Turnarea prin compresie Sheet Molding Compound (SMC) arată simplă din exterior: plasați o încărcătură pregătită într-o matriță încălzită, închideți presa hidraulică, aplicați presiune, întăriți materialul și îndepărtați piesa finită. În producție, totuși, turnarea SMC stabilă depinde de o fereastră de proces mult mai îngustă.
Greutatea încărcării și plasarea influențează fluxul de material. Viteza de închidere a presei afectează mișcarea fibrelor și aerul prins. Temperatura matriței controlează vâscozitatea și întărirea rășinii. Presiunea determină dacă nervurile, boșurile, marginile și suprafețele mari se umplu corect. Proiectarea matriței determină apoi dacă piesa turnată menține grosimea constantă, precizia dimensională și calitatea suprafeței.
Pentru producătorii care produc panouri de caroserie, capace pentru baterii, carcase electrice, componente de construcție și alte piese FRP, presa, matrița, materialul și parametrii de proces trebuie, prin urmare, tratați ca un singur sistem, mai degrabă decât patru variabile separate.
Manipularea materialelor SMC, plasarea încărcării și secvența de turnare prin compresie
Procesarea SMC începe înainte ca materialul să ajungă la presă.
SMC comercial este furnizat în mod normal ca o foaie maturată între peliculele suport. Temperatura de depozitare, starea de maturare, formularea rășinii și instrucțiunile furnizorului determină modul în care trebuie manipulat materialul. Dacă se folosește material refrigerat, ar trebui să fie lăsat în mod normal să atingă condiția de procesare specificată înainte de turnare. Procesarea directă a materialului rece poate modifica vâscozitatea și comportamentul curgerii și poate crea probleme legate de condens.
Greutatea de încărcare necesară poate fi estimată din:
Greutatea încărcăturii = volumul turnat finit × densitatea materialului țintă alocată procesului
În producție, calculul trebuie verificat prin turnare de probă, deoarece fulgerul, inserțiile, nervurile locale și distribuția materialului afectează cerințele reale de încărcare.
Acoperirea taxelor este la fel de importantă. Cercetările privind turnarea prin compresie SMC arată că acoperirea inițială a foii poate varia substanțial în funcție de geometrie și de distanța necesară de curgere a materialului. Studiile experimentale au evaluat acoperirea inițială a încărcăturii cu mult sub acoperirea totală a cavității, în timp ce cercetările moderne notează că procesele SMC pot folosi aproximativ 20% până la 100% din suprafața finală a piesei, în funcție de aplicație.
O amprentă de încărcare mai mică necesită ca materialul să se deplaseze mai departe în timpul închiderii. Acest lucru poate ajuta la umplerea geometriei complexe, dar debitul excesiv poate crește reorientarea fibrelor, separarea rășină/fibră, sensibilitatea liniei de sudură și variația proprietăților locale. Cercetările confirmă că fluxul de compresie poate modifica semnificativ arhitectura locală a fibrelor.
O secvență tipică de turnare este:
- Aduceți SMC la condiția de procesare specificată.
- Îndepărtați foliile de transport și tăiați modelul de încărcare necesar.
- Cântăriți și stivuiți încărcătura.
- Poziționați-l conform hărții de încărcare validate.
- Închideți presa rapid prin cursa fără contact.
- Reduceți viteza de închidere pe măsură ce materialul începe să se comprime și să curgă.
- Construiți presiunea de turnare în funcție de profilul programat.
- Țineți presiunea în timp ce rășina termostabilită se întărește.
- Deschideți matrița după o întărire suficientă.
- Scoateți componenta și verificați blițul, umplerea, dimensiunile și starea suprafeței.
Prin urmare, geometria încărcării ar trebui considerată un parametru de proces - nu doar o modalitate convenabilă de a încadra materialul în matriță.
Tonajul presei hidraulice, viteza de închidere și etapele de aplicare a presiunii
Una dintre cele mai frecvente greșeli de selecție a presei SMC este alegerea tonajului doar din greutatea părții.
