ליפוף סיבים רציפים יוצר מבנים מרוכבים חלולים באמצעות הנחת סיבי חיזוק במסלולים מבוקרים על תבנית מסתובבת. המונחים מקשרים בין בחירת החומר, מיקום ההנחה ובדיקת המבנה השכבתי המוגמר. צינורות, מכלים, עמודים וכלי לחץ משתמשים במונחים דומים, אך מגבלות הייצור שלהם שונות.
1. מסליל הסיבים אל המנדרל
מנדרל — תבנית התומכת בהנחת הסיבים וקובעת את הגאומטריה הפנימית. היא יכולה להיות נשלפת, מתכווצת או מיועדת להסרה תוך הריסתה.
ליינר — מחסום פנימי היכול להישאר במוצר. ליינר אינו בהכרח שכבה מבנית נושאת עומס.
מעמד סלילים, וסת מתיחה ועין הנחה — המעמד מחזיק את סלילי הסיבים, הווסת שולט בכוח המשיכה ועין ההנחה מכוונת את הרצועה למשטח. [1]
בליפוף רטוב מוסיפים שרף נוזלי לחיזוק היבש במהלך הייצור. Towpreg מסופק כאשר השרף כבר משולב בו. ליפוף תרמופלסטי דורש חימום וקונסולידציה מתאימים, במקום תגובת ההקשיה של שרף תרמוסטי. בחירת התהליך משנה את דרישות הטיפול, האחסון והטמפרטורה. [2, 3]
2. מונחים של חיזוק ושרף
פילמנט, גדיל, רובינג ואגד סיבים — פילמנט הוא סיב בודד. קבוצות גדולות יותר נקראות גדילים, רובינג או אגדים, בהתאם לחומר ולמונחי הספק.
טקס ומספר K — טקס מציין מסה ליחידת אורך בגרמים לכל 1,000 מטר. סימון כגון 12K באגד פחמן מציין כ־12,000 פילמנטים, ואינו מגדיר את רוחב האגד.
רוחב רצועה — רוחב החיזוק שהונח, הנמדד בניצב לכיוון ההנחה. כמה אגדים יכולים ליצור רצועה אחת. [1]
מטריצה — מופע השרף הרציף המקיף את החיזוק. חלון העיבוד ותכונותיו לאחר ההקשיה משפיעים על הייצור ועל ההתנהגות בשירות.
הספגה והרטבה — הספגה מחדירה שרף אל תוך החיזוק. הרטבה מתארת עד כמה השרף מרטיב היטב את הסיבים. ברק חיצוני לבדו אינו מוכיח הספגה פנימית מלאה.
חיי עבודה וזמן היווצרות ג׳ל — חיי העבודה הם משך השימוש האפשרי בתערובת בתנאים המוגדרים. זמן הג׳ל מציין יצירת רשת ג׳ל. אף אחד מהם אינו אומר שהמבנה השכבתי הגיע לתכונותיו הסופיות.
מחזור הקשיה והקשיה משלימה — התוכנית התרמית המוגדרת מפתחת את המטריצה התרמוסטית. ייתכן שתידרש הקשיה משלימה להשגת התכונות המבוקשות. יש לפעול לפי התוכנית המאומתת של ספק השרף.
3. זווית ליפוף: תמיד לציין את כיוון הייחוס
כאן 0° הוא הכיוון הצירי ו־90° הכיוון ההיקפי. הסימנים +α ו־−α מבדילים בין שיפועים מנוגדים במערכת הצירים המוגדרת. כשלעצמם הם אינם מורים על סיבוב עם כיוון השעון או נגדו. השרטוט, ההדמיה ותוכנית ה־CNC חייבים להשתמש בייחוסים תואמים. [1]
4. ליפוף היקפי, סלילי וקוטבי
ליפוף היקפי מניח את הסיבים כמעט לאורך ההיקף ומתאים לנשיאת עומסים היקפיים. התקדמות צירית קטנה מפזרת כריכות סמוכות לאורך הגליל. ליפוף סלילי משלב סיבוב ותנועה אורכית ליצירת מסלולים אלכסוניים; מעברים בכיוונים מנוגדים יכולים ליצור כיווני סיבים מצטלבים. ליפוף קוטבי עובר מעל הקצוות ומסביב לפתחים הקוטביים. היתכנותו תלויה בגאומטריה ובמבנה המכונה. [2]
כיפה ומחבר קוטבי — הכיפה היא האזור המעוקל בקצה כלי הלחץ. המחבר הקוטבי, Boss, הוא אבזר הקצה הקשור לפתח ולמבנה המלופף שסביבו.
מסלול גאודזי — מסלול ישר מקומית במסגרת הגאומטריה של המשטח. על משטח מעוקל כללי הוא אינו חייב להיראות ישר במבט צד.
מסלול לא גאודזי — מסלול הסוטה מגאודזה, ועלול להזדקק לריסון צדי באמצעות חיכוך או מנגנוני תהליך אחרים. שרטוט מסלול אינו מוכיח שהסיב יישאר במקומו.
5. תנועה, פסיעה ומהירות
לגליל אידאלי בקוטר קבוע D, ללא החלקה ובהנחה במצב יציב, גאומטריית המשטח נותנת:
tan(α) = πDn / vₐ וגם p = vₐ / n
n היא מהירות הסיבוב בסל״ד, vₐ היא מהירות ההנחה הצירית במ״מ לדקה, D הוא הקוטר במ״מ ו־p היא ההתקדמות הצירית לכל סיבוב במ״מ לסיבוב. לכן tan(α) = πD/p. היחסים מתארים הנחה על הגליל, ולא תנועה על הכיפות או באזורי שינוי הכיוון.
