وقد تجاوزت هذه المركبات البوليمرات المجهزة المجهزة بقوة فبر، التطبيقات الكيمائية وأصبحت الآن دعامة مركزية من ركائز صناعة السيارات الحديثة، حيث تتسارع الصناعة نحو معايير أكثر صرامة لاقتصاد الوقود والتبني الجماعي للمركبات الكهربائية، والطلب على المواد ذات الوزن الخفيف والمواد الدوارة والعكسية لم يكن أبداً أعلى.

Properties of FRP Composites in Automotive Applications

نسبة عالية من القوة إلى الوزن

أما نسبة القوة العالية إلى الوزن في المركبات المركبة ذات الترددات العالية، فهي أكثر خصائصها اضطرابا، حيث أن نسبة المركبات التي تحطمت بسرعة عالية، أو التي تزيد وزنها بنسبة ٥٠ في المائة، أو تزيد بنسبة قوة التراكم، أو تزيد عن نسبة البوليمرات المتنافسة في إطار التراكم، أو التي تزيد بنسبة ٥,١ في المائة في شكل مركبتين.

المقاومة والدقة

كما أن مقاومة التآكل المتأصلة هي متغير للمكونات الخفية، ووصلات الديوكس، وأجهزة الإرسال بالبطارية، لا تتآكل أو تصدأ عندما تتعرض للرطوبة أو الملح أو المواد الكيميائية، كما أن هذه المقاومة المتأصلة هي مشغلة للزيوت المركب، وأجهزة العزل، وأجهزة الكشف عن المكشوف، وهي عوامل لا يمكن تجنبها.

حرية التصميم وجزء من التوحيد

ويمكن أن تُقَفَّل مركبات هذه المركبات إلى مجمَّعات جغرافية معقدة غير عملية أو مستحيلة مع تركيب المعادن التقليدية، وهذه المرونة في التصميم تتيح للمهندسين أن يُحدِّدوا إلى الحد الأمثل من الديناميات الهوائية، وأن يدمجوا وظائف متعددة في عنصر واحد، وأن يخلقوا سمات مميزة، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تدمج مجموعة من النقاط الأمامية المركبة هيكلاً للصدمات، ونقاط التثبيت، ومواضعة

مقاومة الزواحف

وتُعرض المعادن للفشل في التفريغ تحت التحميل الدوري المتكرر، الذي يمكن أن يُحدث شقاً في تركيزات الإجهاد ويُنشر حتى كسر، غير أن المركبين من طراز FRP قد يُظهران مقاومة غير قيمة بسبب نمط الفشل الذي يُهيمن عليه الألياف، وفي تركيبة مركبة مصممة جيداً تنقل كميات كبيرة من الألياف إلى الألياف الربيعية المستمرة، التي تعمل في إطار دورة الحمل الأولي.

استيعاب الطاقة

إن امتصاص الطاقة أثناء التحطم هو شرط أمني حرج، ويمكن تصميم مركبي الاتحاد لاستيعاب كميات كبيرة من الطاقة المتأثِّرة عن طريق تصميم أساليب سحق تفشل تدريجياً في الألياف والمصفوفة، ويمكن أن تُنثر على الطاقة الأحادية، على وجه الخصوص، بمعدلات تتجاوز مثيلاتها في الصلب أو الألومنيوم في كل كتلة، كما أن آليات كسر الألياف المصغرة،

الممتلكات الحرارية والكهربائية

كما أن الألياف الزجاجية توفر مجموعة من السلوكيات الحرارية والكهربائية حسب الألياف والمصفوفة المختارة، وتعطي الصمامات الحرارية صورة ممتازة، وتفتقر إلى مصفوفة كهربائية غير موصلة، مما يجعل أجزاء من نظام الأفضليات المعمم من أجل تغطية البطاريات ومكونات العزل الكهربائي في المركبات.

عمليات التصنيع التي تفكك هذه الممتلكات

وترتبط خصائص عنصر السلع الأساسية ارتباطاً وثيقاً بأسلوب التصنيع المستخدم، وتطالب صناعة السيارات بعمليات عالية الحجم ومكررة مع قياس فترات الدورة في دقائق وليس ساعات، وقد تم تكييف عدة عمليات لتلبية هذه المتطلبات مع الحفاظ على المزايا المادية.

