یكی از روش های متداول تولید قطعات كامپوزیتی روش قالبگیری با انتقال رزین (RTM) است. RTM یك فرایند قالب بسته كم فشار است كه از طریق آن با به كارگیری پلیمرهای مایع گرماسخت تقویت شده با انواع گوناگون الیاف، قطعه ای با كیفیت سطح و دقت ابعادی بالا تولید می شود. معمولاً در این فرآیند پلیمرهایی از خانواده اپوكسی، وینیل استر، متیل متاكریلات، پلی استر یا فنلیك و تقویت كننده الیاف شیشه استفاده میشوند. سایر تقویت كننده ها از جمله الیاف كربن، آرامید یا الیاف سنتزی به تنهایی یا در تركیب با یكدیگر برای كاربرد در شرایط دشوارتر به كار گرفته می شوند. نوع زمینه پلیمری و تقویت كننده، عامل تعیین كننده جنس قالب و كارایی آن از نظر مكانیكی و سطحی است. علاوه بر پلیمر و تقویت كننده، میتوان برای افزایش دیرسوزی، مدول خمشی و كیفیت سطح نهایی از پركننده های معدنی نیز استفاده كرد. در این فرایند تقویت كننده ها به صورت پارچه بافته، الیاف سوزنی و... به شكل خشك درون قالب قرار داده می شوند. این الیاف یا قبلاً به شكل دقیق قالب تهیه می شوند (به صورت پیش شكل) یا در حین فرایند چیدن آنها در قالب، با دست شكل داده می شوند. بعد از قرار دادن الیاف درون قالب، یك رزین كه از پیش با كاتالیزور مخلوط شده است به درون قالب بسته تزریق شده و الیاف را در بر می گیرد. ممكن است روی سطح قالب پوشش ژلی اعمال شود؛ فرایندی كه طی آن، قبل از قرار دادن الیاف درون قالب، روی سطح قالب پوشش داده می شود. برتری ذاتی فرایند RTM تزریق رزین با فشار كم است. فشار تزریق رزین در حین پر شدن قالب معمولاً از 690 كیلوپاسكال تجاوز نمی كند. دیگر برتری های این روش در مقایسه با فرایندهای قالب باز عبارتند از: كمتر بودن میزان انتشار گازها و بخارات ناشی از پلیمریزاسیون یا پخت رزین، شرایط كاری تمیزتر، پایداری ابعاد بیشتر قطعات تولیدی، كیفیت خوب هردو سطح قطعه تولیدی و فرایند تولید سریعتر. با این حال باتوجه به هزینه بالای ساخت قالب و نیاز به گره های نگهدارنده قالب و تجهیزات كمكی، در مجموع فرایند RTM از نظر هزینه و حجم تولید فرایندی متوسط محسوب می شود و در اصل بین دو دسته فرایندهای قالب باز كم هزینه با تولید كم و فرایندهای پرهزینه قالبگیری با پرس با تولید انبوه قرار دارد. همیشه این سؤال مطرح بوده است كه ایا فرایند RTM در مقیاس وسیع در صنعت كامپوزیت مورد استفاده قرار گرفته است؟ صنعتگران زیادی در سالهای گذشته روش RTM را به عنوان روش تولید قطعات كامپوزیتی آزمایش كرده و به كار گرفته اند، اما تنها تعداد كمی از آنها برای مدت زیادی از این روش استفاده كردند و تقریباً میتوان گفت هیچ كدام از آنها RTM را به عنوان روش انحصاری تولید خود نپذیرفتند. طبق آمارهای موجود تقریباً همه صنایعی كه تولیداتی ارزان یا با قیمت متوسط دارند از روش های قالبگیری باز استفاده می كنند. قطعاً نیاز به مهارت زیاد برای فرایند RTM عامل اصلی دلسردی بسیاری از صنعتگران در به كارگیری این روش برای تولید قطعات كامپوزیتی بوده است. به علاوه این كه عواملی چون هزینه های نهفته ناشی از نگهداری قالب، چیدن تقویت كننده ها درون قالب، عملیات مجدد روی قطعه پس از قالبگیری (به علت وجود حباب یا چسبیدن قطعه به قالب) و همچنین خسارات وارده طی فرایند ساخت باعث شده اند تا از دیدگاه بسیاری از تولیدكنندگان فرایند RTM فرایندی با هزینه و حجم تولید متوسط محسوب نشود. فرایندی كه امروزه تحت عنوان RTM مورد استفاده قرار می گیرد در واقع RTM سبك (Light) یا LRTM است. اگرچه ممكن است این فرایند نتواند همانند RTM سنتی فرایندی با حجم تولید متوسط (1000 تا 10000 قطعه در سال) به حساب اید اما نسبت به فرایندهای قالب باز از سرعت بالاتری برخوردار بوده و برتری های واقعی یك فرایند قالب بسته را به همراه دارد. باتوجه به برطرف شدن معایب فرایند RTM در LRTM، اعتماد تولیدكنندگان به این روش روز به روز بیشتر می شود، به طوری كه امروزه آمارهای موجود از به كارگیری گسترده این فرایند توسط صنعتگران حكایت دارد.
