بخشی از مقاله
تجزیه و تحلیل نیرو های وارده بر سوزن طی فرآیند سوزن زنی مخمل
فصل اول
منسوج نبافته مخمل
1- مقدمه
در حال حاضر پارچه های بی بافت با سطح مخمل شده یکی از مهم ترین منسوجات از طیف گسترده منسوجات بی بافت را تشکیل می دهند. پارچه هایی که امروزه، به دلیل استفاده از یک فناوری خاص در تولید آنها و توسعه ای که این فناوری طی سالیان گذشته شاهد آن بوده است، قابلیتهای منحصر به فردی را دارا می باشند.
اینگونه پارچه ها با استفاده از ماشین سوزن زنی با طراحی خاص که به نام ماشین سوزن زنی مخمل نامیده میشود تولید می گردند. علیرغم اینکه اصول طراحی اولیه ماشین آلات سوزن زنی نمدی و طرح زنی درآنها به کار گرفته شده است اما دو تفاوت اساسی را با اینگونه ماشین آلات دارا می باشند. [1]
الف) در ماشین سوزن زنی مخمل، یک نوارمتحرک پوشیده ازبرس های مخصوص جایگزین صفحه مشبک زیرین که متحرک نمیباشد گردیده است.
ب) سوزن های استفاده شده در ماشین سوزن زنی مخمل از نوع سوزن های چنگالی است ولیکن بر خلاف ماشین آلات طرح زنی چیدمان سوزن ها در تخته سوزن دارای چیدمان نامنظم بوده و بدین جهت میتوان انتظار داشت که حداکثر سطح لایه تحت تاثیر عملیات سوزن زنی مخمل قرار گیرد.
به دلیل تفاوتهای فوق الذکر، تغذیه نمودن یک لایه متراکم سوزن زنی شده به ماشین سوزن زنی مخمل منجر به تولید پارچه ای می شود که یک سطح آنرا پرزهای مخمل مانند پوشانده است. لازم به توضیح است که به دلیل نیاز به زیاد بودن تراکم پرز سطحی در پارچه های مخمل، تراکم سوزن در ماشینهای سوزن زنی مخمل به مراتب بیش از ماشینهای سوزن زنی معمول است. که البته این امر با بهره گیری از دو تخته سوزن یکسان در ماشینهای سوزن زنی مخمل انجام می شود.
شکل 1-1 مسیر حرکت لایه مخمل شده را پس از خارج شدن از ناحیه سوزن زنی و جدا شدن از سطح برس نشان می دهد. بدین منظور از یک جفت غلتک برداشت استفاده می گردد.
بطور کلی روشهای تولید منسوجات بی بافت و از جمله منسوجات سوزن زنی شده دارای قابلیت تولید پارچه در طیف بسیار گسترده جرم سطحي میباشند که این امر می تواند خواص فیزیکی و مکانیکی منسوج را تحت تاثیر قرار دهد. در این راستا نکته حایز اهمیت امکان تولید بسیار اقتصادی پارچه های کم وزن مخمل بی بافت در مقایسه با پارچه های مخمل بافته شده تار و پودی می باشد. علاوه بر اقتصادی بودن بیشتر مخملهای بی بافت، قابلیت شکل پذیری حرارتی و مشابه بودن نسبی خواص مکانیکی آنها در جهت طول و عرض از مزیت های شاخص این نوع از پارچه ها نسبت به پارچه های مخمل تار و پودی با جرمهای سطحی مشابه است.
از طرف دیگر امکان استفاده از الیاف بسیار ظریف در این پارچه ها، قابلیت پوشانندگی (فاکتور پوشش) پارچه منسوج نبافته مخمل را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. قرار گرفتن تعداد قابل توجه از الیاف به صورت نسبتا آزاد درسطح پارچه بواسطه چیدمان نامنظم سوزنها موجب افزایش لطافت سطح پارچه نیز
می شوند. این در مقایسه با عملیات تکمیلی خارزنی مورد نیاز در حالت پارچه مخمل بافته شده که نه تنها هزینه تولید را افزایش میدهد بلکه باعث صدمه دیدن ساختمان پارچه و کاهش کیفیت آن می شود از اهمیت شایان برخوردار میباشد. انجام تغیرات سریع و آسان در فرایند تولید مخملهای بی بافت که سبب ایجاد
خصوصیات فیزیکی و مکانیکی مورد نیاز میشود، طیف گسترده کاربرد نهائی اینگونه منسوجات را فراهم آورده است.
شکل 1-1 مسیر عبور لایه منسوج نبافته در دستگاه سوزن زنی مخمل[9]
جملگی این ویژگیها باعث بکارگیری بيشتر اينگونه پارچه های بی بافت در صنعت حمل ونقل بطور عام و در صنایع خودرو سازی ، دکوراسیون، اقلام خواب همانند پتو های مسافرتی، فیلتر سازی و برخی لوازم ورزشی و کفپوش بطور خاص گردیده است. شكل 1-2 کاربردهائی از منسوج مخمل بی بافت را در صنعت خودرو سازی نمایش می دهد.
