3D composites
ત્રિ-પરિમાણીય સંયોજનો જટિલ ત્રિ-પરિમાણીય માળખામાં ગોઠવાયેલા યાર્ન અથવા ટોમાંથી બનેલા ફાઇબર પ્રીફોર્મનો ઉપયોગ કરે છે. આ 3ડી વણાટ પ્રક્રિયા, 3ડી વણાટ પ્રક્રિયા, 3ડી વણાટ પ્રક્રિયા અથવા ટૂંકા રેસાના 3ડી સ્તરમાંથી બનાવી શકાય છે. સંયુક્ત સામગ્રી બનાવવા માટે 3D પ્રીફોર્મ પર રેઝિન લાગુ કરવામાં આવે છે. જટિલ યાંત્રિક ગુણધર્મો હાંસલ કરવા માટે ત્રિ-પરિમાણીય સંયોજનોનો ઉપયોગ ઉચ્ચ ઇજનેરી અને ઉચ્ચ તકનીકી કાર્યક્રમોમાં થાય છે. ત્રિ-પરિમાણીય સંયોજનો તણાવ અને તાણ સામે પ્રતિક્રિયા આપવા માટે એવી રીતે તૈયાર કરવામાં આવે છે જે એક દિશા વાળા ટુવ્સ, અથવા 2ડી વણાયેલા સંયોજનો, સેન્ડવિચ સંયોજનો અથવા સ્ટેક્ડ લેમિનેટ સામગ્રીથી બનેલી પરંપરાગત સંયુક્ત સામગ્રી સાથે શક્ય નથી. ત્રિ-પરિમાણીય વણાયેલા કાપડ એ એવા કાપડ છે જે નોંધપાત્ર જાડાઈ સાથે ચોખ્ખા આકારની નજીક બનાવી શકાય છે. ભાગ બનાવવા માટે સ્તરની જરૂર નથી, કારણ કે એક જ કાપડ સંપૂર્ણ ત્રિ-પરિમાણીય મજબૂતીકરણ પ્રદાન કરે છે. 3-ડી વણાયેલું કાપડ એ 2 ડી વણાટ પ્રક્રિયાનો એક પ્રકાર છે, અને તે બેવડું અને ત્રણ વાર વણાયેલું કાપડ બનાવવાની ખૂબ જ જૂની તકનીકનું વિસ્તરણ છે. 3D વણાટ 10 સે. મી. જાડાઈ સુધીના કાપડના ઉત્પાદનને મંજૂરી આપે છે. જાડાઈની દિશામાં મૂકવામાં આવેલા રેસાને 3D વણાયેલા કાપડ માટે ઝેડ-યાર્ન, વાર્પ વણકર અથવા બાઈન્ડર યાર્ન કહેવામાં આવે છે. કાપડના એક કરતા વધુ સ્તરો એક જ સમયે વણવામાં આવે છે, અને ઝેડ-યાર્ન પ્રક્રિયા દરમિયાન વિવિધ સ્તરોના દોરડા અને વૂફ યાર્નને એકબીજા સાથે જોડે છે. વણાટની પ્રક્રિયાના અંતે, એક સંકલિત 3D વણાયેલું માળખું ઉત્પન્ન થાય છે, જે નોંધપાત્ર જાડાઈ ધરાવે છે. ત્રિ-પરિમાણીય વણાયેલ માળખાં 3D એકમ કોષ અને 3D ઓર્થોગોનલ માળખા બંનેમાં લગભગ 50 ટકા ફાઇબર વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક સાથે સંયુક્ત સામગ્રી બનાવી શકે છે. વધુ ગાઢ વણાયેલા પૂર્વરૂપો બનાવવા માટે એન્ગલ-ઇન્ટરલોક ત્રિ-પરિમાણીય વણાયેલી રચનાઓ પણ સામાન્ય છે. ઇન્ટરલોક માળખામાં યાર્નને યાર્નના એક સ્તરથી બીજા સ્તરમાં વણાટ કરી શકાય છે અને પછી એકબીજા સાથે અડીને આવેલા સ્તરોને તાળું મારવા માટે મૂળ સ્તર પર પાછા જઈ શકાય છે. જટિલ ઇન્ટરલોક માળખામાં બહુવિધ સ્તરોને જોડવા માટે ચોક્કસ બિંદુઓ પર યાર્નને ઘણા સ્તરોમાં વણાટ કરી શકાય છે. આ માળખાઓને લેમિનેટેડ સામગ્રી પર મોટો ફાયદો છે કારણ કે તેઓ સ્તરના ડિલેમિનેશન સામે ઉત્તમ પ્રતિકાર ધરાવે છે. દ્વિભાજન જેવી જેક્વાર્ડ વણાયેલી તકનીકોનો ઉપયોગ કરીને, 3ડી વણાયેલા પૂર્વરૂપોને પ્રમાણભૂત આઇ-બીમથી લઈને જટિલ સાઇન-કર્વ આઇ-બીમ, એરક્રાફ્ટ એરફોઈલ્સ અને અન્ય ઘણા આકારો સુધીના લગભગ અનંત આકારોમાં બનાવી શકાય છે. રેઝિન ટ્રાન્સફર મોલ્ડિંગ સાથે સમાપ્ત થયેલ 3D વણાયેલા સંયોજનો 26 ફૂટથી વધુ લાંબા બનાવવામાં આવ્યા છે. 3ડી વણાયેલા સંયોજનોનો ઉપયોગ વિવિધ ઇજનેરી કાર્યક્રમો માટે થાય છે, જેમાં એન્જિન રોટર, રોકેટ નોઝ કોન અને નોઝલ, એન્જિન માઉન્ટ્સ, એરક્રાફ્ટ ફ્રેમવર્ક, ટી-અને એક્સ-આકારની પેનલ, એરક્રાફ્ટ વિંગ્સ માટે અગ્રણી ધાર અને સિવિલ ઇન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચર માટે આઈ-બીમનો સમાવેશ થાય છે. 3D વણાયેલા કાપડનું વર્ગીકરણ 3D વણાયેલા કાપડના ઘણા પ્રકારો છે જે વ્યાપારી રીતે ઉપલબ્ધ છે; તેમને તેમની વણાટ તકનીક અનુસાર વર્ગીકૃત કરી શકાય છે. 3ડી વણાયેલા ઇન્ટરલોક કાપડ, પરંપરાગત 2ડી વણાટ લૂમ પર ઉત્પાદિત 3ડી વણાયેલા કાપડ છે, જે યોગ્ય વણાટ ડિઝાઇન અને તકનીકોનો ઉપયોગ કરીને બનાવવામાં આવે છે, તેમાં વણાટ/ઝેડ-યાર્ન ફેબ્રિકની તમામ જાડાઈમાંથી પસાર થઈ શકે છે અથવા એક સ્તરથી બીજા સ્તર પર જઈ શકે છે. 3ડી ઓર્થોગોનલ વણાયેલા કાપડ, 3ડી વણાયેલા કાપડ છે જે ખાસ 3ડી વણાટ વણાટ પર બનાવવામાં આવે છે. આવા કાપડની રચનાની પ્રક્રિયાને મોહમ્મદ અને ઝાંગ દ્વારા પેટન્ટ કરવામાં આવી હતી. 3ડી ઓર્થોગોનલ વણાયેલા કાપડની સ્થાપત્યમાં યાર્નના ત્રણ જુદા જુદા સેટનો સમાવેશ થાય છે; વાર્પ યાર્ન (વાય-યાર્ન), વેફ્ટ યાર્ન (એક્સ-યાર્ન) અને (ઝેડ-યાર્ન). ઝેડ-યાર્ન પ્રિફોર્મની જાડાઈની દિશામાં મૂકવામાં આવે છે. 