مزایای استفاده از FRP - بخش اول

مزایای استفاده از FRP - بخش اول: صنعت هوافضا

کامپوزیت‌های پلیمری تقویت ‌شده با الیاف (FRP) همچنان در حال ایجاد انقلاب در صنایع مختلف، به ویژه هوافضا، بوده و از مزایای قابل توجهی ازنظر کاهش وزن، بهره ‌وری انرژی و عملکرد کلی نیز برخوردار هستند. استفاه از کامپوزیت FRP در صنعت هوافضا مزایای خاصی به همراه دارد که در همین ابتدا به چند مورد از آنها اشاره می‌کنیم.

1. پیشرفت‌ها در eVTOL: شرکت‌هایی مانند Joby Aviation و Archer Aviation پیشرفت قابل توجهی در توسعه هواپیماهای عمود پرواز الکترونیکی (eVTOL) دارند. شرکت Joby Aviation اولین پرواز تاکسی هوایی برقی را با نمونه اولیه eVTOL خود در نوامبر 2023 در شهر نیویورک انجام داد. مدل تولیدی جدید eVTOL شرکت Archer Aviation نیز با نام Midnight در اکتبر 2023 یک پرواز آزمایشی بدون خلبان را در کالیفرنیا انجام داد. این پیشرفت‌ها نشان ‌دهنده‌ پیشرفت سریع در راه‌ حل‌های حمل‌ و نقل هوایی شهری با استفاده از مواد کامپوزیتی است.

2. نوآوری‌های لباس فضایی: کارگروه بین‌ المللی اکتشاف ماه (ILEWG) در حال توسعه یک نمونه اولیه از یک لایه لباس فضایی با سیستم تشخیص آسیب با استفاده از Twaron® شرکت Teijin Aramid است. این رویکرد نوآورانه با هدف تولید لباس‌های فضایی سبک ‌تر و راحت ‌تر که در برابر آسیب مقاوم باشند و بتوانند کاربران را از آسیب‌های احتمالی مطلع کنند، انجام می‌شود.

3. موشک‌های مداری تجاری: شرکت اُربکس در حال ساخت Prime، یک موشک مداری تجاری ساخته شده از ترکیبی بهینه از کامپوزیت‌های سبک وزن فیبر کربن و آلومینیوم است. این طراحی باعث می‌شود که این موشک تا 30 درصد سبک‌تر از سایر موشک‌های هم اندازه خود باشد و پتانسیل کامپوزیت‌ها را در کاهش هزینه‌های پرتاب و بهبود ظرفیت بار مفید نیز نشان می‌دهد.

4. وسایل نقلیه الکتریکی (EV): تغییر به سمت وسایل نقلیه الکتریکی، پذیرش کامپوزیت‌های FRP را در تولید خودرو تسریع کرده است. طراحی موتور الکتریکی سبک راه را برای نسل بعدی خودروهای الکتریکی هموار می‌کند که کامپوزیت‌های FRP نقش حیاتی در این امر ایفا می‌کنند:

الف. هیوندا کرتا: هیوندا با شرکت‌های DPA Moldados و EconCore به منظور توسعه فرآیند قالب ‌گیری فشاری برای کف صندوق عقب همکاری کرد. این کار مزایای زیادی داشت ازجمله کاهش زمان چرخه تولید از ۹۰-۱۲۰ ثانیه به ۴۵-۵۰ ثانیه، کاهش وزن ۲۰ درصدی نسبت به مدل‌های قبلی و قطعات کاملا قابل بازیافت.

ب. پیکاپ کربن ‌پرو جنرال موتورز: پیکاپ کربن پرو جنرال موتورز روی مدل‌های ۲۰۱۹ سیرا دنالی ۱۵۰۰ و سیرا AT4 1500 عرضه شد. از ویژگی‌های مهم این مدل می‌توان به مقاومت ضربه‌ای ۱۰ برابر بیشتر از نمونه‌های فولادی اشاره کرد. هر قطعه CFRTP تقریبا در یک دقیقه قالب‌ گیری می‌شود. به این معنا که برای ساخت 23 قطعه به حدود 10 دقیقه زمان نیاز است.

پ. ون‌های برقی تجاری Arrival: این ون‌های برقی بر مقرون ‌به ‌صرفه کردن خودروهای برقی به اندازه خودروهای سوخت فسیلی متمرکز هستند. به طور کلی، پنل‌های بدنه کامپوزیتی برای مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش، مقاومت در برابر خوردگی و دوام بسیار مناسب هستند.

