வினை தந்திரம் கற்போம் : Fibre Reinforced Composites - கலாமின் கனவு!

மகேஷ் கேசவபிள்ளை

Fibre Reinforced Composite Materials ஒன்றும் புதிய தொழில்நுட்பம் அல்ல. ஆனால் ஒரு குறுகிய துறைகளில் மட்டுமே இருந்து வந்த அதன் பயன்பாடு விரிவடைந்து கொண்டே செல்கிறது. பொது கட்டுமானம், prosthetics முதலான மருத்துவத்துறை, விண்வெளி ஆராய்ச்சி, ஆட்டோமொபைல், பொருள் வடிவமைப்பு, வீட்டு கட்டுமானம் உள்ளிட்ட துறைகளில் இது எவ்வாறு பயன்படுகிறது ஏன் பயன்படுத்த வேண்டும் என்று விவாதிப்பதே இந்த கட்டுரையின் நோக்கம்.

சுண்டக்கா கால் பணம் சுமட்டுக்கூலி முக்கா பணம்:

விண்வெளி ஆராய்ச்சி சந்திக்கும் பெரிய சவால்களில் ஒன்று, payload எனப்படும் செயற்கை கோள்களின் பாகங்களுக்கு சரியான பொருள்களை (materials) தேர்ந்தெடுப்பது. ஏனெனில், செயற்கை கோள்களில் ஏற்றப்படும் ஒவ்வொரு மில்லி கிராம் எடைக்கும், அதை சுமந்து செல்லும் ஏவுகலனிற்காக (Rocket) கூடுதலாக பல லட்சம் செலவு செய்ய வேண்டியிருக்கும். செயற்கைகோள்களில் எவ்வளவு எடை குறைக்க முடியுமோ அவ்வளவு நல்லது. எனவே, மிகவும் இலகுவான மூலப் பொருட்களையே தேர்வு செய்வார்கள். ஆனால் அதே நேரத்தில் அது மிகவும் வலுவானதாகவும் இருக்க வேண்டும். மீசைக்கும் ஆசை கூழுக்கும் ஆசை. விண்ணிற்கு செல்லும் ரோவர் அல்லது செயற்கை கோள் அண்டவெளியிலோ அல்லது இன்னொரு கிரகத்திலோ செயல்பட வேண்டும். அங்கு எத்தனை கடினமான தட்ப வெட்பத்தை அது எதிர் கொள்ள வேண்டும் என்று எண்ணிப் பாருங்கள். இதை தாக்குபிடிக்கக்கூடிய வலிமை இந்த மூலப் பொருட்களுக்கு இருக்க வேண்டும்; மேலும் எடை குறைந்ததாகவும் இருக்க வேண்டும். இவ்விரு குணங்களையும் கொண்ட Fibre Reinforced Plastics (FRP) இத்தகைய பயன்பாடுகளில் மிகப்பெரிய வரப்பிரசாதம்.

FRP என்பது என்ன?

FRP என்பது Polymer matrix ஆல் ஆன மற்றும் இழைகளால் வலுவூட்டப்பட்ட (Reinforced with Fibres) ஒரு கலப்புருப் பொருள் (composite material). இவ்வாறு, Polymer matrix-ம், இழைகளும் இணைவதன் மூலம் அசுரத்தனமான பண்புகளைப் பெறுகிறது. இது மற்ற இந்த இரு பொருட்களும் தனித்தனியாக செயல்படும்போதோ மற்ற உலோகங்களாலோ சாத்தியப்படுவதில்லை. FRP யின் சிறப்புகளில் மிக முக்கியமானது அதன் Specific Strength.

Specific Strength என்பது Strength (force per unit area at failure) ஐ அடர்த்தி (Density) கொண்டு வகுப்பதன் மூலம் கிடைக்கும் மதிப்பு. இதை strength-to-weight ratio என்றும் சொல்லலாம். இதன் அலகு Pascal-m3/kg. எளிய வார்த்தைகளில் சொல்வதென்றால், குறைந்த எடையில் அதிக வலிமை.

FRP யில் பெரும்பாலும் உபயோகப்படுத்தப்படும் இழைகள் கார்பன், கண்ணாடி, Aramid, அல்லது சிலிக்கான் இழைகளே. பாலியஸ்டர், Epoxy ரெசின் அல்லது Phenolic ரெசின் Polymer matrix ஆக பயன்படுத்தப்படுகிறது. நீண்ட இழைகள், ரெஸினோடு சேர்த்து மெல்லிய அடுக்குகளாக அடுக்கப்பட்டு உருவாக்கப்படும் லேமினேட் வகை வடிவங்கள் பரவலாக உபயோகப் படுத்தப்படுகின்றன.

