Lisovanie Sheet Molding Compound (SMC) vyzerá zvonku jednoducho: vložte pripravenú dávku do vyhrievanej formy, zatvorte hydraulický lis, aplikujte tlak, vytvrdzujte materiál a odstráňte hotový diel. Vo výrobe však stabilné tvarovanie SMC závisí od oveľa užšieho procesného okna.
Hmotnosť náplne a umiestnenie ovplyvňujú tok materiálu. Rýchlosť zatvárania lisu ovplyvňuje pohyb vlákna a zachytený vzduch. Teplota formy riadi viskozitu a vytvrdzovanie živice. Tlak určuje, či sa rebrá, výstupky, hrany a veľké plochy správne vyplnia. Dizajn formy potom určuje, či si tvarovaná časť zachováva konzistentnú hrúbku, rozmerovú presnosť a kvalitu povrchu.
Pre výrobcov, ktorí vyrábajú panely karosérií automobilov, kryty batérií, elektrické kryty, konštrukčné komponenty a ďalšie diely FRP, je preto potrebné s parametrami lisu, formy, materiálu a procesu zaobchádzať ako s jedným systémom a nie so štyrmi samostatnými premennými.
Manipulácia s materiálom SMC, umiestnenie náboja a postupnosť lisovania
Spracovanie SMC začína skôr, ako sa materiál dostane do lisu.
Komerčné SMC sa bežne dodáva ako vyzretý list medzi nosnými filmami. Teplota skladovania, podmienky zrenia, zloženie živice a pokyny dodávateľa určujú, ako by sa malo s materiálom zaobchádzať. Ak sa používa chladený materiál, mal by sa normálne nechať dosiahnuť špecifikované podmienky spracovania pred formovaním. Priame spracovanie studeného materiálu môže zmeniť viskozitu a tokové správanie a môže spôsobiť problémy súvisiace s kondenzáciou.
Požadovanú hmotnosť náboja možno odhadnúť z:
Hmotnosť vsádzky = hotový tvarovaný objem × cieľová povolená hustota materiálu
Vo výrobe by sa mal výpočet overiť pomocou skúšobného lisovania, pretože výlisok, vložky, miestne rebrá a distribúcia materiálu ovplyvňujú skutočnú požiadavku na nabíjanie.
Rovnako dôležité je pokrytie nabíjania. Výskum lisovania SMC ukazuje, že počiatočné pokrytie plechu sa môže podstatne líšiť v závislosti od geometrie a požadovanej vzdialenosti toku materiálu. Experimentálne štúdie hodnotili pokrytie počiatočného náboja hlboko pod pokrytie celej dutiny, zatiaľ čo moderný výskum poznamenáva, že procesy SMC môžu využiť približne 20 % až 100 % plochy konečnej časti v závislosti od aplikácie.
Menšia stopa náplne vyžaduje, aby materiál počas zatvárania prešiel ďalej. To môže pomôcť vyplniť zložitú geometriu, ale nadmerný tok môže zvýšiť preorientovanie vlákna, separáciu živice/vlákna, citlivosť zvarových línií a lokálne variácie vlastností. Výskum potvrdzuje, že kompresný tok môže výrazne zmeniť lokálnu architektúru vlákien.
Typická postupnosť formovania je:
- Uveďte SMC do špecifikovaných podmienok spracovania.
- Odstráňte nosné fólie a odrežte požadovaný vzor náboja.
- Odvážte a uložte náboj.
- Umiestnite ho podľa overenej načítacej mapy.
- Bezdotykovým zdvihom lis rýchlo zatvorte.
- Znížte rýchlosť zatvárania, keď sa materiál začne stláčať a tiecť.
- Vytvorte lisovací tlak podľa naprogramovaného profilu.
- Počas vytvrdzovania termosetovej živice držte tlak.
- Po dostatočnom vytvrdnutí formu otvorte.
- Vysuňte komponent a skontrolujte záblesk, výplň, rozmery a stav povrchu.
Geometria náplne by sa preto mala považovať za procesný parameter – nie len za pohodlný spôsob, ako umiestniť materiál do formy.
Hydraulický lis Etapy tonáže, rýchlosti zatvárania a tlaku
Jednou z najčastejších chýb pri výbere lisu SMC je výber tonáže len z hmotnosti dielu.