Forța de apăsare necesară este legată în primul rând de zona de turnare proiectată și presiunea necesară în cavitate :
Forța necesară = aria proiectată × presiunea de turnare
Pentru calcule bazate pe inci:
Tonajul presei ≈ aria proiectată (in²) × presiunea de turnare (psi) ÷ 2.000
În mod normal, este inclusă o marjă suplimentară de inginerie pentru variația procesului, configurația matriței, zona de fulgere și cerințele viitoare de producție.
Referințele generale de turnare prin compresie plasează presiunea de turnare termostabilită în jur 1.000–2.500 psi pe suprafața turnată , în timp ce altă literatură SMC raportează presiuni de turnare de aproximativ 3–20 MPa în funcţie de condiţiile de formulare şi prelucrare. Aceste numere ar trebui tratate ca intervale de pornire mai degrabă decât ca specificații SMC universale.
De exemplu, o componentă cu o suprafață proiectată de 2.000 in² turnată la 1.500 psi necesită teoretic:
2.000 × 1.500 ÷ 2.000 = 1.500 tone
Mașina necesară ar putea fi mai mare după aplicarea marjei corespunzătoare de siguranță și proces.
Viteza de presare este la fel de importantă ca și forța maximă.
O presă servo hidraulică SMC poate utiliza un profil de mișcare în etape:
Apropiere rapidă → contact controlat al materialului → închidere lentă a turnării → creșterea presiunii → menținerea presiunii
Abordarea rapidă reduce timpul de ciclu neproductiv. Odată ce instrumentul superior intră în contact cu sarcina, berbecul încetinește, astfel încât SMC să poată curge prin nervuri, colțuri și suprafețe mari fără deplasare necontrolată.
Viteza de închidere influențează istoricul presiunii, comportamentul de umplere și orientarea fibrelor, motiv pentru care ar trebui să fie programabilă și nu tratată ca o viteză fixă a mașinii. Cercetările privind procesarea SMC identifică viteza de închidere a matriței, temperatura matriței și condițiile de încărcare ca variabile cheie care guvernează fluxul de material.
De asemenea, aici presele hidraulice servocontrolate oferă valoare practică. Platforma de presă compozită Wuxi PengdaHZ utilizează controlul în buclă închisă al presiunii, vitezei și deplasării, permițând programarea diferitelor etape de mișcare și presiune pentru ciclul de turnare.
Turnarea asistată prin vid poate fi adăugată acolo unde aerul captat, porozitatea sau cerințele exigente ale suprafeței sunt importante. Matrița este evacuată în timpul unei etape adecvate de închidere înainte de stabilirea presiunii de turnare completă.
Metode de încălzire a matriței, rampe de temperatură și control al uniformității
SMC este un material termorigid, astfel încât matrița trebuie să furnizeze suficientă căldură pentru a reduce inițial vâscozitatea compusului și apoi să inițieze și să finalizeze reacția de reticulare a rășinii.
O regiune de temperatură a matriței SMC la care se face referire în mod obișnuit este de aproximativ 140–160°C (284–320°F) , deși setarea corectă depinde de sistemul de rășină, pachetul de inițiator, grosimea piesei, geometria și cerințele de suprafață. Referințele de procesare SMC publicate raportează în mod similar temperaturile de turnare în această regiune generală.
Trei metode de încălzire sunt de obicei luate în considerare.
| Metoda de încălzire | Principalele caracteristici | Consideratie tipica |
|---|---|---|
| Cartuș/încălzitor electric | Instalare simplă și zonare independentă | Necesită o bună distribuție a încălzitorului |
| Ulei termic | Transfer de căldură bun și controlabilitate | Necesită încălzitor, pompă, conducte și circuit de ulei |
| Abur | Transfer rapid de căldură în scule adecvate | Necesită infrastructură de abur și controlul condensului |
Valoarea nominală, totuși, spune doar o parte a poveștii.
