัติศาสตร์อันยาวนานของงานฝีมือ
2) ต้นทุนต่ำ การวางเส้นใยและเรซินทำได้รวดเร็ว
3) ต้นทุนแม่พิมพ์ต่ำ
4. ข้อเสียหลัก:
1) ไม้อัดขึ้นรูปง่าย มีบริเวณที่อุดมไปด้วยเรซิน และมีน้ำหนักมาก
2) สามารถใช้ได้เฉพาะเส้นใยสั้นเท่านั้น ซึ่งจำกัดคุณสมบัติทางกลของไม้อัดอย่างมาก
3) เพื่อให้การพ่นง่ายขึ้น ความหนืดของเรซินต้องต่ำพอสมควร ซึ่งจะทำให้คุณสมบัติทางกลและทางความร้อนของวัสดุคอมโพสิตลดลง
4) ปริมาณสไตรีนในเรซินสเปรย์ที่สูง หมายความว่ามีความเสี่ยงอันตรายสูงต่อผู้ปฏิบัติงาน และความหนืดต่ำหมายความว่าเรซินสามารถซึมผ่านเสื้อผ้าทำงานของพนักงานและสัมผัสกับผิวหนังโดยตรงได้ง่าย
5) ความเข้มข้นของสารสไตรีนระเหยในอากาศนั้นยากที่จะเป็นไปตามข้อกำหนดทางกฎหมาย
5. ตัวอย่างการใช้งานทั่วไป:
รั้วแบบเรียบง่าย แผงโครงสร้างรับน้ำหนักต่ำ เช่น ตัวถังรถยนต์เปิดประทุน แฟริ่งรถบรรทุก อ่างอาบน้ำ และเรือขนาดเล็ก

การขึ้นรูปด้วยมือ
1. คำอธิบายวิธีการ: ใช้มือในการแทรกซึมเรซินเข้าไปในเส้นใย เส้นใยอาจเป็นเส้นใยที่ทอ ถัก เย็บ หรือยึดติดด้วยกาว และวิธีการเสริมแรงอื่นๆ โดยปกติแล้วการขึ้นรูปด้วยมือจะใช้ลูกกลิ้งหรือแปรง จากนั้นจึงใช้ลูกกลิ้งกาวบีบเรซินเพื่อให้ซึมเข้าไปในเส้นใย แล้วจึงนำไม้อัดไปวางไว้ภายใต้แรงกดปกติเพื่อให้แข็งตัว
2. การเลือกวัสดุ:
เรซิน: ไม่ระบุชนิด มีให้เลือกใช้ได้แก่ อีพ็อกซี โพลีเอสเตอร์ โพลีเอทิลีนเอสเทอร์ และฟีนอล
เส้นใย: ไม่มีข้อกำหนด แต่เนื่องจากน้ำหนักพื้นฐานของเส้นใยอะรามิดขนาดใหญ่ ทำให้ยากต่อการแทรกซึมเข้าไปในเส้นใยที่ทอด้วยมือ
วัสดุหลัก: ไม่จำเป็นต้องมี
3. ข้อดีหลักๆ:
1) เทคโนโลยีที่มีประวัติศาสตร์ยาวนาน
2) เรียนรู้ได้ง่าย
3) ต้นทุนแม่พิมพ์ต่ำ หากใช้เรซินที่แข็งตัวที่อุณหภูมิห้อง
4) มีวัสดุและผู้จำหน่ายให้เลือกมากมาย
5) มีปริมาณเส้นใยสูง ใช้เส้นใยที่ยาวกว่ากระบวนการพ่น
4. ข้อเสียหลัก:
1) การผสมเรซิน ปริมาณและคุณภาพของเรซินในลามิเนตมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความชำนาญของผู้ปฏิบัติงาน การผลิตลามิเนตที่มีปริมาณเรซินต่ำและความพรุนต่ำนั้นทำได้ยาก
2) อันตรายต่อสุขภาพและความปลอดภัยจากเรซิน ยิ่งน้ำหนักโมเลกุลของเรซินที่ใช้ในการขึ้นรูปด้วยมือต่ำเท่าไร ความเสี่ยงต่อสุขภาพก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ความหนืดที่ต่ำหมายความว่าเรซินมีแนวโน้มที่จะซึมผ่านเสื้อผ้าทำงานของพนักงานและสัมผัสกับผิวหนังโดยตรงได้มากขึ้น
