رنگ کردن قطعات کامپوزیت؛ مشکلات و راه حل‌ها
یکی از مشکلاتی که در صنعت کامپوزیت به ویژه درکاربردهای خودرویی وجود دارد، رنگ کردن قطعات است. در این مقاله این موضوع مورد بحث قرار گرفته است.
رنگ کردن کامپوزیت‌ها دارای پارامترهای خاصی است، برخی از این پارمترها مربوط به نوع تقویت‌کننده الیاف می‌شود، برخی به ساختار مواد و برخی هم به دمایی که قطعه در آن پخت می گردد.
در اصل رنگ‌آمیزی روی سطح یک کامپوزیت پلیمری، مانند سایر سطوح می‌باشد و شامل چندین مرحله است:
1- چربی‌زدائی (درصورتیکه نیاز باشد)
2- اصلاح سطح
3- اعمال آستری و در صورت نیاز پخت
4-اعمال پوشش نهایی
5- پخت
معمولا قطعات پلاستیکی (به عنوان مثال سپر خودرو ) تحت شرایط دمای پایین برای پخت در حدود(oC80) قرار مییگیرند.
قطعات کامپوزیتی می توانند در مرحله اعمال آستر به خط رنگ خودروها وارد شوند که دمای آن 140 تا oC160 می‌باشد. حتی در مواردی می‌توان قبل از مرحله پوشش‌دهی توسط الکتریسیته (ED) قطعات کامپوزیت را وارد خط کرد به شرطی که امکان تحمل دمای oC165 تا oC205 پخت را داشته‌باشند.
کامپوزیت های گرما نرم (ترموپلاست)
استفاده از شعله برای اصلاح کامپوزیت های الیاف شیشه پلی‌پروپیلن توصیه نمی‌شود چون ریسک برآمدگی الیاف و بوجود آمدن یک سطح ریش‌ریش، و سطح نهایی غیرقابل قبول وجود دارد.
دمای پخت پوشش در مورد کامپوزیت‌ها محدود به مقاومت حرارتی آنها یعنیoC80 می‌باشد.
در مقایسه با قطعات از جنس پلیمرهای تقویت‌نشده، پوشش کامپوزیت‌ها از آسیب‌پذیری بیشتری برخوردار است و می‌بایست در مرحله اعمال آستری بسیار دقت نمود.
کامپوزیت های گرما سخت (ترموست)
اکثر کامپوزیت های رنگ‌شده از جنس رزین پلی‌استر می‌باشند. به هنگام تولید بعضی قطعات حجم زیادی از ریلیز ایجنت استفاده مییشود، ممکن است این امر موجب کاهش کیفیت شرایط سطح قطعه شود.
برای پوشش‌های سخت‌تر از حد متوسط، در مواردی جدایش لایه‌ها (delaminating) در لایه پوسته مشاهده شده است که این مشکل تنها با برداشتن لایه دارای چسبندگی ضعیف از سطح کامپوزیت قابل رفع است.
ایجاد حباب؛ مکانیزم‌ها و راه‌حل‌ها
حباب هنوز مهم‌ترین مشکل رنگ‌آمیزی قطعات کامپوزیت است. حتی در زمانی که سازنده قطعات سعی می کند این مشکل را توسط بکارگیری سیستم‌های رنگ‌آمیزی در دمای پایین دارداز بین ببرد ، ریسک ایجاد حباب در خط مونتاژ افزایش می یابد.
تئوری‌های مختلفی برای مکانیزم این نقص وجود دارد. متخصصین فیات بر حضور حباب‌های هوا تاکید دارند، درحالیکه فورد به خطر ترک‌های ریزی که بهنگام جدا کردن قطعه از قالب بوجود می آیند اشاره می‌کند.
به‌نظر می رسد، قابلیت کامپوزیت در جذب حلال رنگ، یک عامل مشترک در تمامی مکانیزم‌هاست.
به هنگام پخت فیلم رنگ، حلال شروع به تبخیر می نماید. اگر فیلم‌رنگ پخت شده‌باشد، فشار ناشی از تبخیر حلال موجب ترکیدن حباب و بوجود آمدن منفذ می‌شود.