Požadovaná sila tlače súvisí predovšetkým s projektovaná oblasť lisovania a požadovaný tlak v dutine :
Požadovaná sila = projektovaná plocha × lisovací tlak
Pre výpočty založené na palcoch:
Lisovacia tonáž ≈ projektovaná plocha (v²) × lisovací tlak (psi) ÷ 2 000
Dodatočná technická rezerva je zvyčajne zahrnutá pre variácie procesu, konfiguráciu formy, oblasť vzplanutia a budúce výrobné požiadavky.
Všeobecné odkazy na tvarovanie lisovaním umiestňujú tlak na tvarovanie termosetu 1 000 – 2 500 psi na tvarovanej ploche , zatiaľ čo iná literatúra SMC uvádza tlaky pri formovaní približne 3-20 MPa v závislosti od formulácie a podmienok spracovania. Tieto čísla by sa mali považovať skôr za počiatočné rozsahy než za univerzálne špecifikácie SMC.
Napríklad komponent s projektovanou plochou 2 000 in² lisovaný pri 1 500 psi teoreticky vyžaduje:
2 000 × 1 500 ÷ 2 000 = 1 500 ton
Požadovaný stroj by mohol byť väčší po uplatnení príslušnej bezpečnostnej a procesnej rezervy.
Rýchlosť lisu je rovnako dôležitá ako maximálna sila.
Servohydraulický lis SMC môže používať stupňovitý profil pohybu:
Rýchly prístup → kontrolovaný kontakt materiálu → pomalé uzatváranie formovania → zvyšovanie tlaku → udržiavanie tlaku
Rýchly prístup znižuje neproduktívny čas cyklu. Akonáhle sa horný nástroj dotkne náboja, baranidlo sa spomalí, takže SMC môže prúdiť cez rebrá, rohy a veľké povrchy bez nekontrolovaného posunu.
Rýchlosť zatvárania ovplyvňuje históriu tlaku, správanie pri plnení a orientáciu vlákna, a preto by mala byť programovateľná a nemala by sa považovať za stálu rýchlosť stroja. Výskum spracovania SMC identifikuje rýchlosť zatvárania formy, teplotu formy a podmienky vsádzania ako kľúčové premenné riadiace tok materiálu.
Aj tu poskytujú servo riadené hydraulické lisy praktickú hodnotu. Kompozitná lisovacia platforma Wuxi PengdaHZ využíva uzavretú reguláciu tlaku, rýchlosti a posunu, čo umožňuje naprogramovať rôzne stupne pohybu a tlaku pre formovací cyklus.
Vákuové tvarovanie sa môže pridať tam, kde je dôležitý zachytený vzduch, pórovitosť alebo náročné požiadavky na povrch. Forma sa evakuuje počas vhodnej fázy uzatvárania predtým, ako sa vytvorí plný formovací tlak.
Metódy ohrevu formy, teplotné rampy a kontrola rovnomernosti
SMC je termosetový materiál, takže forma musí poskytnúť dostatok tepla na zníženie viskozity zlúčeniny na začiatku a potom začať a dokončiť reakciu zosieťovania živice.
Bežne uvádzaná SMC oblasť teploty formy je približne 140 – 160 °C (284 – 320 °F) , aj keď správne nastavenie závisí od živicového systému, balenia iniciátora, hrúbky dielu, geometrie a požiadaviek na povrch. Publikované odkazy na spracovanie SMC podobne uvádzajú teploty formovania v tejto všeobecnej oblasti.
Bežne sa berú do úvahy tri spôsoby ohrevu.
| Spôsob vykurovania | Hlavné charakteristiky | Typická úvaha |
|---|---|---|
| Elektrická kazeta/ohrievač | Jednoduchá inštalácia a nezávislé zónovanie | Vyžaduje dobrý rozvod ohrievača |
| Termálny olej | Dobrý prenos tepla a ovládateľnosť | Vyžaduje ohrievač, čerpadlo, potrubie a olejový okruh |
| Para | Rýchly prenos tepla vo vhodných nástrojoch | Vyžaduje parnú infraštruktúru a kontrolu kondenzátu |
Nominálna nastavená hodnota však rozpráva len časť príbehu.