شكل 1-2 نمونه هايي از پارچه های منسوج نبافته مخمل و کاربردی از آن در خودرو[9]
مخملی شدن سطح لایه نمدی تغذیه شده به واسطه تغیراتی میباشد که این عملیات خاص سوزن زنی در ساختمان لایه اولیه ایجاد مینماید. قدر مطلق این تغییرات ساختاری خصوصیات متنوع مخمل بی بافت را کنترل مینماید. بسیار آشکار است که علاوه بر عوامل مربوط به الیاف و لایه اولیه ویا پارامتر های ماشین، سوزن مخمل سوزن بکار گرفته شده در این ماشین را بایستی نه تنها به عنوان مهم ترین عامل تاثیرگذار در چگونگی تغییر شکل ساختمان پارچه بلکه جهت تعیین میزان تنش وارده به اسکلت ماشین، سوزن و نهایتا میزان تغیر شکل اجزائ آن بهنگام عملیات سوزن زنی مد نظر قرار داد[1,2]. لذا نیرویی که در هر مرتبه سوزن زنی، از طرف سوزن به الیاف و متقابلا" از طرف مجموعه الیاف شکل دهنده ساختمان لایه نمدی به سوزن وارد می شود
نیز نقش تعیین کننده ای در ساختمان نهایی پارچه منسوج نبافته مخمل شده دارد. به عبارت دیگر نتیجه عکس العمل الیاف به نیروهای وارده از طرف سوزن، مشخص کننده میزان و نحوه جابجایی الیاف تا رسیدن به نقطه شکل گیری پارچه مخمل است. بنا بر این شناخت عمیقتر نیروهای دینامیکی واردشده بر سوزن و تشخیص عوامل موثر برتغییرات آنها می تواند پیامدهای مفیدی از قبیل درک صحیح تر و حتی قابل پیش بینی میزان و نحوه درگیری الیاف در ساختمان پارچه مخمل و کمک به طراحی مناسبتر ماشین و سوزن مورد استفاده را در پی داشته باشد. چرا که نیروی وارده بر سوزن بصورت بسیار بدیهی می تواند بر میزان سایش و شکستگی سوزن، شکستگی الیاف، میزان جابجایی الیاف در ساختمان پارچه و نهایتا" راندمان عمل سوزن زنی نقش موثر داشته باشد.[17]
2- ماشین سوزن زنی مخمل و سوزن استفاده شده در آن
شکل هاي 2-1 و 2-2 نما های کاملتری را همراه با جزئیات بیشتر از یک دستگاه سوزن زنی مخمل نشان می دهد. همانگونه که در مقدمه نیز عنوان گردید، در این ماشین نوار متحرکی که حاوی برس های مخصوص میباشد جایگزین صفحه مشبک زیرین موجود بر روی دستگاه سوزن زنی معمولی شده است.
شكل 2-1 دو نمای شماتیک مختلف از ماشین سوزن زنی مخمل[9]
تخته سوزن این دستگاه با نوعی سوزن که نوک چنگال مانند دارد به نحوی پر می شود که آرایش یافتگی آنها به صورت نامنظم باشد. شكل 2-3 تصوير شماتيكي از سوزن چنگالی بهمراه چنگال قرار گرفته در نوک آنرا نشان می دهد. با نفوذ سوزن بخشی از الیاف موجود در ساختمان نمد به داخل برس های زیر آن انتقال داده شده و درفضاي موجود مابين نخ های تشکیل دهنده برس قرار می گیرند. هر چه تعداد الیاف منتقل شده در واحد سطح بیشتر باشد، تراکم پرز ایجاد شده بر روی پارچه مخمل نیز بیشتر است. البته تاثیر ظرافت و تراکم نخهای فیلامنت تشکیل دهنده برس نیز بعضا" قابل ملاحظه است. این در حالیست که افزایش تعداد الیاف منتقل شده در واحد سطح می تواند ناشی از افزایش تراکم سوزن زنی نیز باشد.
شكل 2-2 ناحيه سوزن زنی در ماشین سوزن زنی مخمل شرکت دیلو[9]
سوزن مورد استفاده از نوع سوزن های چنگالی است. چنگال و ابعاد آن میتوانند بسیار متنوع باشند. هندسه چنگال در رابطه با خصوصیات فیزیکی الیاف و لایه اولیه مورد استفاده تعیین میشود. فضای داخلی چنگال سوزن توانائی سوزن از نقطه نظر تعداد الیاف منتقل شده به سطح منسوج را تحت کنترل دارد.
شكل 2-3 سوزن چنگالي و تصويري شماتيكي ازچنگال قرار گرفته در نوک آن[10]
با توجه به عوامل فوق و با استفاده از الیاف ظریف امکان تولید پارچه های مخمل با تراکم پرز بسیار زیاد، به کمک لایه اولیه با جرم در واحد سطح کم و ساختمان بسیار درگیر(فشرده) فراهم می شود. در مقایسه جمع آوری جملگی این شرایط به صورت یکجا در حالت پارچه مخمل تار و پودی غیر اقتصادی میتواند باشد.
