حقن الألياف الطويلة (LFI) هو عملية صب البولي يوريثان جديدة تم تطويرها بنجاح في السنوات الأخيرة. تتمتع هذه العملية بمزايا الأتمتة العالية ودورة القولبة القصيرة والوزن الخفيف وتكلفة التصنيع المنخفضة.
في صناعة السيارات ، تم استخدام عملية LFI لأول مرة لتصنيع الألواح الهيكلية وشبه الهيكلية ، مثل مكونات السقف. وفقًا للتقارير ، فإن سقف البولي يوريثان للسيارة الرياضية أخف من سقف فولاذي بنسبة 20 ٪ من سقف الصلب وأكثر من ضعف صلابة سقف الألومنيوم أو سقف آخر من الألياف الزجاجية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام مواد LFI للبولي يوريثان المركبة في صناعة المركبات الزراعية والتجارية ، مثل أغطية الجرارات ، وألواح الشاحنات الثقيلة ، وألواح جسم الجرافات ، ورفوف أمتعة الحافلات ، إلخ.
في السنوات الأخيرة ، تتعاون خبراء المركبات من الصناعة الخاصة والجيش والمؤسسات البحثية لاستكشاف ما إذا كان يمكن استخدام عملية LFI أيضًا لإنتاج أجزاء مركبة (CFRP) المركب (CFRP) المطلوبة لأسواق المواد عالية الأداء مثل Aerospace مثل Aerospace ، تمكين الإنتاج الضخم بتكلفة أقل. تم تمويل الدراسة من قبل مختبر أبحاث القوات الجوية الأمريكية (AFRL) منذ عام 2022 ، ويشمل المشاركون أن أقسام التصنيع والتكنولوجيا الصناعية والطاقة في AFRL ، ومقاول Prime Lockheed Martin ، ومصنع المعدات Kraussmaffei ، ومعهد جامعة دايتون للأبحاث (UDRI) .
إن عملية التصنيع لمكونات ألياف الكربون المركبة المستخدمة حاليًا في الفضاء مطول وكثافة عمالة ، وعادة ما تتميز بألياف الكربون التي يتم وضعها يدويًا على أداة أحادية الجوانب ، ثم يتم تنفيذها ، ثم تدحرجت في Autolave ليوم كامل من المعالجة. في المقابل ، فإن عملية LFI سريعة وفعالة وآلية. تقوم عملية LFI أولاً بقطع الألياف الزجاجية إلى الطول المطلوب ، ويتم خلط الألياف المفرومة مع راتنج سائل مكون من مكونين ، ثم يتم رشه في قالب مفتوح مسبقًا ، وأخيراً تم علاجها تحت حرارة منخفضة وضغط. تعتبر العملية برمتها واحدة من أقل تكلفة ، وأقل عدد من طرق النفايات لصنع مواد مركبة ويمكن أن تأخذ في أي مكان من بضع دقائق إلى بضع ساعات ، اعتمادًا على تعقيد الجزء.
كانت أول مشكلة مهمة واجهها الفريق هي تصور ألياف الكربون ، والتي يجب تفريقها بدرجة كافية ليتم تفريقها بشكل موحد داخل الراتنج أثناء الخلط ، ووجدوا أن ألياف الكربون الكبيرة في Zoltek توفر أفضل الخصائص الميكانيكية وخصائص Degumming. قام الباحثون أولاً بتفكيك حزم كبيرة 50 ألفًا من ألياف الكربون إلى حزم أصغر من 2K إلى 3K ، ثم إعادة تراكم هذه الحزم إلى حزم 50 ألف. عندما يحدث قطع في رأس LFI ، من السهل الكشف.
اختيار الراتنج المناسب هو أيضًا محور البحث. استخدم فريق البحث نظام راتنج البولي يوريثان Covestro ، والذي تم تصميمه خصيصًا لتقليل كثافة اللوحة النهائية المعالجة ، عن طريق ضبط طريقة الخلط لتقليل محتوى الفراغ المحتمل أو القضاء عليه.
فيما يتعلق بمعدات المعالجة ، يقوم الباحثون بتحليل العديد من المتغيرات بما في ذلك سرعة القطع وطول الألياف ونسبة الألياف/البوليمر وضغط الهواء ووقت الضغط وتصميم القالب ودرجة حرارة القالب ، وهي إحدى المشكلات المهمة هي قدرة ألياف الكربون ، وخاصةً الشفرة وطبل آلة القطع ، والتي يمكن أن تحصل على نتائج قطع أفضل بعد ترقية شفرة القطع.
يخطط فريق البحث لإجراء عرضين تصنيعين متعلقة بالفضاء باستخدام تقنية LFI/ Carbon Fiber بحلول نهاية عام 2025. ولكن هذا سيتطلب تعديلات كبيرة لنظام أجهزة LFI ، وهناك حاليًا تمويل غير كاف لتغطية هذه التكاليف.
يمكن لهذا المشروع البحثي التعاوني تعزيز تطوير صناعة المواد المركبة بأكملها. يمكن أن يؤدي الاستفادة من ابتكارات هذه الشركات في العمليات المركبة منخفضة التكلفة إلى تسريع شركات تصنيع المعدات الأصلية للفضاء (OEMS) ، مثل Lockheed Martin ، لإيجاد حلول تصنيع للطائرات من الجيل التالي.