تاریخچه فرایندی كه امروزه به عنوان LRTM شناخته می شود اولین بار حدود 25 سال قبل در بلژیك به كار گرفته شد. در واقع ایده این فرایند از روش VARTM یا RTM به كمك خلاء گرفته شده است كه روشی برای تولید قطعات سبك با به كارگیری خلاء است. مراحل این فرایند عبارتند از: - الیاف خشك از طاقه بریده شده و پس از شكل دادن در محفظه قالب قرار داده می شوند. - پس از آن كه الیاف در جای مناسب خود قرار گرفتند، قالب بسته و محكم می شود. - یك خلاء نسبی محفظه داخل قالب را فرا می گیرد. - رزین با مقدار مشخص و با فشار كم به داخل قالب تزریق می شود. - خلاء نسبی، رزین را در تمام قالب پخش كرده و تمام الیاف به رزین آغشته می شوند. - پس از گذشت زمان لازم برای سخت شدن قطعه، قالب باز شده و قطعه از آن جدا می شود. این فرایند در آن زمان دارای مشكلاتی بود. الیاف مورد استفاده (كوتاه یا بلند) درون قالب به راحتی شكل نمی گرفتند. نظم این الیاف پس از بسته شدن قالب به هم می خورد. با ورود رزین، رشته های الیاف كنار هم جمع شده و به هم می چسبیدند. این امر باعث می شد تا قطعه تولیدی دارای انعطاف پذیری لازم نبوده و تقریباً سخت شود. این مشكل در فرایندهای قالب باز وجود نداشت. علاوه بر این، مشكلات دیگری نیز وجود داشت. جابجایی الیاف و به هم ریختن آنها در قالب باعث می شد تا خلاء نسبی موجود نتواند الیاف را فشرده و قالب را به طور كامل بسته نگاه دارد. این امر باعث می شد تا تنها قطعات ساده و تخت با این روش تولید شوند. استفاده از این روش برای تولید قطعات پیچیده نیازمند به كارگیری الیاف بافته ویژه ای همراه با كارهای اضافی روی الیاف بود. اگرچه این الیاف خوب شكل می گرفتند ولی قیمت تمام شده آنها بسیار بالا بود و از طرفی جریان رزین را به خوبی عبور نمی دادند. این عوامل سبب شد تا این فرایند رشد چندانی نداشته باشد.
