Ce este SMC în producție? Materiale, turnare prin compresie, proiectare și aplicare

Compusul de turnare a foilor, cunoscut în mod obișnuit ca SMC, este utilizat pe scară largă în industria auto, electrică, transport, infrastructură și producție industrială. Valoarea sa provine nu numai din proprietățile compozitului în sine, ci și din capacitatea de a forma prin comprimare piese mari, complexe și foarte integrate în cicluri de producție repetabile.

Ce este SMC și din ce este făcut?

SMC este un compus de turnare termorigid, preimpregnat, armat cu fibre, furnizat sub formă de foaie. Materialul este produs în mod normal prin combinarea rășinii lichide, armăturii tăiate, umpluturi minerale și aditivi de procesare între peliculele purtătoare. După o perioadă de maturare controlată, materialul dezvoltă vâscozitatea necesară pentru manipulare și turnare prin compresie.

Cea mai comună matrice este rășină poliesterică nesaturată , în special pentru aplicații generale industriale și auto. Sistemele de esteri vinilici pot fi utilizate acolo unde este necesară o rezistență chimică mai mare sau o rezistență îmbunătățită, în timp ce sistemele fenolice și alte sisteme termorigide de specialitate sunt selectate pentru aplicații care necesită caracteristici specifice de căldură, fum sau flacără.

Întărirea este de obicei din fibră de sticlă E tocată. SMC comercial standard conține frecvent aproximativ 20–35% fibră de sticlă în greutate, în timp ce gradele structurale pot utiliza niveluri de armare substanțial mai mari. SMC din fibră de carbon este disponibil și pentru structuri ușoare de înaltă performanță, deși costul materialului său este semnificativ mai mare.

Umpluturile și aditivii sunt la fel de importanți. Carbonatul de calciu poate fi utilizat pentru a controla costurile și reologia, trihidratul de aluminiu poate contribui la formulările ignifuge, iar aditivii cu profil redus ajută la reducerea contracției de turnare și la îmbunătățirea calității suprafeței vopsite. Pigmentii, catalizatorii, agenții de eliberare a mucegaiului și agenții de îngroșare influențează, de asemenea, modul în care compusul curge și se întărește.

Proprietăți tipice ale materialului SMC

Proprietățile SMC variază foarte mult în funcție de chimia rășinii, conținutul de fibre, orientarea fibrelor, încărcarea umpluturii și condițiile de turnare. Prin urmare, următoarele valori sunt tratate cel mai bine ca intervale de inginerie tipice mai degrabă decât specificații universale.

Conținutul mai mare de fibre îmbunătățește, în general, rigiditatea și rezistența, dar poate, de asemenea, îngreuna curgerea compusului în pereți subțiri, nervuri adânci sau regiuni cu cavități lungi. Prin urmare, selecția materialului trebuie să fie echilibrată performanța mecanică, modelabilitatea, finisarea suprafeței, presiunea de prelucrare și costul materialului.

Cum funcționează turnarea prin compresie SMC

SMC este cel mai frecvent prelucrat folosind matrițe de compresie încălzite cu metal combinat instalate într-o presă de turnare hidraulică. Spre deosebire de turnarea prin injecție convențională, materialul nu intră în mod normal printr-un sistem de rulare și poartă. În schimb, bucățile cântărite de SMC sunt plasate direct în matrița deschisă ca o încărcare atent proiectată.

Parametri tipici de turnare SMC

Aceste valori oferă o fereastră de pornire utilă, dar rețeta finală de producție trebuie dezvoltată folosind recomandările de procesare ale furnizorului SMC selectat și validată prin teste de turnare.

Închiderea prea rapidă după contact poate mișca fibrele în mod agresiv, poate capta aerul și poate genera flash excesiv. Închiderea prea încet poate permite rășinii să înceapă întărirea înainte ca nervurile sau colțurile îndepărtate să fie complet umplute. Prin urmare, presele SMC moderne au nevoie de un control precis al ambelor poziţia şi presiunea pe tot parcursul ciclului de închidere.

Cerințe pentru proiectarea matrițelor SMC și presa hidraulică

Presa și matrița trebuie considerate ca un singur sistem. Selectarea unei prese SMC numai după tonaj nominal nu este suficientă deoarece dimensiunile platanului, lumina naturală, cursa, rigiditatea structurală, paralelismul, viteza de închidere și aranjamentul de încălzire pot fi la fel de importante.