Hodnota formy 150 °C na jednom snímači môže stále obsahovať oblasti, ktoré sú podstatne teplejšie alebo chladnejšie. Teplotné rozdiely v dutine môžu zmeniť lokálnu viskozitu a rýchlosť vytvrdzovania, čo má za následok nerovnomerné zmrštenie, rozdiely v lesku, deformáciu, predčasné vytvrdnutie alebo neúplné vyplnenie.
Veľké formy SMC by preto mali byť rozdelené do praktických vykurovacích zón s termočlánkami umiestnenými tak, aby predstavovali kritické oblasti dutín, a nie iba okruh ohrievača.
Pred začatím výroby by mal nástroj dosiahnuť nielen cieľovú teplotu, ale aj tepelná rovnováha . Výroba by sa nemala začať len preto, že jeden regulátor dosiahne svoju nastavenú hodnotu.
Rovnaký princíp platí pre hornú a dolnú polovicu formy. Ich teplotný rozdiel by mal byť zámerne kontrolovaný. Niektoré špecializované procesy zámerne používajú rôzne horné a spodné teploty, ale nekontrolovaná nerovnováha môže spôsobiť rozdielne vytvrdzovanie a rozmerové skreslenie.
Pre hrubé časti alebo ťažké dráhy toku môže byť výhodnejšia nižšia teplota formy v kombinácii s dlhšou dobou vytvrdzovania. Pokyny na spracovanie kompozitu špecificky poznamenávajú, že hrubé časti SMC vo všeobecnosti profitujú z nižšej teploty a dlhšieho vytvrdzovania, aby sa dosiahla rovnomernejšia reakcia v časti.
Optimalizácia doby vytvrdzovania, viskozity, prietoku a procesného okna
Neexistuje univerzálna odpoveď, ako napríklad „SMC vyžaduje 90 sekúnd na vyliečenie“.
Požadovaný čas vytvrdnutia závisí od:
- chémia živíc a iniciátorov;
- teplota formy;
- hrúbka komponentu;
- teplota nabíjania;
- obsah plniva a vlákniny;
- miestne hrubé rezy;
- požadovaná pevnosť pri demontáži;
- geometria časti; a
- exotermické správanie formulácie.
Publikovaná literatúra o lisovaní uvádza cykly udržiavania tlaku v rozsahu približne 1–4 minúty pre niektoré procesy SMC, ale toto by sa malo považovať len za referenčný rozsah.
Dôležitým bodom je, že viskozita SMC nezostáva počas lisovacieho cyklu konštantná.
Potom, čo sa náplň dostane do kontaktu s horúcim nástrojom, viskozita spočiatku dosiahne stav, kedy materiál môže tiecť pod tlakom. Zmes sa šíri cez dutinu, zatiaľ čo vlákna rotujú a vyrovnávajú sa s prúdom. Keď sa teplota neustále zvyšuje a vytvrdzovacia reakcia sa zrýchľuje, viskozita rýchlo stúpa, až kým sa prietok účinne nezastaví.
Užitočné okno spracovania teda existuje medzi:
dostatočné zmäkčenie na vyplnenie formy a nadmerné vytvrdzovanie, ktoré bráni ďalšiemu toku .
Ak je forma príliš horúca alebo zatváranie je príliš pomalé, živica môže začať vytvrdzovať skôr, ako sa naplnia dlhé dráhy toku. Ak je teplota príliš nízka, dutina sa môže naplniť, ale vytvrdzovanie môže trvať príliš dlho alebo môže zostať neúplné.
Typické príznaky poskytujú užitočné informácie:
| Defekt | Možné príčiny procesu |
|---|---|
| Nedostatočné vyliečenie | Nízka teplota formy, nedostatočná doba výdrže |
| Neúplná výplň | Nízky tlak, predčasné vytvrdnutie, zlé umiestnenie nabitia |
| Blister/bublina | Zachytený plyn, vlhkosť, nedostatočné vetranie |
| Scorch/miestne preliečenie | Nadmerná lokálna teplota alebo dlhá expozícia |
| Warpage | Nerovnomerná teplota formy, gradient vytvrdzovania, orientácia vlákna |
| Zvarová čiara | Vzor nabíjania a protiľahlé čelá toku |
| Oblasť bohatá na živicu | Nadmerný prietok alebo oddelenie vlákna/živice |
Optimalizácia procesu by preto mala meniť vždy jednu regulovanú premennú a zaznamenávať údaje o skutočnom tlaku, polohe, teplote a cykle namiesto toho, aby sa spoliehala len na pozorovanie operátora.