ورود نسل جدید تقویت كننده ها به بازار كم كم الیافی وارد بازار شدند كه مشكلات مذكور را حل كردند. بدین ترتیب قطعات تولیدی از روش VARTM از كیفیت خوبی برخوردار شدند. ولی هزینه های بالا، فرایند VARTM را از دسته فرایندهای با هزینه متعادل خارج می كرد. حدود 10 سال قبل با ورود نسل جدید الیاف به بازار، وضعیت به كلی تغییر كرد. چندین شركت تولیدكننده الیاف شیشه، الیاف جدیدی تولید كردند كه منحصراً برای فرایندهای قالب بسته طراحی شده بودند. ویژگیهای مثبت این الیاف، آنها را به الیافی ایده آل برای روش VARTM تبدیل كرد. این الیاف دارای چسبندگی كمتری بوده و نرم تر بودند و به همین دلیل به راحتی در قالب شكل می گرفتند. علاوه بر این، برای شكل گیری در قالب نیاز به مرطوب شدن نداشتند. ویژگی مثبت دیگر این الیاف، این بود كه از سه لایه تشكیل شده بودند كه لایه میانی آنها محیطی مناسب برای عبور جریان با چگالی كم فراهم می كرد. این لایه باعث می شد تا رزین بدون هیچگونه مقاومتی و به طور افقی در الیاف جریان یابد. همچنین لایه های بیرونی این الیاف دارای انعطاف زیادی بودند و این عامل سبب می شد تا سطوح خارجی قطعه تولیدی از كیفیت بیشتری برخوردار شد. مایك انگرر مالك شركت نیوبوستون كامپوزیت در سفری كه در سال 1997 به اروپا داشت با این فرایند آشنا شد و از جمله اولین تولیدكنندگان آمریكایی بود كه این فرایند را به عنوان فرایندی مناسب برای تولید قبول كرد. پس از گذشت زمان كوتاهی، مایك انگرر روش تولید محصولات خود را از فرایندهای قالب باز به LRTM تغییر داد. در همان زمان نیل مك آرتور از شركت كامپوزیت مك آرتور این فرایند را در اروپا مشاهده كرد و به عنوان نخستین تولیدكننده قطعات كامپوزیتی در استرالیا آن را پذیرفت. اما چگونه فرایند قالبگیری رزین به كمك خلاء یا VARTM به LRTM تغییر یافت؟ گای شومارات صاحب شركت شومارات یكی از اولین تولیدكنندگان نسل جدید الیاف كوتاه و همچنین آلن هارپر صاحب شركت انگلیسی پلاستك سازنده تجهیزات تزریق رزین تصمیم گرفتند برای رشد صنایع خود این فرایند را به عنوان فرایندی مناسب برای تولید قطعات كامپوزیتی معرفی كنند و به این نتیجه رسیدند كه VARTM احتیاج به نام جدیدی دارد. بدین ترتیب VARTM به RTM سبك یا LRTM تغییر نام داد.
فرایندی جهانی با گذشت زمان، حدود 400 صنعتگر در سراسر دنیا فرایند RTM را یاد گرفته و بیش از 100 تن از آنها شروع به تولید قطعات كامپوزیتی با این روش كردند. پس از حدود 20 سال از ابداع RTM این فرایند و مواد مصرفی آن به طور چشمگیری تغییر یافته اند. چارلز تور یكی از توسعه دهندگان اصلی این فرایند- هنگامی كه در بلژیك تهیه كننده مواد اولیه بود- هم اكنون در شومارات كار می كند و برای گسترش و پیشرفت این فرایند وقت زیادی صرف كرده است. پلاستك نیز به سهم خود اتصالات و تجهیزات جانبی ویژه ای را طراحی و تولید كرد كه مراحل ساخت و نصب قالب را به طور چشمگیری ساده كرده است. فرایند LRTM مورد استفاده در حال حاضر برتری های زیادی دارد و قطعه تولیدی برای نخستین بار انتظارات قالبگیران را برآورده میسازد. تولیدكننده میتواند با هزینه ای تقریباً دو برابر هزینه روش های قالب باز، قطعه ای را از روش قالب بسته تولید كند. گذشته از هزینه، یك قالبگیر میتواند انتظار داشته باشد كه با استفاده از یك قالب، چهار بار در روز قطعه تولید كند كه به این ترتیب در مقایسه با قالبگیری باز نرخ تولید تقریباض دو برابر است. افزودن یك نیمه قالب اضافی (به عنوان مثال دو نیمه قالب ماده و یك نیمه نر) اغلب می تواند سرعت فرایند را افزایش دهد. علاوه بر این ها در این روش خروج گازهاو بخارات ناشی از پلیمریزاسیون رزین به طور قابل ملاحظه ای كاهش می یابد و میتوان رو ی هر دو سطح قطعه پوشش ژلی اعمال كرد. شرایط كاری در فرایند LRTM به مراتب تمیزتر از روش قالبگیری باز بوده و یكنواختی قطعات در آن بیشتر است. میزان مصرف مواد نیز بیشتر قابل پیش بینی است. البته LRTM محدودیت هایی هم دارد. جداسازی بعضی قطعات پیچیده از نیمه نر قالب مشكل است. بعضی قطعات را به دلیل پیچیدگی هندسی قطعه نمیتوان از روش LRTM قالبگیری كرد. هزینه مواد در فرایند LRTM نسبتاً زساد بوده و تهیه برخی مواد زمان زیادی می طلبد (البته هزینه بالای مواد با افزایش بهره وری جبران می شود).