به منظور تولید پارچه های با تراکم پرز بسیار زیاد ، ماشین آلات سوزن مخمل معمولا دارای دو تخته سوزن مشابه و از نقطه نظر دینامیکی همفاز میباشند. بدین ترتیب نه تنها تعداد سوزن موجود جهت عملیات سوزن زنی افزایش قابل توجهی یافته بلکه افزایش تراکم ضربه در واحد سطح امکان افزایش سرعت خطی نوار حاوی برسها را فراهم آورده است، و بدین گونه تولید پارچه های فوق الذکر به صورت کاملا" اقتصادی امکان پذیر گردیده است. نوار متحرک زیرین حاوی برس هایی است که به صورت قالب های در هم جفت شده آرایش پیدا کرده اند. نحوه چیدمان قالب های برس در کنار یکدیگر به گونه ای است که هیچگونه فضاي خالي ازفیلامنت های برس در فصل مشترک بین برس ها وجود نداشته و عملا یک سطح غیر گسسته را تشکیل میدهند. در غیر این صورت به دلیل آنکه میزان الیاف محبوس شده در محل تماس قالب های برس متفاوت می باشد، تراکم پرز ایجاد شده در آن نقطه از پارچه نیز متفاوت است و ظاهرسطح پارچه مخمل نامناسب خواهد بود.
میزان عمق نفوذ سوزن در لایه نمد و متعاقب آن در داخل برس، در وضعیت ثابت بودن کورس حرکت سوزن، ارتفاع پرزایجاد شده بر سطح پارچه مخمل را مشخص می کند. شکل 2-4 تعریف عمق نفوذ را در ماشین سوزن زنی مخمل نشان می دهد. همانگونه که مشاهده میشود میزان نفوذ سوزن از سطح برس به داخل آن را عمق نفوذ سوزن می نامند و معمولا" بر حسب میلیمتر بیان می شود. بدیهی است با نفوذ سوزن از سطح برس ابتدا انتقال و بیرون راندن الیاف انجام شده و متعاقب آن با پارگی الیاف و قرار گرفتن آنها در بین فیلامنتهای برس همراه است که نهایتا" منجر به ایجاد پرز بر سطح پارچه مخمل میگردد. لذا حاصل عمق نفوذ بالاتر ارتفاع بیشتر پرز است. تغییر عمق نفوذ با تغییر موضع نوار متحرک حاوی برسها در صفحه عمودی انجام می شود.
شکل 2-4 تعریف عمق نفوذ در ماشین سوزن زنی مخمل[9]
3- ساختمان پارچه مخمل شده
همانگونه که بیان گردید ایجاد پرز در سطح لایه منسوج نبافته و شکل گیری پارچه مخمل، مستلزم جابجایی الیاف و لزوما" شکل گیری ساختمان جدیدی از منسوج نبافته از حیث درهم رفتگی الیاف است. بدیهی است که میزان و چگونگی جابجایی الیاف علاوه بر آنکه تعیین کننده خواص فیزیکی و مکانیکی نهایی منسوج نبافته مخمل است، عامل اصلی و کاملا" تاثیرگذار بر مقدار نیرویی است که در هر سیکل سوزن زنی از طرف ساختمان منسوج نبافته به سوزن و متقابلا" از طرف سوزن به توده الیافی ساختمان منسوج نبافته مخمل وارد می شود.
طی دهه های اخیر تحقیقاتی در مورد ساختمان لایه های نمدی منسوج نبافته انجام شده است که از جمله
مهم ترین آنها می توان به تحقیقات انجام شده توسط Pourdeyhimi و همكارانش در دهه 1990 میلادی اشاره کرد[4-8]. آنها ساختمان چند نوع منسوج نبافته سبک با وزن های 14 الی 28 گرم در متر مربع را به کمک روشهای مختلف پردازش دیجیتالی تصویر شبیه سازی کردند. جهت مقایسه، با معرفی نوعی روش نورپردازی بر روی نمونه، تصاویر واقعی از سطح این منسوجات تهیه و نحوه آرایش یافتگی الیاف در ساختمان منسوج نبافته توسط تابعی تحت عنوان" تابع توزیع آرایش یافتگی " بیان گردید. با توجه به جدید بودن نسبی عملیات مخمل سازی بر روی لایه های نمدی منسوج نبافته، گزارشی تحقیقاتی در مورد ساختمان پارچه های منسوج نبافته مخمل تاکنون منتشر نشده است.
بدیهی است همانگونه که اشاره شد شناخت ساختمان پارچه منسوج نبافته مخمل به تجزیه و تحلیل بهتر عوامل مؤثر بر آرایش یافتگی الیاف در ساختمان پارچه و نهایتا" نیروی وارده بر سوزن در حین عملیات سوزن زنی کمک خواهد کرد. شکلهای 3-1 و3-2 تصاویر سطح مقطع یک لایه نمدی سوزن زنی شده و پارچه منسوج نبافته مخمل تولید شده از آن را نشان میدهد.
