بررسی فیبر طبیعی به عنوان جایگزین برای چوب راکت

بررسی مناسب بودن فیبر طبیعی به عنوان ماده جایگزین برای صفحه راکت پینگ پنگ

چکیده

این مقاله، درباره بررسی مناسب بودن فیبر طبیعی به عنوان ماده جایگزین برای صفحه راکت پینگ پنگ می باشد؛ چرا که این ماده، قیمت پایین، وزن سبک داشته و برگرفته از طبیعت می باشد. امروزه، الیاف طبیعی یکی از موادی هستند که اغلب در جایگزینی مواد اصلی در بخش تولید اتومبیل و ساخت و ساز استفاده می شوند. هدف از این مطالعه، بررسی و ارزیابی مناسب بودن مواد فیبر طبیعی به منظور جایگزینی برای چوب، به عنوان ساختاری در صفحه راکت پینگ پنگ می باشد. خواص مکانیکی مواد مختلف فیبر طبیعی مورد آزمون قرار گرفت، و با خواص صفحه راکت پینگ پنگ متناسب بود. الیاف طبیعی انتخاب شده برای این مطالعه کنف (Kenaf) (بر گرفته از گیاه Hibiscus Cannabinus)، کنف هندی (Jute)، کنف گیاه شاهدانه Hemp)، فیبر سیزال (گیاه مکزیکی)(Sisal) و الیاف گیاه رامی (Ramie)، بودند. مقایسه دیگری با خواص مرتبط هر نوع از الیاف طبیعی، با استفاده از توسعه عملکرد کیفیت (QFD) و فرضیه حل مسئله اختراع (TRIZ) انجام شد. TRIZ به منظور تعیین مناسبترین راه حل ممکن در تولید صفحه راکت پینگ پنگ استفاده شد. نتایج نشان داد که مناسبترین راه حل در تولید صفحه راکت پینگ پنگ با استفاده از الیاف طبیعی، فیبر طبیعی کنف (Kenaf) است. انتخاب فیبر طبیعی به عنوان کاربرد ساختاری در صفحه راکت پینگ پنگ بر این اساس انجام شد که بتواند ویژگی های مورد نیاز را برای یک عملکرد خوب در صفحه راکت پینگ پنگ مانند جذب انرژی، وزن سبک، سختی و استحکام فراهم کند. بنابراین، فرصتی را برای جایگزینی مواد موجود با موادی با استحکام بالا، قیمت پایین و سازگار با طبیعت، فراهم می کند.

۱- مقدمه

از نظر ورزشی، تجهیزات، یک جزء لازم برای بازیکنان است. در ورزش پینگ پنگ، صفحه راکت پینگ پنگ یک معیار مهم می باشد و موجب رضایت از عملکرد هر بازیکن می شود. بر اساس مطالعات موجود، هیچ مطالعه ای به منظور جایگزین کردن ساختاری الیاف طبیعی در صفحه راکت پینگ پنگ انجام نشده است. با این حال، تا به امروز، موادی که درفرآیند ساخت صفحه راکت استفاده می شوند، عبارتند از اسانس چوب و الیاف مصنوعی که الیاف کربنی می باشند. همانطور که “لارکوبه” و همکارانش گزارش دادند؛ مواد صنعتی، بسیار گران تر از الیاف طبیعی می باشند، به همین دلیل در اینجا مطرح شده است. به علاوه ساخت آنها مشکل می باشد. علاوه بر این، اسانس چوب به سختی در هوای آزاد خشک می شود که حدود ۱ سال طول می کشد تا به کیفیت برتر اسانس چوب برسد. به عنوان مثالی از چوب می توان به Kiri، Balsa، Ayous، Hinoki، Koto و Limba اشاره کرد[۱]. بنابراین، به عنوان یک جایگزین جدید برای وضعیت کنونی، هدف این مطالعه انتخاب یک ماده مناسب برپایه فیبر طبیعی می باشد تا جایگزین ماده موجود شده، بدون اینکه ویژگی های اولیه صفحه راکت پینگ پنگ را نادیده بگیرد.

