ساندویچ پانل با هسته فلزی

ساندویچ پانل ها می‌توانند در صنایع مادر، مانند صنعت خودروسازی، هم بسیار مفید باشند و هم هزینه‌ها را کاهش دهند. از فواید شایان ذکر این پانل‌ها می‌توان به نسبت سفتی/قدرت بالا، جذب انرژی بالا، انعطاف‌پذیری در اشغال‌ نکردن فضا، و مواردی از این نوع اشاره کرد.

یکی از تقاضاهای مهم از صنعت خودروسازی اینست که راهکارهایی ارائه دهند تا بتوان بدون مخدوش کردن ساختار خودرو آن را طوری سبک ساخت که مصرف سوخت کاهش یابد. علاوه بر این، طراح به دلیل محدودیت‌های هزینه‌ای آزادی عمل چندانی ندارد، و همچنین ابتکار در خودروسازی به ندرت با موفقیت همراه است مگر آنکه این ابتکار هم عملکرد را بالا ببرد و هم هزینه را کاهش دهد. سازه‌هایی که از ساندویچ پانل در تولیدشان استفاده می‌شود سفتی نسبی خمشی بالایی دارند؛ اساس طراحی این سازه‌ها عبارتست از جدا کردن دو ورق مسطح به وسیله لایه ضخیم‌تر میانی که سفتی کمتری دارد (شکل 1).

البته نگرانی‌هایی در مورد ورق فلزی وجود دارد، چون که نمی‌توان تنها با یک ورق به آن دسترسی پیدا کرد. برای رفع این مشکل، ساندویچ پانل ها طرح‌های جذابی را ارائه می‌کنند. این طرح‌ها علاوه بر این که وزن را تا حد مطلوبی کاهش می‌دهند، فضا را زیاد اشغال نمی‌کنند، در مقابل آتش مقاومند، جلوی سروصدا را می‌گیرند، و تاثیر خوبی بر کارکرد سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی می‌گذارند.

همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده، سازه‌های ساندویچ پانلی از دو ورق رویی ساخته می‌شوند که ورق میانی آن‌ها را از هم جدا می‌کند. در طرح‌های سنتی، این جداسازی به گونه‌ای بود که باعث لَختی پانل می‌شد و، در نتیجه، سفتی نسبی خمشی این سازه‌ها از ورق‌های جامد و یا یکپارچه بیشتر می‌شد. تقریبا تمامی بار خمش بر ورق‌های رویی اعمال می‌شود و این ورق‌ها متحمل بارگذاری درون‌صفحه‌ای می‌شوند؛ ورق میانی بار برشی را می‌پذیرد و از اصطکاک ورق‌های سطحی با یکدیگر جلوگیری می‌کند.

عموما ساندویچ پانل ها را در طبقات زیر دسته‌بندی می‌کنند: ساندویچ پانل های کامپوزیت و ساندویچ پانل ها فلزی. ساندویچ پانل های کامپوزیت

از اجزایی مانند FRP، فوم PU، و غیره تشکیل شده و در سازه‌هایی از کشتی‌ها و قایق‌های تفریحی به کار می‌روند که نقش

باربری دارند. البته کشتی‌های بزرگ گشت‌زنی و تجاری در سازه‌هایی از این ساندویچ پانل ها استفاده می‌کنند که نقش باربری ندارند. ساندویچ پانل های فلزی خود به دو دسته تقسیم می‌شوند: پانل‌هایی با ورق‌های رویی فلزی و ورق میانی چسبنده مانند SPS، و پانل‌هایی که ورق‌هایی رویی فلزی و ورق میانی‌اشان به همدیگر جوش خورده‌اند.

می‌توان ساندویچ پانل ها را بر اساس هسته‌اشان دسته‌بندی کرد: نوع هسته I با تیغه‌های صاف، نوع هسته O با تیرهای مستطیلی که هسته را تشکیل می‌دهند، نوع هسته Vf/V با درپوش مخروطی یا صفحات آجدار به مثابه هسته، و نوع X با دو درپوش که هسته را می‌سازند (شکل ۲). از پروفیل‌های C، U، و Z نیز می‌توان به عنوان هسته استفاده کرد. با استفاده از ساندویچ پانل ها می‌توان قدرت نسبی را تقویت کرد، یعنی، ساندویچ پانل ها ۳۰ تا ۵۰ درصد سبک‌تر از فولادهای معمولی هستند.