Calcularea tonajului de presă necesar

Un calcul de bază al forței de presare începe cu aria de turnare proiectată și presiunea de turnare necesară.

De exemplu, dacă aria proiectată a părții este de 2.000 cm² și procesul necesită 10 MPa de presiune de turnare, forța teoretică este de aproximativ 2.000 kN, care este de aproximativ 204 tone metrice-forță.

Presa de producție ar trebui să includă în mod normal o marjă de inginerie adecvată pentru a ține cont de variația procesului, încărcarea matriței, limitarea fulgerului, distribuția sarcinii și optimizarea viitoare.

Apăsați specificații care ar trebui verificate

• Dimensiuni platan: amprenta mucegaiului ar trebui să fie susținută adecvat.
• Lumina zilei: este nevoie de o deschidere suficientă pentru matriță, sistemul de ejectare și echipamentul de manipulare a pieselor.
• Accident vascular cerebral: presa trebuie să atingă pozițiile necesare de încărcare, închidere și ejectare.
• Paralelismul platanului: important pentru matrițe mari și componente cu control strict al grosimii.
• Control de închidere la viteză mică: necesare pentru debitul controlat SMC.
• Precizia presiunii: îmbunătățește repetabilitatea în timpul etapei de întărire.
• Controlul încălzirii: temperatura stabilă a matriței reduce curgerea neuniformă și întărirea.
• Depozitarea rețetei: util atunci când o singură presă produce mai multe componente SMC.
• Interfata de automatizare: important pentru încărcarea, descărcarea robotică și producția de volum mare.

Priorități de proiectare a matriței

Proiectarea matriței SMC ar trebui să înceapă cu modelul de încărcare și calea de curgere așteptate. Obiectivul este de a umple întreaga cavitate înainte de a se produce o întărire excesivă, evitând în același timp mișcarea inutilă a fibrelor.

Aerisirea trebuie să fie amplasată în apropierea regiunilor de umplere finală așteptate, astfel încât aerul prins să poată scăpa fără pierderi excesive de rășină sau fibre. Terenurile și marginile de forfecare trebuie să controleze materialul la linia de despărțire, în timp ce circuitele de încălzire trebuie să mențină o temperatură a suprafeței destul de uniformă pe matriță.

Coastele adânci, bosurile și cavitățile înguste merită o atenție deosebită. Dacă aceste caracteristici se află la capătul unei căi lungi de curgere, materialul se poate gelifica înainte de a se umple complet. De asemenea, inserțiile trebuie să fie amplasate suficient de sigur pentru a rezista mișcării pe măsură ce presiunea presării crește și SMC curge în jurul lor.

Testări mecanice, termice și electrice

Scopul testării calității SMC nu este doar acela de a confirma că compusul îndeplinește o fișă de date a furnizorului. Echipele de producție trebuie să verifice dacă piesa turnată reală satisface specificațiile de inginerie ale clientului.

Testele obișnuite de calificare includ testarea la tracțiune conform ASTM D638 sau ISO 527, testarea la încovoiere conform ASTM D790 sau ISO 178, testarea la impact folosind metode precum ASTM D256 sau ISO 179 și testarea la deformare la căldură conform ASTM D648 sau ISO 75.

SMC de calitate electrică poate necesita în plus rezistență dielectrică, rezistență de izolație, rezistență la arc sau alte teste electrice. ASTM D149 este de obicei referit pentru rezistența dielectrică, în timp ce ASTM D257 poate fi utilizat pentru rezistivitate de volum și suprafață.

Analiza termică, cum ar fi DSC și DMA, poate ajuta la verificarea comportamentului de întărire și a proprietăților materialelor dependente de temperatură. Părțile exterioare pot necesita, de asemenea, expunerea la UV, intemperii accelerate, condiționarea umidității sau cicluri termice.

Defecte comune SMC și cum să le depanați

Defectele SMC au de obicei mai multe cauze posibile. Prin urmare, depanarea eficientă necesită ca producătorii să revizuiască împreună materialul, matrița, temperatura și profilul presei.

Pentru piesele structurale critice, producătorii pot utiliza, de asemenea, inspecție cu ultrasunete, sisteme cu matrice fază, secționare sau alte metode de inspecție nedistructivă și distructivă pentru a căuta goluri interne sau delaminare. Sistemele de inspecție optică sunt din ce în ce mai utile pentru defecte repetitive ale suprafeței și controlul blițului.