Požiadavky na dizajn formy na kontrolu hrúbky a kvalitu povrchu
Ani vysoko opakovateľný hydraulický lis nedokáže kompenzovať nevhodnú formu SMC.
Dizajn nástroja priamo ovplyvňuje prietok, odvetrávanie, tvorbu zábleskov, rozmerovú opakovateľnosť a vzhľad povrchu.
Šmykové hrany pomáhajú kontrolovať materiál, keď nástroj dosiahne konečnú zatváraciu polohu, a prispievajú k regulácii blesku.
Prieduchy by mala umožniť únik vytlačeného vzduchu a prchavých plynov bez toho, aby došlo k neprijateľnej strate živice. Zlé vetranie môže prispieť k zachyteniu plynu, neúplným povrchom, popáleninám a pórovitosti.
Uhly ponoru musí umožňovať spoľahlivé uvoľnenie bez poškodenia textúrovaných povrchov alebo povrchov triedy A.
Umiestnenie vyhadzovača by mala dostatočne rozložiť odstraňovaciu silu, aby sa zabránilo lokálnej deformácii ešte horúceho tvarovaného dielu.
Hrúbka je do značnej miery definovaná geometriou uzavretej formy. Dizajn rebier, výstupkov, vložiek a prechodov by sa preto mal posudzovať spolu so správaním toku SMC. Veľké náhle zmeny hrúbky prierezu môžu spôsobiť lokálne vytvrdzovanie, zmršťovanie a problémy s povrchom.
Výrobcovia nástrojov musia tiež kompenzovať očakávané zmrštenie vybranej formulácie SMC namiesto použitia jedného všeobecného faktora zmrštenia na každú zmes.
Pri vysokokvalitných viditeľných súčiastkach sa problémy s povrchom, ako sú dierky, ryhy, vlnitosť a nerovnomerný lesk, nedajú vždy opraviť jednoduchým zvýšením lisovacieho tlaku. Rozloženie náboja, lokálna teplota nástroja, odvetrávanie, povrchová úprava dutiny, správanie sa pri vytvrdzovaní a tuhosť nástroja môžu prispieť.
In-mold povlak (IMC) môže byť tiež začlenený, keď aplikácia vyžaduje zlepšenú natierateľnosť alebo kvalitu povrchu. Jeho bod vstrekovania, postupnosť otvárania formy, tlak, množstvo povlaku a načasovanie musia byť navrhnuté do celého formovacieho cyklu a nie pridané ako dodatočný nápad.
To je dôvod, prečo by sa forma SMC, hydraulický lis, vykurovací systém a špecifikácia materiálu mali v ideálnom prípade posudzovať spoločne počas vývoja projektu.
Vybudovanie stabilného okna procesu lisovania SMC
Úspešné lisovanie SMC nie je dosiahnuté maximalizáciou jedného parametra.
Väčší tlak nevytvára automaticky lepšiu súčiastku. Vyššia teplota formy automaticky nezvyšuje produktivitu. Rýchlejšie zatváranie nemusí vždy skrátiť skutočný cyklus.
Cieľom je vytvoriť opakovateľné okno procesu, v ktorom:
umiestnenie náplne riadi tok → rýchlosť lisu riadi pohyb materiálu → tlak dokončuje vyplnenie dutiny → teplota riadi viskozitu a reakciu → doba vytvrdzovania vytvára dostatočnú pevnosť dielu → dizajn formy riadi konečnú geometriu a kvalitu povrchu.
Pred výberom lisu na tvarovanie SMC by preto výrobcovia mali poskytnúť dodávateľovi zariadenia projektovanú plochu komponentu, rozmery, materiálový systém, očakávaný tlak v dutine, rozmery formy, cieľový čas cyklu, spôsob ohrevu, požiadavky na rýchlosť zatvárania, požiadavku na vákuum a akékoľvek požiadavky na proces IMC.