இந்த லேமினேட்களின் tensile strength நீளவாக்கில் மிக அதிகமாகவும், குறுக்குவாட்டில் குறைவாகவும் இருக்கும். impact strength மற்றும் coefficient of thermal expansion-க்கும் இது பொருந்தும். இதை சமன் செய்யும் பொருட்டு, இழைகளை ஒரே திசையில் அடுக்குவதற்குப் பதிலாக, குறுக்கு மறுக்காக, Bi-directional-ஆகவோ, multi-directional-ஆகவோ, reinforcement செய்வார்கள்.

இந்த இழைகள் (1) நீளமான, தொடர்ச்சியான இழைகளாக மட்டுமின்றி மேலும் இரு உருவங்களில் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. அவை (2) குட்டையான ஆனால் சீரான (Short and aligned ) (3) குட்டையான, சீரற்ற வடிவங்கள் (Short and Random)

உற்பத்தி முறை:

இப்போதெல்லாம் இழைகள், Preform எனப்படுகிற துணி, விரிப்பு அல்லது பாய் வடிவத்தில் நெய்யப்பட்டோ, பின்னப்பட்டோ ready-made ஆக கிடைக்கின்றன. இது உலர்ந்ததாகவோ அல்லது ஏற்கனவே ரெசின் சேர்க்கப்பட்ட Prepreg என அழைக்கப்படும் வடிவத்திலோ கிடைக்கும். இதை Moulding Tool -ல் வைத்து Mould செய்து தேவையான உருவத்தில் பாகங்களை உற்பத்தி செய்வார்கள்.

மேலும் விண்வெளித்துறையில் சில பாகங்கள் தயாரிப்பில், FRP laminate-களுக்கு மத்தியில் honeycomb panel - ஐ, sandwich முறையில் வைத்து உருவாக்குவார்கள். அறுகோண வடிவிலான honeycomb structure, குறைந்த அடர்த்தியில் மிகச்சிறந்த compression மற்றும் sheer properties தரக்கூடியது.

மருத்துவத்தில் FRP

ஆரோக்கியமான குழந்தைகள் பள்ளிக்கு செல்லும் போது, சுமையோடு செல்வதை வருத்தத்துடன் நோக்கும் நமக்கு, செயற்கை கால் பொருத்தப்பட்ட மாற்றுத் திறனாளி குழந்தைகள் 4 கிலோ எடையிலான செயற்கை காலை தூக்கிக்கொண்டு இயங்குவது ஜீரணிக்க முடியாத விஷயம்.

ஊனங்கள் போக்கிடுவீர்! - நல்ல

ஊக்கமும் பெருமையும் உதவிடுவீர்!

என்றார் பாரதியார்.

இந்த செயற்கை கால் தயாரிப்பிற்கு FRP பயன்படுத்துவதன் மூலம் அதன் எடையை 10 மடங்கு வரை குறைக்க முடியும். FRP Material மூலம் வெறும் 400 கிராமிலான செயற்கை கால் தயாரிக்க முடியும். இது டாக்டர் கலாமின் கனவுகளில் ஒன்றும் கூட. அவர் ஒரு முறை இதைப்பற்றி குறிப்பிடும்போது, FRP உபயோகப்படுத்தி ராக்கெட் அனுப்பியதை விட, குழந்தைகளுக்கான செயற்கை கால் வடிவமைத்ததையே பெருமையாக கருதுகிறேன் என்றார்.

குறைந்த எடையில் நிறைந்த உறுதியை தரும் தன்மையினால், Fibre Reinforced Composite ஐ செயற்கை பல் தயாரிப்பிலும் பயன் படுத்தமுடியும்.

ஆட்டோமொபைல்

BMW வின் MW HP 4 பந்தய மோட்டார் சைக்கிள்களில் கார்பன் இழைகளாலான composite பொருட்களால் தயாரிக்கப்பட்ட Frames மற்றும் சக்கரங்கள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. இதன் மூலம் அலுமினியம் அலாயோடு ஒப்பிடும்போது 30% எடை குறைக்கப்பட்டிருக்கிறது. Mercedes-இன் AMG-GT R sports காரில் araldite ரெசின் கார்பன் இழை composite -ஆல் செய்யப்பட Torque Tube பயன்படுத்தப்படுகிறது. இதன் மூலம் 40% எடை குறைவதோடு, அதிக torque loading, high temperature resistance, Noise தொடர்பான தேவைகளையும் பூர்த்தி செய்கிறது. Porsche முதலான கார்களில் Hoodsகளுக்கு (பானட் மூடி) FRC materials பயன்படுத்த துவங்கி உள்ளார்கள்.