Ghid de proiectare pentru fabricarea pieselor SMC

Un design bun SMC ar trebui să susțină atât performanța structurală, cât și fluxul de compresie previzibil. Ori de câte ori este posibil, inginerii ar trebui să evite schimbările bruște ale grosimii, secțiunile extrem de subțiri urmate imediat de nervuri adânci și mase grele izolate de material.

Grosimi nominale ale peretelui în jur 2,5–5 mm sunt comune în multe componente industriale SMC, deși atât modelele mai subțiri, cât și cele mai groase sunt posibile cu materiale și scule adecvate. Tranzițiile treptate sunt preferate acolo unde sunt necesare modificări ale grosimii.

Ciorna este necesară pentru o lansare sigură. Aproximativ 1° poate fi suficient pentru unele suprafețe netede, în timp ce geometriile mai adânci sau texturate necesită în mod normal mai mult. Colțurile interioare ascuțite ar trebui înlocuite cu raze pentru a îmbunătăți atât fluxul de material, cât și durabilitatea structurală.

Nerfurile trebuie să ofere rigiditate fără a crea o acumulare inutilă de material. Pentru suprafețele cosmetice, o bază nervură în jur de 50–75% din grosimea peretelui adiacent poate servi ca punct de plecare util, dar geometria finală ar trebui validată în raport cu sistemul SMC selectat.

Inserții și elemente de fixare

SMC poate încorpora inserții metalice turnate, caracteristici filetate și armături locale. Inserțiile ar trebui să includă caracteristici care să reziste atât la rotație, cât și la extragere, evitând în același timp concentrațiile ascuțite de solicitări în jurul compozitului.

Elementele de fixare mecanice trebuie să distribuie forța de strângere pe o zonă suficientă. Pot fi necesare șaibe, armături locale sau caracteristici turnate de împrăștiere a sarcinii în jurul șuruburilor foarte încărcate.

Adezivii structurali sunt o altă opțiune utilizată pe scară largă pentru îmbinarea SMC cu SMC, aluminiu, oțel sau materiale termoplastice selectate. Sistemele epoxidice, poliuretanice și acrilice pot fi toate potrivite în funcție de viteza de producție, temperatura de serviciu și designul îmbinării.

Deoarece SMC întărit este un termorezistent, nu poate fi pur și simplu topit și sudat în același mod ca un termoplastic convențional. Prin urmare, îmbinarea cu ultrasunete sau termică este limitată în general la ansambluri hibride special concepute sau la inserții termoplastice.

Calitatea suprafeței și finisarea clasa A

Unul dintre motivele pentru care SMC a rămas important în industria auto este capacitatea sa de a produce panouri exterioare mari cu suprafețe vopsite de înaltă calitate. Obținerea unui rezultat de clasă A depinde însă de întregul sistem de producție.

Formulările de rășină cu profil redus ajută la controlul contracției, dar lustruirea mucegaiului, uniformitatea temperaturii, fluxul de încărcare și presiunea de turnare influențează, de asemenea, citirea fibrelor și ondularea suprafeței.

Un proces tipic de finisare include:

• inspecție vizuală pentru porozitate, fibre expuse și defecte de suprafață;
• îndepărtarea imperfecțiunilor flash și marginilor;
• curățare pentru a îndepărta praful, uleiul și reziduurile de eliberare a mucegaiului;
• șlefuire localizată sau activare de suprafață, dacă este necesar;
• aplicarea unui primer compatibil SMC;
• aplicarea stratului de bază și a stratului superior;
• inspecția finală a aderenței și aspectului.

Pentru panourile auto vopsite, procesul de acoperire trebuie validat împreună cu gradul SMC, deoarece contaminarea suprafeței, porozitatea și dilatarea termică pot afecta aspectul final.

Unde este utilizat SMC în producție?

SMC este cel mai atractiv atunci când producătorii au nevoie de geometrie turnată complexă împreună cu rezistență la coroziune, izolație electrică, greutate redusă sau integrare ridicată a componentelor.