דוגמה: D = 200 mm, n = 10 rpm ו־α = 60° נותנים vₐ ≈ 3,628 mm/min ו־p ≈ 362.8 mm/rev. כאשר הקוטר גדל ויחס המהירויות נשאר קבוע, הזווית משתנה. לכן הבקר עשוי לעדכן את התנועה עם התעבות המבנה השכבתי.
6. מעברים, מסלולי הלוך ושוב וסגירת תבנית הליפוף
סיבוב הוא הקפה מלאה אחת של ציר הסיבוב. מעבר פירושו בדרך כלל תנועה בכיוון אחד. Circuit כולל בדרך כלל הלוך ושוב. המונח ״מחזור״ אינו אחיד: יצרן עשוי להשתמש בו למסלול כזה, לחזרה או לפעולה מתוכנתת אחרת. יש לציין את ההגדרה ליד הכמות, ולא להניח שמחזור אחד שווה לסיבוב אחד.
תבנית הליפוף נסגרת כאשר רצף המסלולים חוזר ליחס החזרה שלו. סגירה וכיסוי מלא הם בדיקות שונות: תבנית חוזרת עדיין יכולה להכיל רווחים. אינדוקס הוא היסט היקפי מבוקר בין הנחות עוקבות. אזור שינוי הכיוון נמצא בקצה, שבו כיוון המעבר מתהפך; הזווית, המהירות והצטברות החומר המקומיות יכולות להיות שונות ממרכז הגליל.
כיסוי — מידת הכיסוי של המשטח המיועד ברצועות שהונחו. יש לבדוק לאורך האורך השימושי ובאזורי הקצוות.
שכבה — קיבוץ מבני או יצרני של החיזוק. יש להבהיר אם שכבה פירושה כיוון אחד, זוג ±α או רצף כיסוי מלא.
למינאט וסדר השכבות — המבנה הרב־שכבתי כולו וסדר כיווניו. לדוגמה, [ +55 / −55 / 90 ] מציין שלושה כיוונים; עדיין נדרש להגדיר עובי ומספר חזרות.
מאוזן וסימטרי — למינאט מאוזן משלב תרומות תואמות של +α ו־−α. למינאט סימטרי בנוי כתמונת מראה ביחס למישור האמצע. תכונה אחת אינה מחייבת את האחרת.
7. אורך שימושי ותוספת לחיתוך
האורך השימושי נשאר ברכיב המוגמר. התוספת לחיתוך היא חומר עודף המוסר לאחר הייצור. יש להבדיל ביניהם לבין מהלך העגלה הכולל, שיכול לכלול כניסה, שינוי כיוון ותנועות הרחקה.
8. מונחי איכות חשובים בייצור
שבר נפחי של סיבים, Vᶠ — נפח הסיבים חלקי הנפח הכולל של החומר המרוכב. הוא שונה משבר המסה; ההמרה דורשת את צפיפויות המרכיבים וטיפול עקבי בחללים.
תכולת חללים — החלק של הנפח הפנימי הריק. נדרשת שיטת מדידה מתאימה; בדיקה חזותית של פני השטח בלבד אינה קובעת אותו.
אזור עשיר בשרף ואזור יבש — הראשון מכיל מעט חיזוק יחסית. השני אינו מוספג במידה מספקת. קבילותם תלויה בדרישות המוצר.
גליות והחלקת סיבים — גליות היא סטייה מהיישור המתוכנן. החלקה היא תזוזת החיזוק ממיקום ההנחה המיועד.
היפרדות בין שכבות — הפרדה בין שכבות הלמינאט. היא שונה משריטה על פני השטח או מרווח בין רצועות סמוכות.
כוח מתיחה ודחיסה — כוח המתיחה מופעל על החיזוק. הדחיסה מתארת את הידוק החומר שהונח. כוח המתיחה משפיע עליה, אך הקשר תלוי גם בעקמומיות, בזווית ובהתנהגות החומר. [2]
9. ניסוח מפרט ליפוף חד־משמעי
מתכון עבודה שימושי מגדיר גאומטריה, מערכת חומרים, ייחוס זוויתי, רוחב רצועה בפועל, בסיס מדידת המתיחה, מגבלות מהירות, רצף, הגדרות ספירה, טיפול בקצוות, תוכנית הקשיה וקריטריוני בדיקה. שמות צירים כגון X, Y, Z, A תלויים במכונה; יש להגדיר את תפקידיהם הפיזיים במקום להניח משמעות אחידה לאותיות.
דוגמת ניסוח: ״ללפף את האזור הגלילי בזווית ±60° לציר המנדרל. Circuit אחד פירושו מעבר הלוך ומעבר חזור. לבצע את המספר שנקבע ולבדוק כיסוי באורך השימושי. לתעד רוחב רצועה בפועל, כוח מתיחה לכל אגד וקוטר ממשי. להשתמש במתכונים המאושרים לשינוי כיוון ולהקשיה.״ יש להוסיף ערכים וגבולות קבלה המתאימים לרכיב המסוים.
מקורות וקריאה נוספת
[1] Cadfil. Filament Winding Glossary. https://www.cadfil.com/help/html/glossary.htm
[2] University of Plymouth, MATS347. Filament winding and pultrusion. https://ecm-academics.plymouth.ac.uk/jsummerscales/MATS347/MATS347C9%20FWpult.htm
[3] Polar Technology. Filament Winding. https://www.polartechnology.co.uk/capabilities/filament-winding/
כל האיורים הם תרשימי הסבר מקוריים. הדוגמה המספרית נועדה להמחשה.
שפת הליפוף הסיבי
מדריך מאויר לחומרים, לתנועת המכונה, לדפוסי הליפוף ולאיכות הלמינציה