பொதுக்கட்டுமானம்:

நகர்ப்புறங்களில் பாலம் கட்டும் பணியின் போது ஏற்படும் சிரமங்கள் மிக அதிகம். போக்குவரத்து நெரிசல், விபத்துகள் போன்றவை ஒருபுறம் என்றால், கான்க்ரீட் பாலங்களில் பயன்டுத்தப்படும் எஃகு கம்பிகள் நாளடைவில் அரிப்பிற்கு ஆளாவதால் பாலங்களின் உறுதித்தன்மை குறைபாடுவது மறுபுறம். பாலங்களை தொழிற்கூடத்தில் தயார் செய்து, பின் தூக்கி கொணர்ந்து, போது இடங்களில் நிர்மாணிக்கலாம் என்று சொன்னால் அது ஏதோ கற்பனை போல் தோன்றுகிறதா? இது FRP ஆல் சாத்தியமே. அரிப்பு போன்ற பிரச்சனைகளும் இல்லை. இதனால் கடலில் நடுவிலான கட்டுமானங்களும் பயன்படுத்தலாம். அமெரிக்காவின் கலிஃபோர்னியா மாநிலத்தில் Palo Alto விலுள்ள Lockheed Martin Research Laboratories - ல் FRP -ஆல் தயாரிக்கப்பட்ட போக்குவரத்து பாலம் தொடக்க கால FRP பாலங்களில் குறிப்பிடத்தக்கது. கனடாவிலும், அமெரிக்காவிலும் Composite பாலங்கள் பரவலாக நிறுவப்பட்டு வருகின்றன. மேற்கு விர்ஜினியாவில் உள்ள Wickwire Run Bridge இத்தகைய பாலங்களில் ஒன்று. இது கண்ணாடி இழைகளால் வலுவூட்டப்பட்ட பாலியஸ்டர் Matrix ஆல் தயாரிக்கப்பட்ட பாலமாகும்.

இதன் விசேஷ தன்மைகளால், கடலுக்கு நடுவே நிறுவப்பட வேண்டிய கட்டுமானங்களும் (Marine) FRP யை பயன்படுத்துகிறார்கள்.

3D Printing/Rapid Prototyping:

3D Printing என்பது Rapid Prototyping என்றழைக்கப்படும் ஒரு Design வழிமுறையில் பரவலாக பயன்படுத்தப்படும் ஒரு தொழில்நுட்பம். புதியவர்களுக்கு Rapid Prototyping பற்றி ஒரு குறிப்பு. புதிதாக வடிவமைக்கப்பட்ட ஒரு Physical Part ஐ வழக்கமான முறையில் தயாரிக்கும் முன்பாக, விரைவாக அதே உருவத்தில் "மாதிரி" ஒன்றை CAD Model பயன்படுத்தி தயார் செய்வார்கள். இதுவே Rapid Prototyping. புதிதாக வடிவமைக்கப்பட்ட ஒரு Physical Part ஐ வழக்கமான முறையில் தயாரிக்கும் முன்பாக, விரைவாக அதே உருவத்தில் "மாதிரி" ஒன்றை அதற்கான CAD Model ஐ பயன்படுத்தி தயார் செய்வார்கள். இதுவே Rapid Prototyping. இந்த மாதிரியை Form மற்றும் Fit சோதனைகளுக்கு பயன்படுத்தமுடியும். 3D Printing ஒரு வகையான Rapid Prototyping. இதற்கும் FRP material பயன்படுத்தப்படுகிறது.

வீட்டு கட்டுமானம்:

ஆராய்ச்சிகளில் மட்டுமே பெரிதும் பயன்படுத்தப்பட்டு வந்த FRP வர்த்தக பயன்பாடுகளுக்கு வந்ததன் விளைவாக வீட்டு கட்டுமானங்களிலும் இன்று பங்களிக்கிறது. குறிப்பாக, தண்ணீர் அல்லது வெயில், வெப்பம் இவற்றை எதிர்கொள்ளும் கதவு, சட்டம் போன்றவற்றுக்கு மரத்துக்கு மாற்றாக FRP பயன்படுத்தலாம். இதனால், அரிப்பு, விரிதல் மற்றும் சுருங்குதல் போன்ற விளைவுகள் தடுக்கப் படலாம்.

முன்பே கூறியது போல, Fibre Reinforced Composites- இன் பிரத்யேக தன்மைகளால் இதனை இன்னும் புதிய பயன்பாடுகளில் உபயோகப் படுத்தி பலன் பெற முடியும். இதற்கான ஆராய்ச்சிகளும் தொடர்ந்து நடைபெற்று வருகின்றன.

மீண்டும் மற்றொரு தொழில்நுட்பத்தில் சந்திப்போம்.