برخی نقاط مثبت در تمامی ساندویچ پانل ها مشترکند. فواید ورق‌هایی که با ساندویچ پانل‌ ساخته می‌شوند عبارتند از:

• سفتی نسبی و قدرت نسبی بالا
• سطحی که به خوبی پرداخت شده تا مقاومت آیرودینامیکی را کاهش دهد.
• عایق‌بندی مناسب در برابر صدا و حرارت
• جذب انرژی زیاد به کمک پرکننده‌ها و هسته‌های مختلف
• اشغال نکردن فضای داخلی و سهولت نصب
• وزن نسبتا کم و مقرون‌به‌صرفه بودن نسبت به دیگر سازه‌های سبک

ساندویچ پانل (Sandwich Panel) به طور کلی از دو ورقه نازک، اما سفت و متراکم تشکیل شده که بین آن‌ها موادی که تراکم، مقاومت و سختی کمتر از دو پانل خارجی دارند، قرار دارند. برای ساندویچ پانل هایی که هسته ی فلزی دارند، تکنیک های جوشکاری وجود دارد که در نهایت می‌تواند خواص عالی در مقابل خستگی فلز ایجاد کند.

رایج‌ترین نوع ساختار ساندویچی شامل دو ورقه نازک، سفت و قوی از مواد متراکم است که بین آن‌ها موادی قرار دارند که نسبت به مواد استفاده شده در لایه‌های بالا و پایین آن، تراکم، سفتی و مقاومت کمتری دارند.

به طور طبیعی، در طول فرآیند تولید یا پس از جوشکاری صفحات رویی و میانی، ساندویچ پانل ها را می‌توان با برخی از پلیمرها، مواد معدنی یا پشم سنگ، بتن و غیره پر کرد تا کارکرد آن برای اهداف مورد نظر بهبود یابد.

نوع مواد پرکننده مورد استفاده در هر کاربردی بیشتر بستگی به خواص مورد نظر، روش ساخت و قیمت دارد. طراحی صحیح سازه‌ی ساندویچ پانل اهمیت مشابه با آنالیز انحراف، تنش و بارهای خمشی دارد. علاوه بر این، طراحی مفصل یا نقطه اتصال یک ساندویچ پانل به دیگری یا دیگر ساختارها یکی از نکات کلیدی در کاربرد درست و عملی این ساختارها است.

در شکل 1 روش‌های مختلف برای پروفیل های میانی که در ساندویچ پانل های فولادی استفاده می‌شود، نشان داده شده است.

در طراحی سنتی ساندویچ پانل ها ، خواص مورد علاقه در ورق های بیرونی، سفتی زیاد، برای ارائه استحکام خمشی بیشتر و استحکام کششی و مقاومت فشاری بالاتر است. خواص مورد علاقه در هسته به طور کلی ضعیف تر از ورق رویی است. جدول 1 نتایج آزمایشات کششی روی مواد مختلف ساندویچ پانل ها را فهرست می کند. مقادیر ذکر شده در جدول نشان دهنده میانگین پنج آزمون است؛ اعداد داخل پرانتز، انحراف استاندارد محاسبه شده است.

تکنیک‌های مختلف تولید، مانند مقاومت و نقطه جوش، اتصال جوش و اتصال چسب برای ساندویچ پانل هایی با هسته فلزی استفاده می‌شود. جوش لیزری، بهره‌وری بالا و اعمال کم حرارت را با خواص عالی در مقابل خستگی فلز ترکیب می‌کند. فولاد ضدزنگ به لطف به دریافت کم حرارت و سرعت جوش بالا، برای جوشکاری لیزر ایده‌آل است. جوشکاری لیزر تغییرات متالورژیکی که می‌تواند مقاومت در برابر خوردگی فلز جوش را ضعیف کند به حداقل می‌رساند. یکی دیگر از مزایای استفاده از جوشکاری لیزر فولاد ضدزنگ، نامرتب بودن کم جوش است که ناشی از ورودی کم حرارت و شکل جوش لیزری است.

به این نتیجه رسیدیم که ساندویچ پانل های فولاد ضدزنگ که به روش لیزری جوشکاری شده‌اند دارای پتانسیل زیادی در طیف گسترده‌ای از راهکارهای طراحی جذاب است. طراحی صحیح جزئیات ساختارهای ساندویچی و همچنین تجزیه و تحلیل انحرافات، تنش و بارهای خمشی اهمیت زیادی دارد. مفصل یک ساندویچ پنل به ساندویچ پنل دیگر یا سازه‌های دیگر یکی از عناصر کلیدی در کاربرد عملی این سازه‌ها است.

نتایج مطالعات نشان می دهد که فولاد ضدزنگ را می‌توان در ساندویچ پانل های جوش داده شده با لیزر استفاده کرد که خواص مکانیکی و مقاومت خوبی در مقابل خوردگی ارائه می دهد. استفاده از فولاد ضدزنگ با قدرت بالاتر به عنوان ساندویچ پانل نشان داده زمانی که کاهش وزن قابل توجهی از سازه‌هایی که وزن روی آن‌هاست مورد نظر است، منطقی است.

علاوه بر جوشکاری لیزر، مقاومت و جوش نقطه‌ای، پیوند با چسب و فرآیند پیوند جوش، تنوع روش های کارآمد در ساخت ساختارهای ساندویچ فولاد ضدزنگ را در آینده افزایش می‌دهد.