شکل 3-1 ساختمان سطح مقطع یک لایه نمدی منسوج نبافته (بزرگ نمایی 130 X )
شکل 3-2 ساختمان سطح مقطع یک پارچه منسوج نبافته مخمل شده (بزرگ نمایی 130X )
همانگونه که مشاهده می شود پارچه مخمل بی بافت بر خلاف لایه نمدی دارای ساختمان واحد نیست و از یک ساختمان دو جزئی برخوردار میباشد. لایه زیرین ، ساختمانی مشابه با لایه نمد دارد. ولیکن لایه رویی متصل به آن که از آن به عنوان پرز یاد خواهد شد حاوی الیافی است که به صورت حلقه شده یا بریده با ارتفاعی که قابل اندازه گیری است از سطح لایه زیرین بطرف بالا قرار دارند. تفاوت لایه زیرین با لایه نمدی به دلیل بیرون کشیده شدن الیاف از داخل ساختمان است. به نحوی که احتمالا جهت قرارگرفتن الیاف را نیز تحت تأثیر قرار می دهد. همچنین طبیعی است که بین الیاف ناحیه پرز نیز فضای خالی موجود باشد.
در این صورت فضاهای اشغال شده توسط الیاف در این ناحیه میتواند به نوعی بیان کننده شکل کلی ساختمان لایه مخمل باشد. بدیهی است ساختمان لایه منسوج نبافته مخمل و نمدی منجر به تغییر در خواص فیزیکی و مکانیکی آنها از جمله ضخامت ، مقاومت کششی، خمشی و برشی خواهد شد و انتظار میرود نیروی وارده بر سوزن نیز در دو لایه متفاوت باشد.
فصل دوم
نیروی وارده بر سوزن- تحقیقات انجام شده در گذشته
طبق بررسیهای انجام شده، همانطور که عنوان شد بدلیل جدید بودن نسبی فن آوری سوزن زنی مخمل، تحقیقات زیادی در رابطه با تجزیه و تحلیل نیروهایی که طی عملیات سوزن زنی بر سوزن چنگالی وارد می شود انجام نشده است. لذا در ادامه تنها به بررسی روشهای مختلف اندازه گیری نیروی وارد شده بر سوزن های نمدی معمول خواهیم پرداخت.
4-1 ) اولین تجربه اندازه گیری نیروی وارد بر سوزن به سال 1968 بر می گردد[1]. در آن سالJ.W.S Hearl و همکاران وی یک دستگاه سوزن زنی بسیار کوچک آزمایشگاهی با مشخصات زیر را بر روی یک دستگاه استحکام سنج اینسترون مطابق شکل 4-1 تعبیه کردند. سپس با حرکت رو به پائین فک پائینی و بر اساس شرایط ذیل، نیروی وارد شده به سوزن حین نفوذ در لایه ای از جنس الیاف ویسکوز ریون اندازه گیری گردید.
- ابعاد تخته سوزن برابر با 2*2 اینچ شامل 15 عدد سوزن R 3*30*18*15 با چیدمان مورب در تخته سوزن.
- محدوده سرعت نفوذ سوزن از 10 الی 50 سانتی متر بر دقیقه.
- پس از رسیدن سوزن به حداکثر عمق نفوذ، حرکت فک متحرک معکوس شده و سوزن از بین لایه بیرون کشیده می شود. اما دستگاه قادر به ثبت نیروهای وارده بر سوزن حین بیرون آمدن آن از لایه نیست. در هر حال این نیرو در مقایسه با نیروی ایجاد شده بهنگام ورود سوزن به لایه از قدر مطلق بسیار کمتری برخوردار میباشد.
- محدوده عمق نفوذ سوزن از 45/0 تا 95/0 اینچ.
شکل 4-1 سوزن زنی آزمایشگاهی نصب شده بر روی دستگاه استحکام سنج اینسترون[11]
شکل4-2 منحنی تغییرات نیرو- مقدار نفوذ سوزن[11]
شکل 4-2فرم کلی نمودار نیرو- مقدار نفوذ را برای عملیات سوزن زنی نمدی نشان می دهد. در این تحقیق اثر وزن لایه، نوع لیف، طول لیف، تراکم سوزن زنی، سرعت نفوذ سوزن و وجود پارچه تار و پودی در بین لایه الیاف بر روی نیروی وارد شده بر سوزن مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بررسی ها نشان داد که با افزایش وزن لایه، ضریب اصطکاک الیاف، وزن پارچه تار و پودی و میزان عمق نفوذ سوزن، نیروی نفوذ سوزن افزایش می یابد و افزایش طول الیاف باعث کاهش نیروی وارده بر سوزن می شود. این در حالیست که تاثیر معنی داری در نیروی نفوذ سوزن به هنگام تغییر سرعت نفوذ مشاهده نشده است. البته عنوان شده است که هنگامیکه از لایه های با وزن بسیار سنگین استفاده می شود، با افزایش عمق نفوذ سوزن میزان نیروی نفوذ سوزن کاهش می یابد که این امر احتمالا" ناشی از پارگی زیاد الیاف در جریان عملیات سوزن زنی است.