3ડી ઓર્થોગોનલ વણાયેલા કાપડમાં દોરડા અને વેફ્ટ યાર્ન વચ્ચે કોઈ ઇન્ટરલેસિંગ નથી અને તે એકબીજા સાથે સીધા અને લંબરૂપ હોય છે. બીજી બાજુ, ઝેડ-યાર્ન વેફ્ટ યાર્ન પર વાય-દિશા સાથે ઇન્ટરલેસિંગ (ઉપર અને નીચે ખસેડવું) દ્વારા વાર્પ અને વેફ્ટ સ્તરોને જોડે છે. કાપડની ઉપરની અને નીચેની સપાટી પર ઇન્ટરલેસિંગ થાય છે. ફાયદા 3D વણાયેલા કાપડ એ એપ્લિકેશનોમાં ખૂબ જ ઉપયોગી છે જ્યાં સંયુક્ત માળખું આઉટ-ઓફ-પ્લેન લોડિંગને આધિન છે, જાડાઈના પરિમાણમાં ઝેડ-યાર્ન દ્વારા પૂરી પાડવામાં આવેલી વધારાની તાકાતને આભારી છે. આમ તે સીમાંકનનો વધુ સારી રીતે પ્રતિકાર કરી શકે છે, જે સપાટીની બહારના બળોને કારણે સ્તરોનું વિભાજન છે. 3D વણાયેલા કાપડમાં ઉચ્ચ રચનાક્ષમતા હોય છે, જેનો અર્થ છે કે તેઓ જટિલ સંયુક્ત ડિઝાઇનના કિસ્સામાં સરળતાથી મોલ્ડનો આકાર લઈ શકે છે. 3ડી વણાયેલા કાપડમાં અત્યંત છિદ્રાળુ માળખું હોય છે, જે રાળ ઉમેરવાનો સમય ઘટાડે છે. 3ડી ઓર્થોગોનલ વણાયેલા કાપડમાં ઓછા અથવા કોઈ યાર્ન ક્રિમ્પ (વણાટ પહેલાં અને પછી યાર્નની લંબાઈમાં તફાવત) નથી; તેથી, રેસાના યાંત્રિક ગુણધર્મો લગભગ સંપૂર્ણપણે વાર્પ અને વણાટની દિશામાં ઉપયોગમાં લેવાય છે. આમ, તે આ દિશામાં ઉચ્ચ પ્રદર્શન ધરાવતા રેસાની મહત્તમ ભાર વહન ક્ષમતાથી લાભ મેળવી શકે છે. 3ડી વણાયેલા કાપડનો આકાર વણાટની પ્રક્રિયા દરમિયાન ત્રણેય દિશામાં ટૂંકો કરી શકાય છે, જે આઇ-બીમ અને સ્ટિફનર જેવા ચોખ્ખા આકારના કાપડનું ઉત્પાદન કરે છે. આનો અર્થ એ છે કે આ પ્રિફોર્મ્સને કોઈપણ વધારાના મજૂર કાર્ય વિના સીધા મોલ્ડમાં મૂકી શકાય છે. ભાગ બનાવવા માટે સ્તરની જરૂર નથી, કારણ કે એક જ કાપડની નોંધપાત્ર જાડાઈ હોય છે જે સંપૂર્ણ ત્રિ-પરિમાણીય મજબૂતીકરણ પ્રદાન કરે છે. 3ડી વણાયેલા કાપડને વિવિધ આકારોમાં ઢાળવામાં આવે છે અને તેનો ઉપયોગ જૈવિક ઉપયોગોમાં બદલી પેશીઓ બનાવવા માટે થઈ શકે છે 3ડી બ્રેઇડેડ કમ્પોઝિટ્સ "3ડી બ્રેઇડેડ ફેબ્રિક્સ ટેકનોલોજી એ સુસ્થાપિત 2-ડી બ્રેઇડિંગ ટેકનોલોજીનું વિસ્તરણ છે જેમાં કાપડનું નિર્માણ બે અથવા વધુ યાર્ન પ્રણાલીઓને એકબીજા સાથે જોડીને એક અભિન્ન માળખું બનાવે છે". 