حرق الضغط (مركبة بيع الورق)

وتستخدم مركب التموين المضغي كؤوس أو ألياف الكربون التي تم قطعها ووضعها في عفن مسخن، وتحت الضغط، تتدفق المواد وتعالج بسرعة، تنتج أجزاء ذات أسطح من الدرجة ألف مناسبة للوحات الجسم الخارجي، وتقدم شركة SMC اتساقا ممتازا ويمكن أن تنتج أشكالا معقدة مع إدخالات وأضلاع ورؤوس وقطع غيار كل سنة، وتكلفها ٠٠٠ ٥٠ ساعة من دورة عام واحد.

Resin Transfer Molding (RTM) and HP-RTM

وفي إطار نظام الصرف الصحي، توضع الألياف الجافة في قالب مغلق، وتحقن الراتنجات السائلة تحت الضغط، وتُدخل أجهزة راتنج ذات ضغط عال وتعالج في أقل من 5 دقائق، وتسمح بمكونات هيكلية مثل مقلاة الطوابق والأطر السطحية وأجهزة الرش المزودة بأجهزة ميكانيكية متعددة.

Automated Fiber Placement (AFP)

وتستخدم الرابطة الرؤوس الآلية لوضع شرائح ضيقة من السحب المبسط (الحزم المتحركة) على سطح أداة، أو توجيه الألياف بدقة نحو مطابقتها لمسارات الحمولة، وتستخدم هذه التقنية في الأجزاء الممنوعة من المركبات مثل البلازما والسكك الحديدية المحطمة، وتُستخدم هذه التقنية في أبطأ وأغل من أجهزة التحكم بالأشعة السينية أو أجهزة الصرافية، ولكنها توفر أعلى مستوى من هياكل التصميم الأمثل للأشعة.

مركبات حرارية

وتزداد مصفوفات الترموبلات (مثلاً، البوليميد، بوليبروبيلين) المعززة بألياف الزجاج أو الكربون المستمرة، من حيث سرعة دورة قصيرة، وقابلية الصلاحية، وإعادة التدوير، كما أن العمليات مثل التراكم في صحائف الأعضاء أو التوحيد في الموقع أثناء الطباعة 3D (الصناعة الايجابية) تتيح الإنتاج الفعال لأجزاء شبه هيكلية.

تطبيقات المركبات المملوكة للقوات المسلحة

الأفرقة المعنية بالهيئات والمبالغ المغلقة

وتستفيد من الوزن الخفيف ومقاومة الأثر، ومن حرية تصميم نظام تحديد القيمة، ويستخدم العديد من المركبات ذات الأداء العالي غطاءات الكربون للحد من وزن الأكسيد الأمامي وتحسين المناولة، كما تستخدم الألياف المقوى للنسيج على نطاق واسع في المناديل، والأحذية، والأطر المكمنة في المركبات التي لا تنتجها الكتلة، مثل فوردو موستنغ، والتشيف.

المكونات الهيكلية

وتشمل التطبيقات الهيكلية نماذج للنهاية الأمامية، وألواح داخلية للباب، ونظم للطابقين، وهياكل الجلوس، وقد روّدت الهيئة البريطانية المعنية ببروميد الميثيل (BMW i3) و(I8) استخدامه في سيارة إنتاجية عالية الحجم، حيث أصبحت خلية الركاب (Life Module) التي تم بناؤها من ألياف الكربون، وفي الآونة الأخيرة، تستخدم مؤسسة فورد F-150 (GFRP) في الحد الأدنى من وزنها الداخلي.

القيد والقوة

وتطرح درجات الحرارة الناقصة والتعرض للسائل تحديات، ولكن مركبي النفط المزود بمقياس للجرعات يلبيهما باختيار مناسب للراتنج، وكثيرا ما تُنقَّف مواصف الزيت المحركية، ومجلدات الكام من النيلون المقوى بالزجاج، مما يتيح وفورات في الوزن تتراوح بين 30 و40 في المائة على الألومنيوم.

وحدات كشف البطاريات للمركبات الكهربائية

وتشكل مسكنات حزمة البطاريات أحد المكونات الوحيدة الأثقل في مركب من طراز EV. CFRP و GFRP، وهي تحل محل الفولاذ والألومنيوم في الضواحي، وتخفض الوزن بنسبة 40 إلى 60 في المائة، وتوفر حماية ممتازة للأثر، والإدارة الحرارية، والعزلة الكهربائية، كما يجب أن تستوفي صفائح البطارية المركبة معايير صارمة للسلامة من الحرائق ومن السحق، كما أن البحوث الجارية تدمج مواد التغيير التدريجي ودمج نظام إعادة ضبط الحريق في نظام.