4-2) با توجه به اینکه به نظر می رسید تحقیقات قبلی در شرایط حقیقی انجام نگرفته است، در سال 1972 J.W.S. Hearl و همکاران وی یک Strain Gauge را به کمک یک اهرم واسطه به یک سوزن در تخته سوزن دستگاه سوزن زنی متصل کردند.[12]
شکل 4-3 نحوه نصب Strain Gauge به سوزن[12]
شکل 4-3نحوه اتصال را نشان می دهد. بدین ترتیب منحنی کالیبراسیونی را بدست آوردند که می توانست میزان تغییر شکل(انحراف) سوزن در حین عملیات سوزن زنی را به نیروی وارده بر سوزن مرتبط سازد. سرعت دستگاه سوزن زنی 240 ضربه بر دقیقه تعیین گردید. شکل 4-4نشان دهنده نحوه تغییرات نیروی وارده بر سوزن در طی یک محدوده زمانی است. هم چنین جهت بررسی بیشتر، تغییرات نیرو در 5 نقطه مختلف از تخته سوزن مطابق شکل 4-5 اندازه گیری گردید.
شکل4-4 تغییرات نیرو در فاصله زمانی یک ثانیه: a) با وجود الیاف ، b) بدون لایه الیاف
و c)با وجود لایه الیاف " نمودار عریض " [12]
شکل4-5 اندازه گیری نیروی وارده به سوزن در 5 نقطه مختلف از تخته سوزن[12]
آنها گزارش کردند که افزایش وزن لایه باعث افزایش نیروی نفوذ سوزن به یک مقدار حداکثر می شود و سپس این مقدار کاهش می یابد. هم چنین افزایش عمق نفوذ سوزن، میزان نیروی نفوذ سوزن را افزایش خواهد داد که البته حداکثر مقدار آن در وزن کمتر لایه حاصل می گردد.از طرف دیگر به دلیل نیاز به آرایش یافتگی مجدد بیشتر، کاهش میزان تراکم سوزن زنی در واحد سطح موجب افزایش نیروی نفوذ سوزن می شود. به عبارت دیگر بیشترین نیرو، در اولین سیکل های سوزن زنی به آن وارد می گردد. به همین دلیل سوزن های تعبیه شده در اولین ردیف های ورودی الیاف به تخته سوزن، بیشترین نیرو را تحمل می کنند.
شکل 4-6 کاهش نیروی وارده بر سوزن را در طول لایه (عرض تخته سوزن) بترتیب از ناحیه ورودی به سمت ناحیه خروجی آن نشان می دهد. ضمنا با افزایش میزان پیشروی لایه بازای هر سیکل حرکت سوزن، نیروی نفوذ سوزن نیز افزایش خواهد یافت. از جهت دیگر سوزن هایی که در یک لایه با آرایش یافتگی عرضی نفوذ می کنند نیروی بیشتری را نسبت به سوزنهای مشابه عمل کننده در لایه های با آرایش یافتگی طولی تحمل می کنند.
چرا که احتمالا" لایه های با آرایش یافتگی عرضی نیاز بیشتری به آرایش یافتگی مجدد الیاف طی عملیات سوزن زنی دارند. البته در صورتیکه وزن لایه الیاف ورودی به دستگاه سوزن زنی زیاد باشد، احتمال پارگی الیاف در سیکل های سوزن زنی افزایش می یابد. در این حالت در لایه های با آرایش یافتگی عرضی، کاهش نیرو به هنگام خروج سوزن از لایه با شیب بیشتری اتفاق خواهد افتاد. ناحیه انتهایی نمودار شکل 4-7 مبین این موضوع می باشد.
شکل4-6 سوزنهایی که به سمت ناحیه خروجی ازتخته سوزن قراردارند نیروی کمتری راتحمل میکنند[12]
شکل4-7 چگونگی کاهش نیرو به هنگام خروج سوزن از لایه منسوج نبافته[12]
4-3 ) در سال 1972، Bhuvenesh C. Goswami و همکارانش، مدل شبیه سازی شده یک دستگاه سوزن زنی را بر رو ی یک دستگاه استحکام سنج اینسترون مطابق شکل 4-8 نصب کردند.[13]
آنها تخته سوزنی به ابعاد 2*2 اینچ که شامل 15 عدد سوزن R 5/3 * 25*18*15 بود را بکار گرفتند، بنحویکه چیدمان سوزن ها در آن به صورت مورب آرایش یافته بودند. تخته سوزن ثابت نگه داشته شد. در حالیکه صفحه مشبک زیرین با سرعت خطی 5 اینچ بر دقیقه به سمت بالا حرکت می کرد تا عملیات نفوذ سوزن در لایه به مقدار ثابت 5/0 اینچ انجام شود. پس از اتمام هر سیکل نفوذ، فک متحرک به محل اولیه خود باز می گردد
و سوزن از لایه خارج می شود. تکرار سیکل نفوذ بلافاصله پس از پایان سیکل اول و بدون هیچ فاصله زمانی که ممکن است موجب برگشت و استراحت الیاف پس از اعمال نیرو شود انجام می گیرد، مشابه آنچه که تقریبا" در یک دستگاه سوزن زنی اتفاق می افتد. برای گزارش نمودن نیرو، مقدار نیروی نفوذ سوزن با تقسیم بر وزن در واحد سطح لایه نرمالیز شده است.