1960 ના દાયકાના અંતમાં વિકસાવવામાં આવ્યું હતું, 2 ડી સંયુક્ત લેમિનેટ્સ સંબંધિત સમસ્યાઓને અવગણવાના પ્રયાસમાં, તેમ છતાં તે જ સમયે બ્રેડિંગ પ્રક્રિયાના ફાયદાઓને જાળવી રાખે છે. સંયુક્ત પૂર્વરૂપ તરીકે ઉપયોગમાં લેવાતા ગૂંથેલા માળખાઓ, ફિલામેન્ટ વાઇન્ડિંગ અને વણાટ જેવી અન્ય સ્પર્ધાત્મક પ્રક્રિયાઓ કરતાં ઘણા ફાયદા ધરાવે છે. ફિલામેન્ટ ઘા સંયોજનોની સરખામણીમાં ગૂંથેલા સંયોજનોમાં બહેતર કઠિનતા અને થાકની શક્તિ હોય છે. વણાયેલા કાપડમાં ઓર્થોગોનલ ઇન્ટરલેસમેન્ટ હોય છે જ્યારે વેણીઓને 10 થી 858 સુધીના ખૂણાઓની વિશાળ શ્રેણી પર બનાવી શકાય છે. ટ્રાઇએક્સિયલ વેણીઓ બનાવવા માટે વેણીની પ્રક્રિયામાં અક્ષીય યાર્નનો વધારાનો સમૂહ દાખલ કરી શકાય છે (આકૃતિ. 1) ટ્રાઇએક્સિયલ વેણીઓ વધુ સ્થિર હોય છે અને લગભગ આઇસોટ્રોપિક ગુણધર્મો દર્શાવે છે. બ્રેઇડ્સનું ઉત્પાદન કાં તો સીમલેસ ટ્યુબ તરીકે અથવા સતત સેલ્ફવેજ સાથે સપાટ કાપડ તરીકે કરી શકાય છે. બ્રેઇડેડ પ્રિફોર્મ્સ સાથે ઉત્પાદિત કમ્પોઝિટ્સ ફાઇબર સાતત્યને કારણે બ્રોડક્લોથ કમ્પોઝિટ્સની તુલનામાં બહેતર શક્તિ અને તિરાડ પ્રતિકાર દર્શાવે છે; બ્રેઇડેડ છિદ્રો (Fig.2) સાથે કમ્પોઝિટ્સ ડ્રિલ્ડ છિદ્રોની તુલનામાં લગભગ 1.8 ગણી શક્તિ દર્શાવે છે, ફરીથી ફાઇબર સાતત્યને કારણે. 3ડી બ્રેઇડર્સના બે મુખ્ય પ્રકારો છે, હોર્ન ગિયર અને ટ્રેક અને કોલમ પ્રકારો. હોર્ન ગિયર પ્રકાર 3D બ્રેઇડર્સ વાહક પ્રોપલ્શન માટે મોટી સંખ્યામાં પરંપરાગત હોર્ન ગિયરનો ઉપયોગ કરે છે. હોર્ન ગિયર્સને ચોરસમાં ગોઠવીને, વિવિધ ક્રોસ-સેક્શન સાથે 3D નક્કર વેણીઓ (દા. ત. એચ વિભાગ) ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. 