قالب مهم ترین جزء فرایند LRTM، قالب است. در فرایندهای قالب بسته، قالب دارای دو نیمه است. یك نیمه قالب نسبتاً صلب و نیمه دیگر نسبتاً انعطاف پذیر است. در واقع یك نیمه قالب سفت تر از نیمه دیگر آن است. معمولاً نیمه صلب قالب با استفاده از فناوری و موادی ساخته میشود كه برای ساخت قالب های فرایند قالب باز به كار گرفته می شود. تنها تفاوت مهم قالب فرایندهای قالب باز و نیمه صلب قالب فرایند LRTM این است كه عرض فلانج دور قالب در LRTM حدود 25-15 سانتی متر است. قالب فرایندهای قالب باز با فلانج دارای سیستم پاشش، بدون هیچ گونه تغییری میتواند برای قالبگیری IRTM استفاده شوند. بعضی اوقات قالبگیر میتواند برای شروع، یك فلانج به قالب موجود اضافه كند. ولی برای قطعات كوچكتر معمولاً ساخت قالب جدید ساده تر است. ذكر این نكته ضروری است كه چرخه های قالبگیری سریع، نیازمند قالب هایی با كنترل دما هستند كه عملاً فرایند ساخت متفاوتی با قالب های باز دارند. معمولاً در فرایند LRTM، نیمه صلب قالب، نیمه ماده قالب و دارای محفظه خالی و برعكس نیمه انعطاف پذیر قالب، نیمه نر و دارای برجستگی است. نیمه انعطاف پذیر معمولاً یك كامپوزیت چند لایه است كه با روش لایه چینی دستی از رزین های وینیل استر و الیاف كوتاه تولید می شود. استفاده از قالب های شفاف از این جهت سودمند است كه به قالبگیر اجازه مشاهده جریان رزین در داخل محفظه قالب را می دهد. البته این مسأله برای قالبگیران ماهر و باتجربه از اهمیت كمتری برخوردار است. نیمه انعطاف پذیر قالب معمولاً روی نیمه صلب قالب ساخته میشود و برای ایجاد فضای خالی بین دو نیمه، از ورقهای موم استفاده می شود (البته روشهای سودمند دیگری نیز وجود دارد كه دارای نتایج مطلوبی هستند). فلانج نیمه بالای قالب بایستی با فلانج نیمه پایینی هماهنگ باشد. همچنین نیمه بالایی قالب باید دارای اجزای مشخصی باشد كه نقشی كلیدی در پیشرفت و موفقیت فرایند دارند. این اجزا عبارتند از واشرهای داخلی و خارجی فلانج برای آب بندی در ایجاد خلاء، روزنه یا روزنه های تزریق و دست كم دو روزنه خلاء كه معمولاً یكی از آنها در نزدیكی مركز قطعه تعبیه می شود. از این روزنه همچنین برای تزریق مایع جداكننده استفاده می شود. علاوه بر قالب، پمپ تزریق رزین و پمپ خلاء ازجمله تجهیزات ضروری این فرایند به شمار می آیند. سیستم خلاء میتواند شامل دو پمپ ونتوری ساده 20 دلاری و یا دارای تجهیزات 10،000 دلاری باشد. برای پمپ رزین اغلب قالبگیران از هرآنچه در دسترس است یا با آن آشنایی دارند استفاده می كنند. نمونه هایی از پمپ های مورد استفاده عبارتند از پمپ دنده ای، پمپ دیافراگمی، پمپ دودی و...