O matriță care indică 150°C la un senzor poate conține încă regiuni care funcționează substanțial mai calde sau mai reci. Diferențele de temperatură în cavitate pot modifica vâscozitatea locală și rata de întărire, ducând la contracție neuniformă, diferențe de luciu, deformare, întărire prematură sau umplere incompletă.
Prin urmare, matrițele mari SMC ar trebui împărțite în zone practice de încălzire, cu termocupluri poziționate pentru a reprezenta regiunile critice ale cavității, mai degrabă decât doar circuitul de încălzire.
Înainte de începerea producției, unealta ar trebui să atingă nu numai temperatura țintă, ci și echilibru termic . Producția nu ar trebui să înceapă doar pentru că un controler își atinge valoarea de referință.
Același principiu se aplică jumătăților superioare și inferioare de matriță. Diferența lor de temperatură ar trebui controlată în mod deliberat. Unele procese specializate folosesc în mod intenționat temperaturi superioare și inferioare diferite, dar dezechilibrul necontrolat poate crea vindecare diferențială și distorsiuni dimensionale.
Pentru secțiuni groase sau căi de curgere dificile, poate fi de preferat o temperatură mai scăzută a matriței combinată cu o perioadă mai lungă de întărire. Ghidul de prelucrare a compozitelor notează în mod specific că secțiunile groase SMC beneficiază în general de o temperatură mai scăzută și de o întărire mai lungă pentru a obține o reacție mai uniformă prin secțiune.
Timpul de întărire, vâscozitatea, fluxul și optimizarea ferestrei de proces
Nu există un răspuns universal, cum ar fi „SMC necesită 90 de secunde pentru a se vindeca”.
Timpul de întărire necesar depinde de:
- chimia rășinii și inițiatorului;
- temperatura mucegaiului;
- grosimea componentei;
- temperatura de încărcare;
- conținut de umplutură și fibre;
- secțiuni groase locale;
- rezistența necesară la deformare;
- geometria piesei; şi
- comportamentul exotermic al formulării.
Literatura publicată de turnare prin compresie raportează cicluri de menținere a presiunii în intervalul aproximativ 1–4 minute pentru unele procese SMC, dar aceasta ar trebui tratată doar ca un interval de referință.
Punctul important este că vâscozitatea SMC nu rămâne constantă în timpul ciclului de turnare.
După ce sarcina intră în contact cu unealta fierbinte, vâscozitatea atinge inițial o condiție în care materialul poate curge sub presiune. Compusul se răspândește prin cavitate în timp ce fibrele se rotesc și se aliniază cu fluxul. Pe măsură ce temperatura continuă să crească și reacția de întărire se accelerează, vâscozitatea crește rapid până când curgerea se oprește efectiv.
Prin urmare, fereastra utilă de procesare există între:
înmuiere suficientă pentru umplerea matriței şi vindecare excesivă care împiedică curgerea ulterioară .
Dacă matrița este prea fierbinte sau închiderea este prea lentă, rășina poate începe să se întărească înainte ca căile lungi de curgere să se umple. Dacă temperatura este prea scăzută, cavitatea se poate umple, dar întărirea poate dura prea mult sau rămâne incompletă.
Simptomele tipice oferă indicii utile:
| Defect | Cauze posibile ale procesului |
|---|---|
| Sub vindecare | Temperatură scăzută a matriței, timp de reținere insuficient |
| Umplere incompletă | Presiune scăzută, întărire prematură, locație slabă de încărcare |
| Blister/bulă | Gaz prins, umiditate, aerisire insuficientă |
| Scorch/supra vindecare locală | Temperatura locală excesivă sau expunere lungă |
| Warpage | Temperatura neuniformă a matriței, gradient de întărire, orientare a fibrei |
| Linie de sudare | Model de încărcare și fronturi de flux opuse |
| Zona bogata in rasina | Debit excesiv sau separare fibre/rășină |
Prin urmare, optimizarea procesului ar trebui să modifice câte o variabilă controlată la un moment dat și să înregistreze datele reale privind presiunea, poziția, temperatura și ciclul, în loc să se bazeze doar pe observația operatorului.