3D બ્રેઇડેડ કમ્પોઝિટ્સના ઉપયોગો પ્રોપેલર બ્લેડ, પ્રોપલ્શન શાફ્ટ, પ્રોપેલર ટ્રસ સેક્શન ડેકિંગ, લેન્ડિંગ પેડ ઓટો બોડી, ચેસિસ, ડ્રાઇવ શાફ્ટ બાયોમેડિકલ ઉપકરણો 3D સિલાઇવાળા કમ્પોઝિટ્સ ઉચ્ચ શક્તિવાળા થ્રેડ સાથે જાડાઈની દિશામાં લેમિનેટ્સનું સિલાઇ 3D કમ્પોઝિટ્સના ઉત્પાદન માટે એક સરળ, ઓછી કિંમતની પદ્ધતિ સાબિત થઈ છે. સીવણ પ્રક્રિયામાં મૂળભૂત રીતે ઉચ્ચ તાણ શક્તિ વાળા યાર્ન (દા. ત. સીવણ) નો સમાવેશ થાય છે. કાચ, કાર્બન અથવા કેવલર), અનિશ્ચિત પ્રીપ્રેગ લેમિનેટ અથવા સૂકા કાપડ દ્વારા ઔદ્યોગિક સીવણ મશીનનો ઉપયોગ કરીને ચલાવવામાં આવે છે. અભ્યાસો સીવણને કારણે ઇન-પ્લેન યાંત્રિક ગુણધર્મોમાં સુધારાની જાણ કરે છે, જ્યારે અન્યને સિલાઇવાળા લેમિનેટ્સ માટે એસેમ્બલ કરવામાં આવેલ અપરિવર્તિત અથવા અધોગતિ પામેલી properties.The માહિતી મળે છે જે દર્શાવે છે કે તાણ, સંકોચન, વળાંક, શીયર અને ખુલ્લા છિદ્રની શક્તિમાં સુધારો થાય છે અથવા બિન-સિલાઇવાળા લેમિનેટ્સની સરખામણીમાં સીવણ દ્વારા 20 ટકા સુધી અધોગતિ થાય છે. 3ડી સિલાઇ કમ્પોઝિટ્સની એપ્લિકેશન્સ લેપ સાંધાઓ સ્ટિફન્ડ પેનલ્સ એરક્રાફ્ટ વિંગ-ટુ-સ્પાર સાંધાઓ 3ડી ઝેડ-પિનિંગ પ્રમાણભૂત સિલાઇ પ્રક્રિયાની આ વૈકલ્પિક પદ્ધતિ સૌપ્રથમ 1980ના દાયકાના અંતમાં રજૂ કરવામાં આવી હતી અને એઝટેક્સ કંપની દ્વારા ઝેડ-ફાઇબર ટેકનોલોજી તરીકે વ્યાવસાયિક રીતે વિકસાવવામાં આવી હતી. "આ તકનીકમાં થર્મોપ્લાસ્ટિક ફીણમાં અગાઉ સુધારેલા રિઇન્ફોર્સમેન્ટ રેસાને એમ્બેડ કરવાનો સમાવેશ થાય છે જે પછી પ્રીપ્રેગ, અથવા ડ્રાય ફેબ્રિક, લે-અપ અને વેક્યૂમ બેગની ટોચ પર મૂકવામાં આવે છે". 12 તાપમાન અને દબાણમાં વધારો થતાં ફીણ તૂટી જશે, જે રેસાને ધીમે ધીમે ગોઠવણીમાં ધકેલવાની મંજૂરી આપે છે. ઝેડ-પિનિંગના સંદર્ભમાં 3ડી મજબૂતીકરણ સંયુક્ત લેમિનાના વિવિધ પ્લીસ વચ્ચે યાંત્રિક કડી રજૂ કરવા માટે જરૂરી છે, આ કડી ઝેડ-પિનિંગમાં સખત કાર્બન ફાઇબર લાકડી છે. ઝેડ-પિન (જાડાઈની દિશા-ઝેડમાં જડિત નાના વ્યાસના કાર્બન ફાઇબર) સંયોજનો એ 2 ડી વણાયેલા સંયોજનોમાં ન હોય તેવી જાડાઈ અને તાકાત દ્વારા ઉચ્ચ પ્રદાન કરવાનું એક સાધન છે. 