یک ساختار ابتدایی از صفحه راکت پینگ پنگ، شامل یک لایه از ماده کم وزن و با مدول الاستیک پایین می باشد. ترکیب ساختاری، مربوط به ضخامت صفحه راکت است. با این حال، هندسه و اندازه صفحه راکت باید با استانداردها و الزاماتی که به وسیله فدراسیون بین المللی پینگ پنگ تهیه شده، مطابقت داشته باشد. ارزیابی صفحه راکت ها، از صفحه راکتهایی شروع شد که تنها از یک قطعه چوب ساخته شده بودند. سپس، صفحه راکت هایی از چندین لایه چوب ساخته شدند و چسب زده شده و به یکدیگر فشرده شدند تا یک ساختار چند لایه چوبی را شکل دهند. در ادامه، به منظور نوآوری در ساختار صفحه راکت ها، الیاف کربن (به عنوان یک لایه) به آن ها اضافه شد تا دوام و عملکرد صفحه راکت بهبود یابد. اما، با گذشت زمان، با پیشرفت روز به روز تکنولوژی، بررسی صفحه راکت نیز باید دستخوش تغییر شود، چراکه به راحتی می تواند با ویژگیهای توپ و رویه تحت تاثیر قرار گیرد. هر صفحه راکت معمولا با یک رویه پوشیده می شود که همیشه توسط سازنده در حال اصلاح شدن است که به طور غیر مستقیم بر روی عملکرد صفحه راکت اثر می گذارد. این موضوع در مورد اندازه توپ نیز صادق است. بنابراین، ساختار صفحه راکت به خودی خود باید همیشه به وسیله سازنده تجدید نظر شده تا از قابلیت صفحه راکت اطمینان کامل حاصل شود.

الیاف طبیعی در سراسر جهان، با عنوان زباله های کشاورزی شناخته شده اند، که به عنوان ماده جدیدی در تحقیقات مهندسی و علوم پلیمر و تحقیق در حوزه تکنولوژی پایدار معرفی شدند[۲]. الیاف طبیعی چگالی کمتری (۶/۱-۲/۱ گرم بر سانتی متر مکعب) از الیاف شیشه (۴/۲ گرم بر سانتی متر مکعب) دارندکه به ما اطمینان می دهد که تجهیزاتی با وزن سبک تر ارائه دهند[۳]. امروزه، مواد متداول بر پایه پلیمرها، به طور گسترده ای با الیاف طبیعی مانند سیزال، کنف، کنف هندی و کنف گیاه شاهدانه استفاده می شوند[۴] . در نتیجه، میل زیادی برای استفاده از الیاف طبیعی در ترکیب با مواد پلیمری برای تولید ساختار کامپوزیتی وجود دارد که به آن کامپوزیتهای با ماتریکس پلیمری (PMC) می گویند. مواد کامپوزیتی، موادی ساخته دست بشر هستند که ساخته شده اند تا با غلبه بر معایب آنها، جایگزین مواد متداول شده و باعث بهبود خواص ماده شوند[۵]. ترکیب فیبر (فاز تقویت کننده) و پر کننده (فاز زمینه، رزین) به عنوان مواد کامپوزیتی، وسیله ای برای گسترش خواص کامپوزیتهایی است که نیازهای کاربردی را در زمینه هایی مانند ورزشی، اتومبیل سازی و ساخت و ساز فراهم می کند. علاوه بر این، مطالعه قبلی بیان می کند که [۲]–[۸] این نوع از کامپوزیت ها مزایای زیادی مانند چگالی پایین، قیمت ارزان تر، در دسترس بودن بیشتر و زیست تخریب پذیری بهتری نسبت به الیاف مصنوعی دارند. “لوت پیل” و همکارانش، اشاره کردند که الیاف طبیعی برای تولید تخته موج سواری و کمان تیراندازی، در زمینه های تجهیزات ورزشی استفاده شده است[۹].

رویکرد طراحی، که QFD و TRIZ است در این مطالعه استفاده شده اند. QFD یک فرآیند توسعه محصول است که برای رسیدن به رضایت بیشتر مشتری [۱۰] و مدل تصمیم گیری برای اولویت بندی الزامات طراحی، استفاده می شود [۱۱]. QFD توسط “یوجی آکائو” در ژاپن در سال ۱۹۶۶ توسعه یافت و در سال ۱۹۷۸، اولین کتاب در این مورد به زبان ژاپنی منتشر شد و بعدها در سال ۱۹۹۴ به زبان انگلیسی ترجمه شد[۱۲]. طراحی های QFD، در محیط های نامشخص انجام می شود، و معمولا بیشتر از یک هدف بایستی مورد نظر قرار بگیرد. رویکرد به منظور تنظیم ارتباط بین رضایت مشتری (CRs) و الزامات طراحی مهندسی (DRs) انجام می شود. رویکرد دیگری که در این تحقیق انجام شده، TRIZ است. TRIZ به منظور کمک به مهندسین برای یافتن راه حل های نوآورانه برای مسائل تکنیکی در فرآیندهای توسعه محصول، گسترش یافته است. بنابراین، در این مطالعه، TRIZ جهت تعیین و به دست آوردن مناسبترین راه حل در صورت وجود مشکل، استفاده می شود و کیفیت صفحه راکت پینگ پنگ را بر پایه انتخاب الیاف طبیعی بهبود می بخشد.