Cerințe de proiectare a matriței pentru controlul grosimii și calitatea suprafeței
Chiar și o presă hidraulică foarte repetabilă nu poate compensa o matriță SMC necorespunzătoare.
Designul sculei afectează direct debitul, aerisirea, formarea fulgerului, repetabilitatea dimensională și aspectul suprafeței.
Margini de forfecare ajută la controlul materialului pe măsură ce unealta ajunge în poziția finală de închidere și contribuie la controlul blițului.
Aerisirile ar trebui să permită aerului deplasat și gazelor volatile să scape fără a crea pierderi inacceptabile de rășină. Aerisirea defectuoasă poate contribui la captarea gazului, suprafețe incomplete, arsuri și porozitate.
Unghiuri de proiectare trebuie să permită o eliberare fiabilă fără a deteriora suprafețele texturate sau de clasa A.
Amplasarea ejectorului trebuie să distribuie forța de îndepărtare suficient pentru a preveni deformarea locală a unei piese turnate încă fierbinți.
Grosimea este în mare măsură definită de geometria matriței închise. Prin urmare, designul nervurii, bosului, inserției și tranziției ar trebui luate în considerare împreună cu comportamentul fluxului SMC. Modificările bruște mari ale grosimii secțiunii pot crea întărire locală, contracție și probleme de suprafață.
Producătorii de scule trebuie, de asemenea, să compenseze contracția așteptată a formulării SMC selectate, mai degrabă decât să aplice un factor de contracție generic pentru fiecare compus.
Pentru componente vizibile de înaltă calitate, problemele de suprafață, cum ar fi găuri, urme de chiuvetă, ondulații și luciu neuniform nu pot fi întotdeauna corectate prin simpla creștere a presiunii de presare. Dispunerea încărcării, temperatura locală a sculei, aerisirea, finisarea cavității, comportamentul la întărire și rigiditatea sculei pot contribui.
Acoperirea în matriță (IMC) poate fi, de asemenea, încorporată atunci când aplicarea necesită o vopsire sau o calitate îmbunătățită a suprafeței. Punctul său de injecție, secvența de deschidere a matriței, presiunea, cantitatea de acoperire și momentul trebuie proiectate în ciclul complet de turnare, mai degrabă decât adăugate ca o idee ulterioară.
Acesta este motivul pentru care matrița SMC, presa hidraulică, sistemul de încălzire și specificațiile materialului ar trebui, în mod ideal, să fie evaluate împreună în timpul dezvoltării proiectului.
Construirea unei ferestre stabile de proces de turnare SMC
Turnarea prin compresie SMC de succes nu este obținută prin maximizarea niciunui parametru.
O presiune mai mare nu produce automat o piesă mai bună. Temperatura mai mare a matriței nu crește automat productivitatea. Închiderea mai rapidă nu scurtează întotdeauna ciclul real.
Obiectivul este de a crea o fereastră de proces repetabilă în care:
plasarea încărcăturii controlează fluxul → viteza presei controlează mișcarea materialului → presiunea completează umplerea cavității → temperatura controlează vâscozitatea și reacția → timpul de întărire dezvoltă o rezistență suficientă a piesei → designul matriței controlează geometria finală și calitatea suprafeței.
Înainte de a selecta o presă de turnare SMC, producătorii ar trebui, prin urmare, să furnizeze furnizorului de echipamente aria proiectată a componentei, dimensiunile, sistemul de material, presiunea preconizată a cavității, dimensiunile matriței, timpul țintă al ciclului, metoda de încălzire, cerințele privind viteza de închidere, cerințele de vid și orice cerințe de proces IMC.