شکل 4-8 سوزن زنی آزمایشگاهی نصب شده بر روی دستگاه استحکام سنج اینسترون[13]
در این تحقیق با بهره گیری از تجزیه و تحلیل آماری اولیه به کمک روش آنالیزStudent's t-test، اطلاعات حاصله در قالب یک طرح آزمایش آماری f 2 برازش گردیده و توسط نمودارDaniel بررسی آماری لازم بین پارامتر های موثر صورت گرفته است.
در این بررسی تاثیر پارامترهای هندسی الیاف( مانند زبری سطح ، شکل سطح مقطع، ظرافت، طول و فروموج الیاف)، هم چنین تاثیر مدت زمان استراحت الیاف بین نفوذ های متوالی سوزن در لایه، بر میزان نیروی نفوذ سوزن بررسی شده است
. ضمنا" به کمک روشهای آماری فوق الذکر اثرات متقابل بین پارامترها نیز به صورت دو گانه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. نتایج حاصله حاکی از آن است که از پارامترهای الیاف بیشترین تاثیر مربوط به ظرافت الیاف است و در بررسی اثر متقابل دو گانه، فروموج الیاف نقش مهمی را در تغییرات نیروی نفوذ سوزن بازی می کند. هم چنین نسبت نیروی نفوذ سوزن بین اولین و دومین سیکل نفوذ می تواند بیانگر درجه آرایش یافتگی الیاف و راندمان سوزن زنی باشد.
شکلهای 4-9 و 4-10 تأثیر ظرافت الیاف را به عنوان مهم ترین عامل مؤثر بر نیروی سوزن زنی نشان میدهد. همانگونه که مشاهده می شود در سیکل نفوذ دوم، نیروی وارده بر سوزن بطور محسوس کاهش می یابد.
شکل 4-9 تأثیر ظرافت الیاف پلی استر بر نیروی نفوذ سوزن طی سیکلهای اول و دوم سوزن زنی
( سطح نرم – سطح مقطع دایروی – 6 دنیر – بدون فر و موج -3 اینچ )
شکل 4-10 تأثیر ظرافت الیاف پلی استر بر نیروی نفوذ سوزن طی سیکلهای اول و دوم سوزن زنی
( سطح زبر – سطح مقطع سه گوش – 6 دنیر – فر و موج دار- 3 اینچ )
جابجایی الیاف از سطح لایه به درون آن و آرایش یافتگی مجدد الیاف در تصویر سطح مقطع لایه در شکل 4-11 دیده می شود. با تکرار هر سیکل از عملیات سوزن زنی، این عمل مرتبا" انجام می شود.
شکل 4-11 آرایش یافتگی مجدد و جابجایی الیاف سطحی در تصویری از سطح مقطع لایه
4-4 ) طی سالهای دهه هفتاد تا نود میلادی مطالعات مختلفی در رابطه با نیروی اعمال شده بر سوزن، طی عملیات سوزن زنی، انجام شده است. S.Sarin و همکارش در سال 1994نتایج تحقیقات گذشته گزارش شده تا آن زمان را طی مقایسه ای مطابق ذیل بررسی و دسته بندی کردند.[14]
4-4-1) اندازه گیری استاتیکی نیروی وارده بر تخته سوزن(کل سوزن ها )
الف) مطالعه J.W.S. Hearl در سال 1968 مطابق آنچه در بخش 4-1به آن پرداخته شده است.
ب ) مطالعه Bhuvenesh C.Goswami در سال 1972 مطابق آنچه در بخش 4-3 به آن اشاره شده است.
ج ) مطالعات Debnath و همکاران وی، مشابه آنچه Hearl در سال 1968 انجام داد در سال 1979 گزارش شده است. نویسنده پس از بررسی نیروهای استاتیکی اشاره می کند که اندازه گیری استاتیکی روش مناسبی برای تعیین نیروهای وارده بر سوزن نیست. چرا که اولا" روشهای بکار گرفته شده جهت
اندازه گیری نیروی وارد شده بر سوزن مشخص کننده نیروی واقعی اعمال شده بر سوزن در فرآیند صنعتی سوزن زنی نیست. ثانیا" اندازه گیری بر روی تک سوزن انجام نشده است و ثالثا" سوزن های کناری تخته سوزن تحت تاثیر نیروی متفاوتی در مقایسه با سوزن های واقع شده در وسط تخته سوزن قرار می گیرند. در حالیکه در این نوع از اندازه گیری، نیروی وارد بر کل سوزن ها به صورت یکجا تعیین شده است.
4-4-2) اندازه گیری دینامیکی نیروی وارده بر تک سوزن در سرعت سوزن زنی کم
الف) Luenenschloss و همکارانش در سال 1970 ، تعداد سه Strain Gauge را توسط بازوهایی به سه سوزن که به صورت مورب نسبت به یکدیگر در تخته سوزن قرار گرفته بودند متصل کردند و توسط Strain Gauge دیگری که به اهرم متصل به نقطه فصل مشترک سه بازوی قبلی اتصال داشت، نیروی تجمعی وارد بر سه سوزن را نیز علاوه بر اندازه گیری مجزای هر یک از نیروهای وارده بر آنها تعیین کردند. سرعت دستگاه سوزن زنی در عدد 450 ضربه در دقیقه تنظیم گردیده بود و تمامی چهار نیرو به صورت همزمان اندازه گیری گردید. نتایج اندازه گیری نشان داد که نیروی تجمعی برابر با جمع نیرو های وارد شده بر سه سوزن نیست و معمولا" از آن کمتر است.