با نگاهی کوتاه به گزارشات ارائه شده، اهداف اصلی از این کار، بررسی مناسب بودن الیاف طبیعی استفاده شده به عنوان ماده جایگزین برای صفحه راکت پینگ پنگ می باشد. در مرحله اول، ویژگی صفحه راکت پینگ پنگ تعیین شد تا الیاف طبیعی با ویژگی مناسب انتخاب شود، که به موجب آن بتواند تاثیر چشمگیری در رفتار صفحه راکت پینگ پنگ داشته باشد. بنابراین، دو رویکرد طراحی QFD و TRIZ استفاده شد. هر دو نوع از رویکردهای طراحی، نقش مختلفی در این مطالعه داشتند تا اطمینان حاصل شود که همه فاکتورهای فرآیند طراحی که بر پایه الزامات مشتری (CRs) و الزامات طراحی مهندسی (DRs) بودند، تامین شده اند.

۲- روش

در این مطالعه، ویژگی صفحه راکت پینگ پنگ، به منظور اطمینان از مهمترین موضوعی که مربوط و متاثر از قابلیت و عملکرد صفحه پینگ پنگ، تعیین شد. عامل متاثر بر اساس مطالعات انجام شده، مانند شکل، وزن، ضخامت، سختی و جذب انرژی، تعیین شد. تمام عوامل مانند سرعت، کنترل و پیچ، به دلیل سهم آنها در عملکرد بازیکنان پینگ پنگ، مطالعه شدند. چرخه فرآیند در این مطالعه در شکل ۱ نشان داده شده است.

شکل ۱- نمودار چرخشی از روش کار

بر اساس آن، QFD به منظور یافتن مناسب ترین ویژگی که برای استفاده در ساختار صفحه راکت پینگ پنگ مناسب باشد، از میان انواع مختلف فیبر طبیعی، مانند کنف، کنف هندی، کنف گیاه شاهدانه، سیزال و رامی، استفاده می شود. همه معیارها باید نیاز مشتری را رفع کند و با الزامات طراحی مهندسی ارتباط داشته باشد. این روش و رویکرد طراحی به این دلیل انتخاب شد که مناسبترین روش استفاده شده در این مطالعه است که بر پایه معیارها و ویژگی ها می باشد. شکل ۲ جدول QFD را نشان می دهد.

شکل ۲- اجزای مدل QFD

در پایان، TRIZ بر اساس ماده انتخاب شده، انجام شد. نظریه حل مسئله اختراع جهت دستیابی به مناسب ترین راه حل برای هر مشکل استفاده شد که کیفیت یک محصول را بهبود می بخشد. در این مورد، الیاف طبیعی که از روش QFD انتخاب شدند، به عنوان ماده اصلی در تولید صفحه راکت پینگ پنگ در نظر گرفته شد. بنابراین، TRIZ به ۴۰ راه حل ممکن دست یافت و راه حل بر اساس الزامات مورد نیاز انتخاب شد. به عنوان فرضیه، TRIZ راه حل بهتری را به منظور اطمینان از کیفیت صفحه راکت پینگ پنگ ساخته شده از ماده فیبر طبیعی، ارائه می دهد.

۳- نتایج و بحث

همانطور که در شکل ۳ نشان داده می شود، مطابق با داده های بسیار محدودی که مطالعات قبلی ارائه می دهند، ویژگی های زیادی که برای صفحه راکت پینگ پنگ نیاز است، مانند پیچ، سرعت، کنترل، شکل و دسته را نشان می دهد. همه ویژگی ها بر روی توانایی و دوام عملکرد صفحه راکت پینگ پنگ تاثیر می گذارند. بنابراین، در فرآیند انتخاب ماده ای که به عنوان ماده اصلی برای صفحه راکت پینگ پنگ استفاده می شود، باید ابتدا قابلیت های خود ماده مانند جذب انرژی، سختی و وزن سبک در نظر گرفته شوند.