Wuxi PengdaHZ Intelligent Equipment Co., Ltd. dezvoltă prese hidraulice servocompozite pentru SMC și alte procese de turnare prin compresie compozite. Pentru un nou proiect SMC, producătorii pot utiliza o listă de verificare a parametrilor procesului, pot solicita o evaluare a tonajului presei și a controlului temperaturii sau pot furniza informații despre piese și matrițe pentru o evaluare preliminară a procesului de turnare.
Întrebări frecvente
Ce tonaj de presa hidraulica este necesar pentru turnarea prin compresie SMC?
Calculați suprafața proiectată de turnare și înmulțiți-o cu presiunea necesară în cavitate. Pentru unitățile în inchi:
Tonajul = suprafața proiectată (in²) × presiune (psi) ÷ 2.000.
Apoi adăugați o marjă de inginerie adecvată. Cerința finală de presiune ar trebui să provină de la furnizorul de material SMC, de la proiectarea matriței și de la testele de turnare, mai degrabă decât de la utilizarea unei valori psi fixe pentru fiecare piesă.
Ce interval de temperatură a matriței și metoda de încălzire sunt cele mai bune pentru piesele SMC?
Multe sisteme SMC convenționale sunt procesate în jur 140–160°C , dar specificațiile de prelucrare ale producătorului materialului ar trebui să determine valoarea de referință inițială. Încălzirea electrică și încălzirea termică cu ulei sunt ambele soluții comune. Uniformitatea temperaturii în matriță este de obicei mai importantă decât simpla alegere a celei mai mari puteri de încălzire.
Cum se calculează timpul de întărire SMC și cum se evită defectele de subîntărire sau exotermă?
Începeți cu datele de temperatură și întărire recomandate de furnizorul SMC, apoi validați-le în funcție de grosimea reală a piesei, temperatura matriței, sistemul de rășină și cerințele de demulare. Secțiunile groase pot necesita temperaturi mai scăzute și perioade mai lungi de întărire pentru a limita exoterma internă excesivă.
Care este modelul corect de încărcare SMC și raportul de acoperire pentru grosimea uniformă a piesei?
Nu există un procent universal. Încărcarea trebuie să conțină masa corectă și să fie poziționată astfel încât distanțele necesare de curgere să fie realizabile fără mișcare excesivă a fibrelor, linii de sudură sau separare rășină/fibră. Piesele complexe ar trebui optimizate prin simularea fluxului și teste de turnare.
Ce caracteristici de proiectare a matriței ajută la prevenirea problemelor de finisare a suprafeței SMC și a variațiilor de grosime?
Caracteristicile importante includ dimensiuni precise ale sculei închise, margini de forfecare adecvate, aerisire eficientă, tiraj controlat, evacuare echilibrată, zone uniforme de încălzire, tranziții adecvate ale nervurilor, compensare a contracției și rigiditate suficientă a matriței.
Cum afectează viteza de închidere a matriței și presiunea în trepte fluxul SMC, orientarea fibrelor și defectele?
Abordarea rapidă reduce timpul ciclului inactiv, în timp ce închiderea lentă controlată după contactul materialului determină cât de rapid se răspândește încărcarea. Fluxul excesiv de agresiv poate modifica orientarea fibrelor și distribuția materialului. Etapele programabile de viteză și presiune permit ca procesul să fie ajustat în funcție de umplerea cavității, mai degrabă decât aplicarea forței complete imediat.
Modelarea prin compresie SMC asistată de vid îmbunătățește calitatea suprafeței și reduce porozitatea?
Se poate. Evacuarea aerului prins înainte de comprimarea finală poate reduce golurile legate de aer și poate îmbunătăți consistența turnării, în special pentru componentele mari sau sensibile la aspect. Cu toate acestea, vidul nu poate compensa plasarea incorectă a încărcăturii, aerisirea inadecvată a matriței, starea incorectă a materialului sau o fereastră de presiune-temperatura necorespunzătoare.