التحديات والنظر في المسألة

وعلى الرغم من مزايا هذه البلدان، تواجه مركبات الاتحاد FRP حواجز تحول دون اعتمادها على نطاق واسع في مجال صناعة السيارات، وتشكل العقبات الرئيسية التكلفة وسرعة الإنتاج وإعادة التدوير في نهاية العمر.

تكاليف المواد وتجهيزها

ولا يزال الألياف الكربونية، ولا سيما في شكل الطراز الآلي، باهظة التكلفة - أي ما يتراوح بين 10 و 20 دولاراً لكل كيلوغرام مقابل دولار واحد إلى 2 دولار للصلب، كما أن ارتفاع تكاليف الأدوات اللازمة للزراعة المضغوطة وأجهزة الصرف الصحي الإقليمية يتطلب أيضاً كميات كبيرة من الإنتاج لتنفجر، غير أن الابتكارات في المواد السليفة (مثل ألياف الكربون التي تستخدم في الليجين) وتقنيات التصنيع الأرخص تقلل من التكاليف.

الانضمام إلى الجمعية العامة

فالربط المكثف والربط الآلي هما الوسيلة الرئيسية للالتحاق بالركبتين، ولا يمكن للحام إلا في مصفوفات الثروات الحرارية، ويتطلب الترميز المكثف إعدادا دقيقا للسطح ومراقبة الجودة لضمان استمرارية تصريفها في الأجل الطويل، كما أن المفاصل المختلطة تجمع بين الترابط والوصلات المزخرفة شائعة لتوفير التكرار في سلامة المصدات، ولا يزال عدم وجود طرائق موحدة للالتحاق بالمعادن.

إعادة التدوير والاستدامة

ولا يمكن إعادة صهر مركبات الترموست (التبغ، والبوليستر) مما يجعل إعادة التدوير صعبة، ويظهر التطريز الميكانيكي في الملاولة، والتحلل الحراري لاسترداد الألياف، والتحلل الرئوي تكنولوجيات ناشئة، ولكنها ليست قادرة على تحمل التكاليف بعد على معالجة تدفقات النفايات ذات الحجم المرتفع، وتظهر المركبات المركبة الحرارية ميزة واضحة للثبات في قابلية التدوير، وهي محور دراسات إنمائية كثيرة.

التفتيش والإصلاح

ويمكن أن يكون من الصعب الكشف عن الأضرار المركبة بصريا؛ كما أن أساليب التفتيش غير المدمرة مثل الموجات فوق الصوتية أو الترميم أو الأشعة السينية ضرورية؛ وإن إصلاح الهياكل المركبة أكثر تعقيدا من المعدن المبلد، الذي يتطلب في كثير من الأحيان رقعة مودعة أو استبدال أجزاء كاملة، مما له آثار على صيانة الأسطول وتكاليف التأمين، ومع ذلك، فإن برامج التدريب ومعايير الإصلاح تتراكم.

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

وبالإضافة إلى ذلك، يُعد العقد القادم بتقدم كبير في تركيبات المركبات ذات القدرة على تحمل عبء العمل، ويجري حالياً بحث الألياف الطبيعية مثل الفلفل والثقب والكيناف في الأفرقة الداخلية والهياكل الثانوية، مما يتيح تقلّص التكلفة وتحسين الاستدامة، وتخفض الرواسب القائمة على أساس بيولوجي من الزيوت النباتية واللين البدائي من مصفوفة البوليمر.

As the automotive industry pivots to electrification and sustainability, FRP composites are poised to become mainstream. Their unparalleled combination of strength, lightness, and durability will continue to drive innovation from the race track to the assembly line. For more on the latest developments, resources from Composites World

خاتمة

إن مركبي البوليمر المقوى على العجلات ليس اتجاهاً متسارعاً بل هو لبنة أساسية من الهندسة الآلاتية في المستقبل، فنسبة قوتها العالية إلى الوزن، ومقاومة التآكل، والحياة المرنة، ومرونة التصميم، وقدرات استيعاب الطاقة، تتيح للمركبات الأكثر أماناً وأكثر كفاءة وأكثر استدامة من أي وقت مضى، وفي حين أن تحديات التكلفة، والانضمام، والقابلية لإعادة التدوير، ما زالت هناك تقدم مطرد في مجال تكنولوجيا التصنيع وعلوم المادية.