ب ) مطالعه J.W.S. Hearl در سال 1972 مطابق آنچه در بخش 4-2 به آن اشاره شده است.
ج ) در سال 1972 Luenenschloss و همکاران وی نیروی وارده بر تک سوزن را بر روی ماشین سوزن زنی نمدی ساخت شرکت دیلو با سرعت 350 ضربه بر دقیقه اندازه گیری کردند.
د ) طی گزارشهای منتشر شده در نمایشگاه بین المللی ماشین آلات نساجی "ITMA" در سال 1991 ، اعلام گردید که شرکت اتریشی Fehrer AG نیروی دینامیکی وارده بر سوزن را با تعبیه مکانیزمی بر روی دستگاههای سوزن زنی خود اندازه گیری کرده است اما از روش بکار گرفته شده در این تحقیق جزئیات بیشتری منتشر نشده است. البته نیروی وارده به سوزن را می توان بطور غیر مستقیم بر اساس مشاهده تغییرات شدت جریان آمپر درخواستی موتور اصلی ماشین نیز به صورت تقریبی اندازه گیری نمود که ذیلا" در یکی از بررسیهای انجام شده به آن اشاره خواهد شد.
4-4-3) اندازه گیری دینامیکی نیروی وارده بر تک سوزن در سرعت سوزن زنی زیاد
بنا به اظهار نویسنده، تا زمان ارائه این گزارش هیچگونه تحقیقی در این ارتباط بیان نشده است. اما بررسیهای اولیه انجام شده توسط مرکز تحقیقات منسوجات بی بافت دانشگاه کارولینای شمالی حاکی از آن بوده است
که در سرعت های سوزن زنی زیاد(برای مثال سرعت 600 ضربه در دقیقه)، ارتعاشات ماشین و اینرسی سوزن بر مجموع نیروهایی که بر سوزن وارد می شود تاثیر دارد. لذا می بایست به نحو مقتضی تاثیر اغتشاشات الکتریکی، ارتعاشات ماشین و اینرسی سوزن را از نتایج حاصله فیلتر و جدا سازی نمود.
4-4-4) اندازه گیری دینامیکی نیروی وارده بر تخته سوزن(کل سوزن ها) در سرعت سوزن زنی زیاد
الف) در سال 1972 ، Luenenschloss و همکارانش دریافتند که مجموع نیروی وارد شده به کلیه سوزن-ها ( تمامی سوزن های موجود در تخته سوزن ) با افزایش سرعت ماشین سوزن زنی ارتباط مستقیم دارد. آنها سرعت دستگاه مورد آزمایش را از 800 تا 2800 ضربه در دقیقه افزایش دادند.
ب ) Mrstina وهمکاران وی طی تحقیقی که درسال 1990گزارش شده است، روشی را برای اندازه گیری نیروی دینامیکی وارده بر سوزن پیشنهاد نمودند که بر مبنای اندازه گیری میزان اختلاف مصرف انرژی الکتریکی ماشین سوزن زنی در دو حالت بدون بار و تحت بار لایه تغذیه شده استوار بود.
آنها رابطه زیر را جهت تعیین میزان حداکثر و متوسط نیروی نفوذ سوزن پیشنهاد نمودند.
P max (N) = 80*N / n*h
P avg (N) = 62.83*N /n*h
در حالیکه:
N: انرژی صرف شده بازای هر سوزن (میلی وات)
n: سرعت سوزن زنی (ضربه بر دقیقه)
و h برابر با عمق نفوذ سوزن( میلی متر) می باشد.
4-5) Abdelfattah M.Seyam در سال 1995، سیستم پیشرفته ای را معرفی نمود که قادر بود نیروی دینامیکی اعمال شده بر روی تک سوزن را اندازه گیری نماید[15]. شکلهای 4-12 و 4-13 و 4-14 نحوه سوار شدن مکانیزم فوق الذکر را بر روی تخته سوزن نشان می دهند. همچنین آنها جهت بررسی بیشتر، بطور همزمان نیروی وارده بر تعداد بیست سوزن را در بیست نقطه مختلف تخته سوزن اندازه گیری کردند. نحوه انتخاب این نقاط در شکل 4-15 دیده می شود. ضمنا" همانگونه که در شکل 4-16نشان داده میشود از یک حس کننده تعبیه شده بر روی محور اصلی محرک تخته سوزن کمک گرفته شده است تا بتوان نیروی وارد شده بر سوزن را در هر زمان و هر نقطه مشخص از موقعیت کورس حرکتی تخته سوزن تعیین نمود.