فرایند در این فرایند قطعات میتوانند بدون پوشش ژلی یا با پوشش ژلی بر روی یك یا هردو سطح تولید شوند. آماده سازی قالب و اعمال پوشش ژلی همانند بر روی یك یا هر دو سطح تولید شوند. آماده سازی قالب و اعمال پوشش ژلی همانند فرایند قالبگیری باز است. هنگام اعمال پوشش ژلی، فلانج های قالب توسط كاغذ یا ماسك های قابل استفاده مجدد پوشانده می شوند. به طور ایده آل هنگامی كه پوشش ژلی هنوز چسبناك است تقویت كننده ها در محفظه مادگی قالب قرار می گیرند. پوشش چسبناك ژلی كمك می كند كه تقویت كننده ها هنگام بسته شدن قالب در جای خود ثابت باشند. انواع مختلف تقویت كننده ها و الیاف میتوانند مورداستفاده قرار گیرند ولی استفاده از مواد ویژه باعث تسهیل فرایند و افزایش سرعت آن میشود. سایر تقویت كننده ها و انواع مغزی ها میتوانند به همراه مت های شكل پذیر به كار گرفته شوند تا نتایج مطلوب به دست آید.
پس از آنكه همه مغزی ها و تقویت كننده ها در جای مناسب خود قرار داده شدند قالب بسته می شود. این عمل با قراردادن نیمه بالایی قالب روی نیمه صلب قالب با دست انجام می شود. معمولاً نیروی جاذبه همراه با لرزش های كوچك، فشار كافی را جهت بسته شدن قالب و آب بندی آن توسط واشر محیطی فلانج ایجاد می كند. در این لحظه خلاء كاملی در فضای بین واشرهای داخلی و خارجی فلانج اعمال می شود. این خلاء باعث ایجاد فشاری معادل چندین تن حتی روی قالبهای كوچك میشود. هنگامی كه دو نیمه قالب به طور كامل فشرده شدنداز طریق روزنه مركزی نیمه بالایی قالب یك خلاء نسبی اعمال میشود. در این هنگام قالب آماده دریافت رزین است. رزین از نقطه ای خارج از لبه قطعه و درون واشر داخلی وارد می شود. هنگامی كه تقویت كننده ها در قالب قرار داده می شوند یك فضای خالی بین الیاف و واشر درونی باقی می ماند كه این فضا محلی برای جریان رزین است. در نتیجه قبل از آنكه رزین به داخل تقویت كننده ها نفوذ كند دور تا دور آن را در قالب فرا می گیرد. برای قطعاتی كه طول آنها بیش از 120 سانتی متر است معمولاض بیش از یك روزنه تزریق به كار گرفته می شود. با آغاز جریان رزین درون تقویت كننده رزین به سمت روزنه خلاء كه در مركز قطعه قرار گرفته است پیش می رود. پس از آنكه قالب به طور كامل پر شد پمپ تزریق خاموش شده و لوله تزریق جدا می شود. هردوی خلاء های كامل و نسبی باید تا زمانی وجود داشته باشند كه قطعه به قدر كافی پخت شده و بتواند از قالب جدا شود. هنگام جدایش قالب، از طریق روزنه مركزی اعمال خلاء، فشار ملایم هوا اعمال می شود تا عمل جدایش قالب تسهیل شود. ذكر این نكته ضروری است كه در روش RTM سنتی تزریق تا زمانی كه مشاهده شود قالب پر شده است ادامه می یابد ولی در روش LRTM میزان رزین موردنیاز پیش بینی شده و قالب تا آن زمان پر می شود. بنابراین قطعه ای با دقت و كیفیت بالا تولید شده و از بیرون ریختن رزین اضافی جلوگیری میشود.