3ડી ઝેડ-પિન કમ્પોઝિટ્સનો ઉપયોગ એફ/એ-18 સુપર હોર્નેટ ફાઇટર એરક્રાફ્ટ પર ઇનલેટ ડક્ટ સ્કીન પેનલ્સનું મજબૂતીકરણ અને ટોપી આકારના સ્ટિફનરને જોડવા. ત્રિ-પરિમાણીય પ્રિફોર્મ્સમાં રેઝિનનો ઉપયોગ ઘણા ત્રિ-પરિમાણીય પ્રિફોર્મ્સ જટિલ સંયુક્ત સામગ્રીમાં રૂપાંતરિત થાય છે જ્યારે રેઝિન લાગુ કરવામાં આવે છે અને નક્કર ફાઇબર પ્રબલિત મેટ્રિક્સ બનાવવા માટે પ્રિફોર્મની અંદર ઉપચાર કરવામાં આવે છે. 3ડી પ્રિફોર્મ્સ માટે રેઝિન એપ્લિકેશનનું સૌથી સામાન્ય સ્વરૂપ રેઝિન ટ્રાન્સફર મોલ્ડિંગ પ્રક્રિયા છે જ્યાં પ્રિફોર્મના આકારમાં મોલ્ડ બનાવવામાં આવે છે અને પછી પ્રિફોર્મને અંદર મૂકવામાં આવે છે. મોલ્ડ બંધ કરવામાં આવે છે અને પછી મેટ્રિક્સ સામગ્રીના રેઝિનને ચોક્કસ તાપમાન અને દબાણ હેઠળ ઇન્જેક્ટ કરવામાં આવે છે, પછી તેને મટાડવાની મંજૂરી આપવામાં આવે છે. પછી ઘાટને 3D સંયુક્ત સામગ્રીના બાહ્ય ભાગમાંથી દૂર કરવામાં આવે છે. 3ડી કમ્પોઝિટ્સ વિ. 2ડી કમ્પોઝિટ્સનું યાંત્રિક મૂલ્યાંકન 3ડી વણાયેલા કમ્પોઝિટ્સનું માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર મુખ્યત્વે ફાઇબર આર્કિટેક્ચર દ્વારા વણાયેલા પ્રીફોર્મ અને વણાટની પ્રક્રિયા દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે, અને ઓછા પ્રમાણમાં consolidation.Various પ્રકારની ખામીઓ 3ડી વણાટ પ્રક્રિયા દરમિયાન અજાણતાં બનાવવામાં આવે છે જે સંભવતઃ 3ડી કમ્પોઝિટના ઇન-પ્લેન, થ્રુ-જાડાઈ અને અસર ગુણધર્મોને ઘટાડી શકે છે. સંશોધનમાં જાણવા મળ્યું છે કે વિવિધ 3D સંયુક્ત સામગ્રીનું પરીક્ષણ કે ". તાકાત સમકક્ષ દ્વિ-પરિમાણીય (2D) સામગ્રી કરતાં સમાન અથવા સહેજ વધારે છે". જ્યારે 2D કમ્પોઝિટ સાથે સરખામણી કરવામાં આવે છે, ત્યારે ઇમ્પેક્ટ રેઝિસ્ટન્સ, ઇમ્પેક્ટ પછી કમ્પ્રેશન (CAI) અને ડિલેમિનેશન કંટ્રોલમાં 3D કમ્પોઝિટ સાથે નોંધપાત્ર સુધારો કરવામાં આવે છે, જેમાં પ્લેનની સાથે યાંત્રિક ગુણધર્મોને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડવામાં આવે છે. સંદર્ભો સંયુક્ત સામગ્રી ફાઇબર-પ્રબલિત પોલિમર