3) หากไม่มีการติดตั้งระบบระบายอากาศที่ดี ความเข้มข้นของสไตรีนที่ระเหยจากโพลีเอสเตอร์และเอสเทอร์ที่ทำจากโพลีเอทิลีนสู่อากาศจะยากที่จะเป็นไปตามข้อกำหนดทางกฎหมาย
4) ความหนืดของเรซินที่ใช้สำหรับผสมด้วยมือต้องต่ำมาก ดังนั้นปริมาณสไตรีนหรือตัวทำละลายอื่นๆ จึงต้องสูง ซึ่งจะทำให้คุณสมบัติทางกล/ความร้อนของวัสดุคอมโพสิตลดลง
5) การใช้งานทั่วไป: ใบพัดกังหันลมมาตรฐาน เรือที่ผลิตจำนวนมาก โมเดลจำลองทางสถาปัตยกรรม

กระบวนการบรรจุแบบสุญญากาศ
1. คำอธิบายวิธีการ: กระบวนการอัดสุญญากาศเป็นส่วนขยายของกระบวนการขึ้นรูปด้วยมือข้างต้น กล่าวคือ การปิดผนึกชั้นฟิล์มพลาสติกบนแม่พิมพ์เพื่อขึ้นรูปไม้อัดด้วยมือแบบสุญญากาศ โดยใช้แรงดันบรรยากาศกับไม้อัดเพื่อให้เกิดผลในการดูดอากาศและกระชับ เพื่อปรับปรุงคุณภาพของวัสดุผสม
2. การเลือกวัสดุ:
เรซิน: ส่วนใหญ่เป็นอีพ็อกซีและฟีนอลเรซิน โพลีเอสเตอร์และเอสเทอร์ที่ใช้โพลีเอทิลีนเป็นส่วนประกอบนั้นใช้ไม่ได้ เพราะมีสไตรีนซึ่งจะระเหยเข้าไปในปั๊มสุญญากาศ
เส้นใย: ไม่จำเป็นต้องมี แม้ว่าน้ำหนักพื้นฐานของเส้นใยขนาดใหญ่จะสามารถแทรกซึมเข้าไปได้ภายใต้แรงดันก็ตาม
วัสดุหลัก: ไม่จำเป็นต้องมี
3. ข้อดีหลัก:
1) สามารถเพิ่มปริมาณเส้นใยได้มากกว่ากระบวนการวางเส้นใยด้วยมือแบบมาตรฐาน
2) อัตราส่วนช่องว่างต่ำกว่ากระบวนการขึ้นรูปด้วยมือแบบมาตรฐาน
3) ภายใต้แรงดันลบ เรซินจะไหลได้เพียงพอที่จะช่วยเพิ่มระดับการแทรกซึมของเส้นใย แน่นอนว่าส่วนหนึ่งของเรซินจะถูกดูดซับโดยวัสดุสิ้นเปลืองในระบบสุญญากาศ
4) สุขภาพและความปลอดภัย: กระบวนการบรรจุแบบสุญญากาศสามารถลดการปล่อยสารระเหยในระหว่างกระบวนการอบแห้งได้
4. ข้อเสียหลัก:
1) กระบวนการเพิ่มเติมทำให้ต้นทุนด้านแรงงานและวัสดุถุงสุญญากาศแบบใช้แล้วทิ้งเพิ่มสูงขึ้น
2) ข้อกำหนดด้านทักษะที่สูงขึ้นสำหรับผู้ปฏิบัติงาน
3) การผสมเรซินและการควบคุมปริมาณเรซินนั้นขึ้นอยู่กับความชำนาญของผู้ปฏิบัติงานเป็นอย่างมาก
4) แม้ว่าถุงสุญญากาศจะช่วยลดการปล่อยสารระเหย แต่ความเสี่ยงต่อสุขภาพของผู้ปฏิบัติงานยังคงสูงกว่ากระบวนการฉีดหรือพรีเพรก
5. การใช้งานทั่วไป: เรือยอชต์ขนาดใหญ่ รุ่นลิมิเต็ดอิดิชั่น ชิ้นส่วนรถแข่ง กระบวนการต่อเรือในส่วนของการยึดติดวัสดุหลัก

แม่พิมพ์ม้วน
1. คำอธิบายวิธีการ: กระบวนการพันเส้นใยโดยพื้นฐานแล้วใช้ในการผลิตชิ้นส่วนโครงสร้างกลวง ทรงกลม หรือทรงรี เช่น ท่อและราง เส้นใยจะถูกชุบด้วยเรซินแล้วพันรอบแกนในทิศทางต่างๆ กระบวนการนี้ถูกควบคุมโดยเครื่องพันเส้นใยและความเร็วของแกนหมุน
2. การเลือกวัสดุ:
เรซิน: ไม่มีข้อกำหนดเฉพาะ เช่น อีพ็อกซี โพลีเอสเตอร์ โพลีเอทิลีนเอสเทอร์ และฟีนอลเรซิน เป็นต้น