ت. خودروهای پیل سوختی هیدروژنی: توسعه فناوری پیل سوختی هیدروژنی، حمل و نقل را متحول کرده و کامپوزیت‌های FRP نقش حیاتی در طراحی مخزن هیدروژن سبک وزن ایفا می‌کنند.

ث. مرکز فنی هیوندای امریکا: در این مرکز آماندا نامی، مهندس ارشد مواد پلیمری، یک تخت کامپوزیتی را با تمرکز بر انتخاب مواد، طراحی و پردازش برای دستیابی به کاهش وزن دوباره طراحی کرد.

ج. وسایل نقلیه با عملکرد بالا: کامپوزیت‌های FRP به طور گسترده در وسایل نقلیه با عملکرد بالا برای دستیابی به نسبت‌های برتر مقاومت به وزن و عملکرد بهبود یافته استفاده می‌شوند. برخی از این وسایل نقلیه دارای شاسی هیبریدی از جنس لوله فولادی نردبانی تقویت شده با فیبر کربن هستند که بیش از ۹۵ درصد بدنه از آنها از فیبر کربن ساخته شده است.

د. وسایل نقلیه عمومی و تجاری: کامپوزیت‌های FRP با ارائه مزایایی در کاهش وزن و بهره ‌وری انرژی، در حمل و نقل عمومی و تولید خودروهای تجاری جایگاه قابل توجهی پیدا کرده‌اند. به عنوان مثال، در اتوبوس‌های برقی یوتونگ برای هلسینکی در فنلاند از پروفیل‌های کامپوزیتی استفاده شده است که از مهم ترین مزایای آنها سبک وزن بودن، مدیریت حرارتی بهتر و مقاومت در برابر خوردگی است.

ذ. کامیون برقی ولتا زیرو: این نوع کامیون دارای پنل‌هایی ساخته شده از کامپوزیت‌های کتان بافته شده، پایدار و طبیعی است که با همکاری آژانس فضایی اروپا توسعه داده شده است.

فرآیندهای تولید و روندهای آینده FRP

صنایع مختلف، به ویژه صنعت هوافضا، شاهد تغییر به سمت فرآیندهای تولید پیشرفته‌تر برای قطعات کامپوزیتی است. جایگذاری خودکار فیبر (AFP) به طور فزاینده‌ای در تولید وسایل نقلیه اهمیت پیدا می‌کند. با این حال، مرکز ملی کامپوزیت‌ها (NCC) و شرکت طراحی سیستم محرکه در حال انجام تحقیقات روی کامپوزیت‌ها به منظور ساخت واحدهای محرکه الکتریکی یکپارچه (EDU) در خودروهای برقی هستند.

آینده‌ FRP در صنعت خودروسازی

صنعت خودرو همچنان به گسترش مرزهای کاربردهای کامپوزیت FRP، از خودروهای برقی تولید انبوه گرفته تا خودروهای اسپرت با عملکرد بالا و حمل و نقل تجاری، ادامه می‌دهد. با تکامل صنعت به سمت راه ‌حل‌های حمل و نقل کارآمدتر و پایدارتر، کامپوزیت‌های FRP نقش مهم و روزافزونی در توانمند سازی وسایل نقلیه سبک ‌تر، بادوام‌ تر و با عملکرد بالاتر در تمام بخش‌ها ایفا می‌کنند.

چالش‌ها و مسیرهای آینده FRP در صنعت هوافضا

اگرچه کامپوزیت‌های FRP مزایای بی‌شماری در کاربردهای هوافضا دارند اما چالش‌هایی مانند هزینه‌های بالای تولید و نیاز به تکنیک‌های تعمیر تخصصی همچنان پابرجاست. امروزه محققان با تحقیقات و توسعه مداوم در حال بررسی این مسائل هستند و بر زمینه‌هایی مانند کامپوزیت‌های چند منظوره با قابلیت حسگری و خود ترمیمی، کامپوزیت‌های نانومهندسی ‌شده برای بهبود خواص مکانیکی و الکتریکی، توسعه فرآیندهای تولید مقرون به صرفه تر، تولید پایدار و بازیافت مواد کامپوزیتی تاکید دارند. با پیشرفت روزافزون فناوری هوافضا، انتظار می‌رود کامپوزیت‌های FRP نقش حیاتی فزاینده‌ای در ساخت هواپیماها، فضاپیماها و وسایل نقلیه eVTOL کارآمدتر، سبک‌ تر و توانمندتر ایفا کنند. این صنعت به سمت فرآیندهای تولید هوشمندتر و خودکارتر حرکت می‌کند که پتانسیل مواد کامپوزیتی را در کاربردهای هوافضا بیشتر افزایش می‌دهد.