Wuxi PengdaHZ Intelligent Equipment Co., Ltd. vyvíja servokompozitné hydraulické lisy pre SMC a iné kompozitné lisovacie procesy. V prípade nového projektu SMC môžu výrobcovia použiť kontrolný zoznam parametrov procesu, požiadať o hodnotenie tonáže a teploty lisovania alebo poskytnúť informácie o diele a forme na predbežné posúdenie procesu lisovania.
FAQ
Aká tonáž hydraulického lisu je potrebná na lisovanie SMC?
Vypočítajte projektovanú plochu výlisku a vynásobte ju požadovaným tlakom v dutine. Pre palcové jednotky:
Tonáž = projektovaná plocha (v²) × tlak (psi) ÷ 2 000.
Potom pridajte primeranú inžiniersku maržu. Požiadavka na konečný tlak by mala pochádzať od dodávateľa materiálu SMC, konštrukcie formy a lisovacích skúšok, a nie od použitia jednej pevnej hodnoty psi pre každú časť.
Aký teplotný rozsah formy a spôsob ohrevu sú najlepšie pre diely SMC?
Mnoho konvenčných systémov SMC sa spracováva okolo 140 až 160 °C , ale počiatočnú nastavenú hodnotu by mala určiť špecifikácia spracovania výrobcu materiálu. Bežným riešením je elektrické vykurovanie a tepelné olejové vykurovanie. Rovnomernosť teploty vo forme je zvyčajne dôležitejšia ako jednoduchý výber najvyššieho vykurovacieho výkonu.
Ako vypočítate čas vytvrdzovania SMC a vyhnete sa nedostatočným vytvrdzovaniu alebo exotermickým defektom?
Začnite s údajmi o teplote a vytvrdzovaní odporúčanými dodávateľom SMC a potom ich overte podľa skutočnej hrúbky dielu, teploty formy, živicového systému a požiadavky na demontáž. Hrubé časti môžu vyžadovať nižšie teploty a dlhšie doby vytvrdzovania, aby sa obmedzila nadmerná vnútorná exotermia.
Aký je správny vzor nabíjania SMC a pomer pokrytia pre jednotnú hrúbku dielu?
Univerzálne percento neexistuje. Náplň by mala obsahovať správnu hmotnosť a mala by byť umiestnená tak, aby sa dali dosiahnuť požadované prietokové vzdialenosti bez nadmerného pohybu vlákna, zvarových línií alebo oddeľovania živice/vlákna. Komplexné časti by sa mali optimalizovať pomocou simulácie toku a skúšok tvarovania.
Aké funkcie dizajnu formy pomáhajú predchádzať problémom s povrchovou úpravou SMC a variáciám hrúbky?
Medzi dôležité vlastnosti patria presné rozmery uzavretého nástroja, vhodné strižné hrany, efektívne odvetrávanie, riadený ťah, vyvážené vyhadzovanie, rovnomerné ohrevné zóny, vhodné prechody rebier, kompenzácia zmršťovania a dostatočná tuhosť formy.
Ako ovplyvňuje rýchlosť zatvárania formy a stupňovitý tlak prietok SMC, orientáciu vlákien a defekty?
Rýchly prístup znižuje čas cyklu nečinnosti, zatiaľ čo riadené pomalé zatváranie po kontakte s materiálom určuje, ako rýchlo sa náboj šíri. Príliš agresívny tok môže zmeniť orientáciu vlákna a distribúciu materiálu. Programovateľné stupne rýchlosti a tlaku umožňujú úpravu procesu podľa plnenia dutiny namiesto okamžitého použitia plnej sily.
Zlepšuje lisovanie SMC pomocou vákua kvalitu povrchu a znižuje pórovitosť?
Môže. Odsávanie zachyteného vzduchu pred konečným stlačením môže znížiť vzduchom podmienené dutiny a zlepšiť konzistenciu formovania, najmä v prípade veľkých komponentov alebo komponentov citlivých na vzhľad. Vákuum však nemôže kompenzovať zlé umiestnenie náplne, nedostatočné odvetrávanie formy, nesprávny stav materiálu alebo nevhodné tlakovo-teplotné okno.