เส้นใย: ไม่มีข้อกำหนดใดๆ สามารถใช้เส้นใยจากม้วนเฟรมได้โดยตรง ไม่จำเป็นต้องทอหรือเย็บผ้าใยสังเคราะห์เพิ่มเติม
วัสดุแกนกลาง: ไม่มีข้อกำหนดตายตัว แต่โดยทั่วไปแล้วผิวภายนอกมักเป็นวัสดุคอมโพสิตชั้นเดียว
3. ข้อดีหลักๆ:
(1) ความเร็วในการผลิตที่รวดเร็ว เป็นวิธีการวางชั้นที่ประหยัดและสมเหตุสมผล
(2) สามารถควบคุมปริมาณเรซินได้โดยการวัดปริมาณเรซินที่บรรจุอยู่ในมัดเส้นใยที่ผ่านร่องเรซิน
(3) ลดต้นทุนเส้นใยให้น้อยที่สุด ไม่มีกระบวนการทอขั้นกลาง
(4) ประสิทธิภาพโครงสร้างที่ยอดเยี่ยม เนื่องจากสามารถวางมัดเส้นใยเชิงเส้นตามทิศทางการรับน้ำหนักต่างๆ ได้
4. ข้อเสียหลัก:
(1) กระบวนการนี้จำกัดเฉพาะโครงสร้างกลวงทรงกลม
(2) เส้นใยไม่สามารถจัดเรียงตามทิศทางแกนของส่วนประกอบได้อย่างง่ายดายและแม่นยำ
(3) ต้นทุนที่สูงขึ้นของการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์แมนเดรลสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างขนาดใหญ่
(4) พื้นผิวด้านนอกของโครงสร้างไม่ใช่พื้นผิวแม่พิมพ์ ดังนั้นความสวยงามจึงแย่ลง
(5) การใช้เรซินที่มีความหนืดต่ำ จำเป็นต้องคำนึงถึงคุณสมบัติทางกลและประสิทธิภาพด้านสุขภาพและความปลอดภัย
การใช้งานทั่วไป: ถังและท่อเก็บสารเคมี, กระบอกสูบ, ถังช่วยหายใจสำหรับนักดับเพลิง

การขึ้นรูปด้วยการดึง
1. คำอธิบายวิธีการ: เส้นใยที่ชุบกาวแล้วจะถูกดึงจากที่ยึดม้วนเส้นใย ผ่านแผ่นความร้อน ในแผ่นความร้อนนั้น เรซินจะแทรกซึมเข้าไปในเส้นใย และควบคุมปริมาณเรซิน จนกระทั่งวัสดุแข็งตัวเป็นรูปทรงที่ต้องการ จากนั้นจึงตัดผลิตภัณฑ์ที่แข็งตัวแล้วเป็นชิ้นๆ ด้วยเครื่องจักร เส้นใยสามารถเข้าสู่แผ่นความร้อนในทิศทางอื่นที่ไม่ใช่ 0 องศาได้เช่นกัน การอัดขึ้นรูปและการยืดขึ้นรูปเป็นกระบวนการผลิตแบบต่อเนื่อง และหน้าตัดของผลิตภัณฑ์มักจะมีรูปทรงคงที่ อนุญาตให้มีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยได้ การนำวัสดุที่เปียกชื้นแล้วผ่านแผ่นความร้อนและกระจายลงในแม่พิมพ์จะทำให้แข็งตัวทันที แม้ว่ากระบวนการดังกล่าวจะไม่ต่อเนื่องเท่า แต่ก็สามารถเปลี่ยนรูปทรงหน้าตัดได้
2. การเลือกวัสดุ:
เรซิน: โดยทั่วไปได้แก่ อีพ็อกซี โพลีเอสเตอร์ เอสเทอร์ที่ใช้โพลีเอทิลีนเป็นฐาน และเรซินฟีนอล เป็นต้น
ไฟเบอร์: ไม่จำเป็นต้องใช้
วัสดุแกนกลาง: ไม่ค่อยได้ใช้
3. ข้อดีหลัก:
(1) ความเร็วในการผลิตที่รวดเร็ว ถือเป็นวิธีประหยัดและสมเหตุสมผลในการเตรียมและบ่มวัสดุ
(2) การควบคุมปริมาณเรซินอย่างแม่นยำ