بر اساس این مشاهدات راهکارهای مختلفی برای رنگ‌آمیزی وجود دارد که مبتنی بر ایجاد مانع و یا بکارگیری خواص جذب کامپوزیت می باشد.
بهترین مثال بکارگیری خواص جذب، استفاده از سیستم یک جزئی بتونه است که به میزان قابل توجهی کیفیت رنگ قطعه را به هنگام الحاق به خط تولید خودرو پس از پوشش‌دهی الکتریکی (Deetrocoating) بهبود می‌بخشد. در این مثال بتونه، حفره‌های ریز را پر کرده سهم قطعات رنگ‌شده با کیفیت را از 75-70% به 99% افزایش می دهد.
آستری و سیلر استاندارد
روش دیگر بکارگیری خواص جذب، استفاده از یک پوشش آستری با خواص موردنظر و بعد اعمال لایه دوم به عنوان سدکننده می‌باشد، سیستم های چند لایه نتایج مثبتی داشته‌است ولی قیمت بالای آنها یک مانع بزرگ محسوب می‌شود.
فیات این نوع سیستم را برای درپوش موتور خودروی آلفامئو اسپایدر که در خط تولید در فرایند پوشش الکتریکی وارد می‌شود، بکارگرفته است.
اعمال سیستم‌های چند لایه بصورت خیس (بدون پخت جداگانه) هزینه را کاهش می دهد ولی کارایی سیستم را پایین می‌آورد.
بکارگیری آستری ضخیم‌تر نیز یک راه‌حل محسوب می شود، گرچه خطر روان شدن رنگ را افزایش می‌دهد.
در آزمون های انجام‌شده توسط Unicarb، ضخامت لایه‌ها به 70 تا 80 بدون افت کیفیت سطحی افزایش داده شده‌است. این روش در برابر ایجاد کارایی دارد ولی وقتی ترک‌های ریز در سیستم وجود داشته‌باشد این کارایی کاهش میییابد.
اخیراً سه روش برای حذف حباب در رنگ ابداع شده‌است:
الف) پوشش‌دهی درون قالب (In-mould Coating):
پوشش‌دهی درون قالب چندین مزیت دارد:
1- در همان چرخه زمانی تولید و یا کمی بیشتر از آن، قطعه رنگ‌شده بیرون می‌آید.
2- قطعه هم می تواند رنگ شود و هم از نظر الکترواستاتیکی هادی شود. دو روش IMC وجود دارد: فشار پایین در قالب باز و فشار بالا(300-400) bar در جایی که از خاصیت الاستیسیته مواد براه ایجاد لایه آستری استفاده می‌شود.
کارایی این روش برای سطح پنل‌ها قابل بحث نیست ولی لبه پنل خیلی خوب پوشش داده نمی‌شود. در این روش برای خودروی دایملر هاچ‌بک به همراه اعمال سیستم دو لایه هادی آستری/ سیلر بر لبه‌ها و بعد بر کل پنل استفاده شده‌است. این قطعات قبل از مرحله پوشش‌دهی الکتریکی به خط تولید وارد می‌شوند.
ب) پوشش‌دهی پودری
اعمال پوشش‌های پودری در ضخامت‌های زیاد ممکن است که خود امتیازی برای این سیستم محسوب شود. این پوشش‌ها بصورت ترکیبی (هیبرید) و یا پلی‌استری برای اوّلین بار در آمریکا برای لبه‌ها بکار گرفته‌شد.
در اروپا پودرهای الکتریکی در 4/1 پنل‌های خودرو مانند پنل جلوی خودروی رنو Velsatis و پژو 807 (پنل جلو و عقب) استفاده شده‌اند.
اگرچه این مواد در کاهش میزان ایجاد حباب موثر بوده‌اند، اما هم‌اینک به اندازه قابلیتشان رایج نیستند چرا که یکی از ویژگی‌های ایشان نیاز به اعمال بر سطوح داغ (بیشتر از oC100 ) در هر ضخامتی می‌باشد. در اینجا وجود یک سطح هادی به اعمال پوشش کمک می‌کند.