همانگونه که در شکل 4-12 دیده می شود آنها صفحه اضافه ای را به ضخامت یک اینچ به تخته سوزن متصل کردند بنحویکه ضمن گرفتن کامل پاشنه سوزنها طی عملیات سوزن زنی، بتوان از فضای ایجاد شده بواسطه ضخامت صفحه، به منظور تعبیه ابزار اندازه گیری نیروی وارده به تک سوزن استفاده کرد.
شکل 4-12 استفاده از یک صفحه اضافه روی تخته سوزن [15]
شکل 4-13 اجزای سیستم اندازه گیری نیروی سوزن زنی قبل ازنصب شدن بر روی تخته سوزن[15]
شکل4-14سیستم اندازه گیری نیروی سوزن زنی که بطور کامل برروی تخته سوزن نصب شده است [15]
آنها نتیجه گیری کردند که کل نیروی وارد شده به سوزن به نیروی ناشی از اینرسی سوزن، ارتعاش و مقاومت لایه الیاف مربوط می شود.
شکل 4-15 نقاط انتخاب شده بر روی تخته سوزن جهت اندازه گیری نیروی سوزن زنی [15]
شکل 4-16 نحوه ارتباط مکانیزم اندازه گیری نیروی سوزن زنی با سیستم نرم افزاری پردازش اطلاعات
که به کمک حسگرهایIRموقعیت چرخش محور اصلی ماشین را در هر لحظه مشخص میکند [15]
4-6 ) پس از آنکه Abdelfattah M.Seyam و همکارانش سیستم اندازه گیری جدیدی را برای تعیین نیروی دینامیکی وارده بر سوزن ارائه نمودند، در سال 1997 به کمک این سیستم تاثیر موقعیت و نحوه چیدمان سوزن در تخته سوزن را بر نیروی وارده بر آن به هنگام نفوذ در لایه الیاف بررسی کردند [16]. بدین منظور آنها نیروی وارده بر سوزن را در چهار موقعیت مختلف واقع شده در راستای عرض تخته سوزن (در راستای تولید ماشین) بطور همزمان اندازه گیری نمودند. در این آزمایشات سرعت و تراکم سوزن زنی، همچنین عمق نفوذ سوزن اعداد ثابت در نظر گرفته شده و تنظیم گردیدند.
نتایج حاصل از بررسی های آماری نشان داد که اثر موقعیت سوزن بر نیروی وارده بر آن معنی دار است. به نحوی که سوزن های نزدیکتر به ورودی تخته سوزن نیروی بیشتری را در مقایسه با سوزن های قرار گرفته در خروجی آن تحمل می کنند. اما نیروی وارد بر سوزنها در چیدمان های متفاوت آنها در تخته سوزن دارای اختلاف آماری معنی دار نیست. شکلهای 4-17 و 4-18 چگونگی تأثیر موقعیت سوزن بر نیروی وارد شده بر آنها را در دو چیدمان متفاوت زاویه خار صفر درجه و 90 درجه نشان می دهد. عدم اختلاف نتایج حاصل از چیدمان های متفاوت سوزن در این شکلها نیز بوضوح دیده می شود.
شکل 4-17 تأثیر موقعیت سوزن بر نیروی وارده بر آن در چیدمان سوزن با زاویه خار صفر درجه
( سوزن 1 در ورودی تخته سوزن و سوزن 4 در خروجی آن قرار داده شده است )[16]
شکل 4-18 تأثیر موقعیت سوزن بر نیروی وارده بر آن در چیدمان سوزن با زاویه خار 90 درجه
( سوزن 1 در ورودی تخته سوزن و سوزن 4 در خروجی آن قرار داده شده است )[16]
از طرف دیگر فقدان سوزن های جانبی در اطراف سوزن مورد آزمایش باعث گردید تا نیروی وارد بر سوزن افزایش یابد( شکل 4-19 ). که می تواند ناشی از نزدیک بودن میزان آرایش یافتگی طولی و عرضی الیاف در لایه مورد بررسی باشد.
شکل 4-19 تأثیر وجود یا عدم وجود سوزن های جانبی بر نیروی وارده بر سوزن مورد آزمایش[16]
4-7) در سال 1998، Abdelfattah M.Seyam و همکارانش تلاش کردند تا نیروی دینامیکی خالص وارده بر سوزن را در سرعت های سوزن زنی بالا ( حدود 1000 ضربه در دقیقه ) از نقطه نظر مقاومت لایه الیاف در برابر حرکت نفوذ سوزن و برگشت آن و از طریق نمودار نیروی کل دینامیکی اندازه گیری و استخراج نمایند[17]. محققین بر این عقیده بودند
که نیروی وارده بر سوزن میزان سایش و در نتیجه متغیر شدن هندسه خار و شکستگی آن، میزان شکستگی الیاف، راندمان تولید و خصوصیات منسوج تولیدی را تحت تاثیر خود قرار می دهد. شکل 4-20 نمودار تغییرات کل نیروی وارده بر سوزن را در ثانیه نشان میدهد. در حقیقت نمودار نشان دهنده اطلاعات خام حاصله از اندازه گیری نیروهای واقعی است که در سیکلهای متوالی حرکت سوزن به آن وارد می شود.