Autovehicule și vehicule cu energie nouă

Aplicațiile includ panouri exterioare, hote, capace structurale, scuturi sub caroserie, capace pentru baterii și componente de protecție electrică. În comparație cu oțelul, piesele SMC reproiectate corespunzător pot reduce greutatea, eliminând în același timp protecția împotriva coroziunii și combinând mai multe componente ștanțate sau sudate într-o singură matriță.

Echipamente electrice și de putere

Carcasele electrice, cutiile de distribuție, carcasele contoarelor, piesele de comutație și structurile izolante beneficiază de rezistența electrică și de performanța la coroziune a materialului.

Feroviar, maritim și infrastructură

SMC poate fi utilizat pentru panouri de transport, carcase de echipamente, structuri utilitare, capace de acces, componente ale sistemului de cabluri și alte părți expuse la umiditate sau condiții corozive.

HVAC și echipamente industriale

Capacele mari ale echipamentelor, carcasele ventilatoarelor și carcasele mașinii pot profita de capacitatea SMC de a integra nervuri, caracteristici de montare, boșuri și suprafețe tridimensionale complexe într-o singură componentă turnată.

Costul SMC și scalabilitatea producției

Numai prețul materiilor prime nu este o modalitate utilă de a compara SMC cu oțelul, aluminiul sau materialele termoplastice. Inginerii ar trebui să calculeze costul total de fabricație al unei piese acceptabile.

Costul materialului depinde de greutatea netă a piesei, greutatea de încărcare, pierderea de tăiere și gradul SMC. SMC structural cu înaltă sticlă, formulările ignifuge, clasele cu densitate scăzută și sistemele din fibră de carbon pot avea o economie foarte diferită.

Timpul de presare este un alt factor major. Un ciclu de 90 de secunde și un ciclu de 180 de secunde generează o producție anuală foarte diferită de la aceeași mașină de turnat. Când volumul de producție crește, automatizarea pentru manipularea materialelor, încărcarea, descărcarea și tăierea poate îmbunătăți utilizarea și poate reduce variațiile legate de operator.

Sculele ar trebui amortizate pe parcursul unei producții realiste pe durata de viață. Dacă o matriță și investiția în scule asociate costă 200.000 USD și este utilizată pentru a produce 200.000 de piese acceptabile, contribuția de bază pentru scule este de aproximativ 1,00 USD pe piesă înainte de a fi luate în considerare întreținerea și reparația.

Trebuie incluse și operațiuni secundare, cum ar fi tăierea, găurirea, vopsirea, lipirea și asamblarea. În multe aplicații industriale, unul dintre principalele avantaje ale SMC este capacitatea de a elimina unele dintre aceste procese din aval prin integrarea funcțiilor direct în componenta turnată.

Cum să selectați un furnizor de producție SMC

Un audit al furnizorului ar trebui să acopere mai mult decât tonajul presei și prețul unitar cotat. Producătorii ar trebui să examineze capacitatea furnizorului de a controla materialul, sculele, parametrii de turnare și validarea piesei finale.

Considerații privind sustenabilitatea și sfârșitul vieții SMC

SMC convențional folosește o matrice termorezistabilă reticulat. Odată întărită, rășina nu poate fi pur și simplu reîncălzită și retopită în același mod ca polipropilena, nailonul sau alt material termoplastic.

Reciclarea mecanică este o cale practică pentru unele fluxuri curate de deșeuri SMC. Deșeurile pot fi măcinate și reutilizate ca umplutură sau armătură în aplicații de compozit selectate. Tratamentul termic și piroliza pot fi, de asemenea, posibile din punct de vedere tehnic, în special acolo unde armăturile valoroase pot fi recuperate, deși economia și infrastructura locală rămân limitări importante.

Unele deșeuri compozite pot fi, de asemenea, evaluate pentru coprocesare industrială, unde atât fracțiunile organice, cât și cele minerale pot avea valoare.

Pentru unitățile de producție din SUA, cerințele de mediu depind de sistemul real de rășină și de procesul de fabricație. Producția de compozite din plastic ranforsat poate intra sub incidența normelor federale, de stat și locale aplicabile care reglementează poluanții atmosferici periculoși, constituenții volatili, acoperirile și deșeurile industriale. Prin urmare, unitățile ar trebui să evalueze conformitatea pe baza formulării și procesului SMC specific, mai degrabă decât să presupună că o singură regulă se aplică în mod identic pentru fiecare operațiune.

Întrebări frecvente