ج) آستری پخت‌شونده با UV
آستری های پخت UV سومین راه‌حل محسوب می شوند. برخلاف روش پودری که امکان اعمال لایه ضخیم (بیشتر از 100) وجود دارد، در این روش ضخامت رنگ بسیار پایین است (کمتر از 30) ولی خوب شبکه‌ای (Crosslink) می‌شود.
آستر می‌تواند هادی یا غیرهادی باشد. یکی از مزایای این روش امکان استفاده از یک خط رنگ کوتاه و زمان خشک‌شدن کم می‌باشد. قطعات پیچیده را می توان با استفاده از سیستم‌های روبوتیک پخت نمود.
به منظور کاهش خطر وجود نقاط پخت‌نشده، برخی سازندگان از سیستم‌های پخت دوگانه( UV +هاردنر) بهره می‌برند.
در اینجا باید توجه داشت اگرچه روش‌های مناسب رنگ‌آمیزی به کاهش حباب در رنگ کمک می‌کند ولی راه های دیگری نیز برای بهبود پوشش‌ها از طریق شرایط قالبگیری (مثلاً قالبگیری در خلاء)، تغییر در فرمولاسیون و یا حتی طراحی قطعه وجود دارد.
ضمناً باید دانست برخی از مشکلاتی که در کیفیت سطح وجود دارد، منشائی غیر از نکات قبلی دارد و مربوط به رنگ‌آمیزی نیست. دندانه‌ها و اعوجاج با طول موج بیش از mm30 از جمله این نقایص هستند‌که رنگ نمی‌تواند آنها را ازبین ببرد. در این موارد می‌بایست قالب، فرمولاسیون و پارامترهای فرآیندی مورد بررسی قرارگیرد.
مفهوم عبارت کلاس A
عبارت کلاس A راهی برای بیان هدف کیفیت سطح قطعات بدنه خودرو می‌باشد. البته برای این عبارت، تعریف واحدی وجود ندارد و هر مشتری معیارهای خاص خود را داراست.
معنای این عبارت به مرور زمان تغییر می‌کند و به معنای ،،سطحی است که ظاهر آن مورد پسند مشتری خودرو باشد،، ارتقاء می یابد.
روش‌های ارزیابی اعوجاج سطح (Waviness) نیز در مقیاس‌های مختلف عمل می‌کنند. برخی در ابعاد کم و برخی در ابعاد وسیع تر به ارزیابی کیفیت سطح می پردازند.
دمای بالا قبل از اعمال رنگ می‌تواند تاثیر منفی بر کیفیت سطح قطعه داشته‌باشد و می‌تواند نقص برخی روش‌ها محسوب شود. تقویت‌کننده می‌تواند نقایص را برجسته نماید. بعد از اعمال آستری نزول کیفیت سطح در اثر دما ادامه می‌یابد ولی آهسته‌تر از قبل، به دلیل فوق روش های مرطوب بر روش‌های پودری دارای مزیت می‌باشند.
اعوجاج با طول موج بینmm 3/0 تا mm 10 بیانگر مشکلی در اعمال رنگ است. نکته‌ای که خاص پوشش‌های پودری اکریلیک می باشد، این است که اعوجاج در محدوده 10 تا mm30 اتفاق می‌افتد. این اعوجاج ممکن است سطح غیرقابل قبولی ایجاد نماید که از فاصله 3 تا 5 متری دیده می‌شود.
نتیجه‌گیری
رنگ‌کردن کامپوزیت‌ها در صنعت خودرو یک رویای دست‌نیافتنی نیست حتی زمانی که روش‌های دمای بالا مشکلات متعددی را ایجاد می‌نمایند. بدین منظور می‌بایست کنترل کاملی بر فرآیند از طراحی تا ساخت اعمال شود. و در پایان اینکه رنگ‌کردن هرگز نباید به عنوان روشی برای پنهان‌کردن نقایص مورد استفاده قرارگیرد.
نویسنده