(3) การลดต้นทุนเส้นใยให้เหลือน้อยที่สุด โดยไม่มีกระบวนการทอขั้นกลาง
(4) คุณสมบัติโครงสร้างที่ยอดเยี่ยม เนื่องจากมัดเส้นใยเรียงตัวเป็นเส้นตรง สัดส่วนปริมาตรของเส้นใยจึงสูง
(5) พื้นที่แทรกซึมของเส้นใยสามารถปิดผนึกได้อย่างสมบูรณ์เพื่อลดการปล่อยสารระเหย
4. ข้อเสียหลัก:
(1) กระบวนการจำกัดรูปร่างของหน้าตัด
(2) ต้นทุนแผ่นทำความร้อนที่สูงขึ้น
5. การใช้งานทั่วไป: คานและโครงสร้างหลังคาของบ้านพักอาศัย สะพาน บันได และรั้ว

กระบวนการขึ้นรูปด้วยการถ่ายโอนเรซิน (RTM)
1. คำอธิบายวิธีการ: วางเส้นใยแห้งลงในแม่พิมพ์ด้านล่าง ซึ่งสามารถอัดแรงดันล่วงหน้าเพื่อให้เส้นใยเข้ากับรูปทรงของแม่พิมพ์ให้มากที่สุดและยึดติดกัน จากนั้นจึงยึดแม่พิมพ์ด้านบนเข้ากับแม่พิมพ์ด้านล่างเพื่อสร้างช่องว่าง แล้วจึงฉีดเรซินเข้าไปในช่องว่างนั้น วิธีการฉีดเรซินแบบสุญญากาศและการแทรกซึมของเส้นใย หรือที่เรียกว่า การฉีดเรซินแบบสุญญากาศ (Vacuum-Assisted Resin Injection: VARI) เป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไป เมื่อการแทรกซึมของเส้นใยเสร็จสมบูรณ์แล้ว จะปิดวาล์วสำหรับฉีดเรซินและทำการบ่มคอมโพสิต การฉีดเรซินและการบ่มสามารถทำได้ทั้งที่อุณหภูมิห้องหรือภายใต้สภาวะที่มีความร้อน
2. การเลือกวัสดุ:
เรซิน: โดยทั่วไปคืออีพ็อกซี โพลีเอสเตอร์ โพลีไวนิลเอสเตอร์ และฟีนอลเรซิน นอกจากนี้ยังสามารถใช้บิสมาเลอิไมด์เรซินได้ที่อุณหภูมิสูง
เส้นใย: ไม่จำเป็นต้องมี เส้นใยเย็บจะเหมาะสมกว่าสำหรับกระบวนการนี้ เนื่องจากช่องว่างระหว่างมัดเส้นใยเอื้อต่อการถ่ายโอนเรซิน นอกจากนี้ยังมีเส้นใยที่พัฒนาขึ้นมาเป็นพิเศษเพื่อช่วยส่งเสริมการไหลของเรซิน
วัสดุแกนกลาง: โฟมเซลลูลาร์ไม่เหมาะสม เนื่องจากเซลล์รังผึ้งจะถูกเติมเต็มด้วยเรซิน และแรงดันจะทำให้โฟมยุบตัวลง
3. ข้อดีหลักๆ:
(1) สัดส่วนปริมาตรเส้นใยที่สูงขึ้น ความพรุนต่ำ
(2) สุขภาพและความปลอดภัย สภาพแวดล้อมการทำงานที่สะอาดและเป็นระเบียบเรียบร้อย เนื่องจากเรซินถูกปิดผนึกอย่างสมบูรณ์
(3) ลดการใช้แรงงาน
(4) ด้านบนและด้านล่างของชิ้นส่วนโครงสร้างเป็นพื้นผิวขึ้นรูป ซึ่งง่ายต่อการตกแต่งพื้นผิวในภายหลัง
4. ข้อเสียหลัก:
(1) แม่พิมพ์ที่ใช้ร่วมกันมีราคาแพง หนัก และค่อนข้างใหญ่โต เพื่อให้ทนต่อแรงดันได้มากขึ้น
(2) จำกัดเฉพาะการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็ก
(3) พื้นที่ที่ไม่เปียกสามารถเกิดขึ้นได้ง่าย ส่งผลให้มีเศษวัสดุจำนวนมาก
5. การใช้งานทั่วไป: ชิ้นส่วนยานอวกาศและรถยนต์ขนาดเล็กและซับซ้อน, เบาะที่นั่งรถไฟ