شکل ۳- انواع ویژگی های مورد نیاز برای صفحه راکت پینگ پنگ

در ارتباط با یافته های بالا، به منظور دستیابی به ایده های نوین در صفحه راکت پینگ پنگ با استفاده از الیاف طبیعی به عنوان ماده اصلی، ۵ نوع از الیاف طبیعی انتخاب شدند تا در رویکرد طراحی در روش QFD استفاده شوند. در این مطالعه، تنها ارتباط بین نیازهای مشتری (CRs) و الزامات طراحی مهندسی (DRs) در نظر گرفته شدند. باید عنوان شود که الیاف طبیعی، در مقایسه با ماده موجود یعنی چوب که در حال حاضر در صفحه راکت پینگ پنگ استفاده می شود، انتخاب می شود. تنها، ویژگی خاص چوب در نظر گرفته شد. الیاف طبیعی Jute و Hemp بر پایه مطالعه “لوت پیل” و همکارانش، انتخاب شدند که به موجب آن، ماده در تجهیزات ورزشی استفاده شده بود[۶]. بنابراین، همانطور که انتظار می رفت، این ماده توانایی بالقوه برای کاربرد در صفحه راکت پینگ پنگ را دارد. Kenaf، Sisal و Ramie نیز به دلیل خواص مکانیکی خوبشان مانند استحکام، وزن سبک و معیارهای دیگری که مناسب برای جایگزینی در تولید صفحه راکت پینگ پنگ بود، انتخاب شدند. ویژگی های هر فیبر طبیعی که در این بررسی شرکت داشت، در جدول ۱ نشان داده شده است.

جدول ۲- توسعه کیفیت عملکرد (QFD) الیاف طبیعی کناف (Kenaf)

جدول ۳- توسعه عملکرد کیفیت(QFD) الیاف طبیعی Jute

جدول ۴- توسعه عملکرد کیفیت (QFD) الیاف طبیعی Hemp

جدول ۵- توسعه عملکرد کیفیت(QFD) الیاف طبیعی Sisal

جدول ۶- توسعه عملکرد کیفیت(QFD) الیاف طبیعی Ramie

به طور کلی، همه جداول مقیاس ۱ تا ۵ را نشان می دهند. معیاری که با عنوان وزن کردن (Weightage) ارائه شده، برای نیازهای مشتریان و الزامات فنی در این مطالعه می باشد. مقدار وزن کردن جهت بهبود صفحه راکت، بر اساس اولویت نیازهای مشخص، داده شده است. شکل ۴ ارائه ای از اهمیت معیارهایی که باید در نظر گرفته شود، می باشد و نشان می دهد که الیاف طبیعی Kenaf درجه اهمیت بالایی در مقایسه با hemp، jute، ramie و sisal دارند. همانطور که در مطالعه “آکیل” و همکاران اشاره شد، kenaf به دلیل سفتی بالا، استحکام کششی بالا و نسبت طول به قطر بالا، در مقایسه با سایر الیاف طبیعی، توانایی مشابهی با مواد تقویت کننده دارد[۲].

شکل ۴- درجه اهمیت الیاف طبیعی

بنابراین، در نتیجه الیاف طبیعی کناف به عنوان ماده تقویت کننده برای تولید صفحه راکت های پینگ پنگ جدید، انتخاب شد. در فرآیند توسعه، فرض و پیشبینی اینکه ممکن است در تولید صفحه راکت پینگ پنگ، یکسری تناقضات به وجود بیاید، مورد بررسی قرار گرفت. به همین جهت، نظریه TRIZ استفاده شد تا مناسب ترین راه حل و معیار بهبود کیفیت را در تولید صفحه راکت پینگ پنگ ارائه دهد. TRIZ ساختاری است که شامل فلسفه، روش ها و تجهیزات می باشد، همانطور که “اکمکی و کوکسال” اشاره کردند. جدول ۷ نشان می دهد که TRIZ بر اساس نیاز مشتری، تناقضات، راه حل ممکن و انتخاب راه حل می باشد. تناقض به منظور افزایش ارزش سیستم و بهبود کیفیت یک سیستم ایجاد شد، اما ارزش سیستم های دیگر را، همانطور که “آلتشولر” مطرح کرد، کاهش می دهد[۱۳].

جدول ۷- رویکرد TRIZ. نیاز مشتری، تناقضات، راه حل ممکن و انتخاب راه حل.

۴- نتیجه گیری

در این مطالعه، ایده های نوینی جهت تولید یک صفحه راکت جدید برای جایگزین کردن مواد موجود استفاده شده که چوب می باشد، ارائه شد. یک مسئله، اطمینان از حمایت از مناطق پوشیده از درخت است که به طور غیر مستقیم باعث کاهش شرایط گرم شدن جهانی می شود. بنابراین، این مطالعه انجام شد و نشان داد که الیاف طبیعی kenaf، قابلیت جایگزینی به جای چوب را در ساختار صفحه راکت پینگ پنگ دارند. نتیجه نهایی بر اساس رویکرد طراحی که QFD و TRIZ می باشند، بود. در هر حال، به عنوان نتیجه گیری، این مطالعه نیاز دارد که از جنبه های دیگر نیز مورد بررسی قرار گیرد تا اطمینان حاصل شود که می تواند به صورت تجاری ارائه شود و خواص مشابهی با صفحه راکت های پینگ پنگی که در حال حاضر استفاده می شوند، ایجاد کند