Применение композитных материалов LFT (длинноволокнистый термопластик) в штампах для компрессионного формования

LFT, как тип высокоэффективного-композитного материала, имеет основное преимущество: длина волокна обычно составляет более 5 миллиметров. По сравнению с материалами, армированными короткими-волокнами, и термореактивными материалами, он обеспечивает превосходные механические свойства, возможность вторичной переработки и гибкость формования. Процесс компрессионного формования с его характеристиками работы в закрытой форме, точно контролируемым давлением и высокой стабильностью при серийном производстве стал основным инструментом крупномасштабного-применения материалов LFT. Совместная адаптация этих двух технологий позволила сформировать зрелые прикладные системы во многих областях, таких как автомобили, новая энергетика и бытовая техника, обеспечивая основную поддержку облегченной и экологичной модернизации продуктов.

 

I. Основа совместимости материалов LFT и процесса компрессионного формования.

 

Эффективная совместимость инструментов LFT и компрессионного формования обусловлена ​​глубоким соответствием свойств материала и принципов процесса. На уровне материалов компания LFT в основном использует полипропилен (ПП) и полиамид (ПА) в качестве основных матричных смол в сочетании с армирующими волокнами, такими как стекловолокно и углеродное волокно, и перерабатывает их в длинные, полосовые или блочные заготовки-формы посредством специального процесса пропитки. Эти преформы демонстрируют превосходную текучесть при нагревании, что позволяет им полностью заполнять полость формы под давлением процесса компрессионного формования. Более того, потеря длины волокна находится в контролируемом диапазоне -, процесс компрессионного формования может поддерживать среднюю длину волокна в конечном продукте на уровне 4-20 миллиметров, значительно превосходя в этом отношении литьевое формование. Это эффективно максимизирует армирующий эффект длинных волокон, тем самым значительно повышая ударопрочность, сопротивление ползучести и термостойкость изделий.

 

На технологическом уровне формование LFT в основном состоит из двух технических маршрутов: LFT-G (формование гранул) и LFT-D (прямое онлайн-формование), оба из которых можно эффективно адаптировать к формовочным штампам. Среди них LFT-G использует в качестве сырья гранулы длиной 12-25 миллиметров, причем гранулы около 25 миллиметров больше подходят для компрессионного формования. После нагрева, пластификации и давления в форме длина волокна изделия может стабильно поддерживаться на уровне 3,2-6,4 миллиметра. LFT-D, с другой стороны, объединяет онлайн-компаундирование, пропитку волокон, экструзию преформ и формование в единый процесс, исключая стадию обработки полуфабрикатов. Длину волокна можно гибко регулировать до 10-50 миллиметров, а содержание волокна, формулу смолы и соотношение добавок можно точно регулировать в соответствии с конкретными требованиями пресс-формы. Он может удовлетворить требования к формованию пресс-форм сложной конструкции, а цикл формования можно сократить до 60 секунд, что значительно повышает эффективность крупномасштабного производства.

 

По сравнению с традиционными материалами, такими как металлы, SMC (листовой формовочный компаунд) и GMT (термопласт, армированный стекловолокном), изделия, полученные компрессионным формованием LFT (длинноволокнистый термопластик), имеют значительные преимущества в балансе стоимости и производительности: по сравнению с металлами инвестиции в формы и технологическое оборудование ниже, эффект снижения веса изделий может достигать более 30%, а общая прочность компонентов высока, что может сократить последующие процессы сборки; по сравнению с SMC, процесс компрессионного формования LFT не имеет запаха и не-токсичен, отходы можно перерабатывать и использовать повторно, скорость формования в несколько раз выше, а прочность и ударная вязкость изделий лучше; По сравнению с GMT сырье LFT имеет лучшую текучесть, может адаптироваться к более сложным полостям пресс-формы, а стоимость материала ниже, в то время как основные характеристики в основном такие же.

 

 

II. Основные конструктивные особенности матриц для компрессионного формования LFT

 

Характеристики текучести материалов LFT и требования к удержанию волокон предъявляют особые требования к конструкции, контролю температуры и выхлопной системе пресс-форм. Рациональность конструкции напрямую влияет на качество продукции и стабильность производства.

 

1. Конструктивный дизайн пресс-формы

Конструкция полости должна полностью адаптироваться к схеме течения преформ LFT, используя структуру градиентного желоба, чтобы избежать острых углов и узких щелей, которые могут вызвать агломерацию или поломку волокон. При этом расположение и количество литников следует оптимизировать исходя из сложности изделия, чтобы обеспечить равномерное заполнение полости. Для процессов LFT-D размер полости формы должен точно соответствовать характеристикам преформ, экструдируемых онлайн, чтобы сократить отходы материала при резке и повысить коэффициент использования материала до более чем 95 %. Кроме того, разделительная поверхность формы должна быть спроектирована с высокоточной герметизацией-, чтобы предотвратить перелив расплава во время нагрева, обеспечивая точность размеров изделий, особенно для компонентов в автомобильной промышленности и деталей аккумуляторных батарей, где контроль допусков является строгим.

 

2. Конструкция контроля температуры и давления.

Пресс-форма должна быть оборудована системой зонального контроля температуры, устанавливающей соответствующие температурные параметры на основе характеристик матричной смолы LFT: температура компрессионного формования для LFT на основе ПП-обычно контролируется на уровне 180-220 градусов, тогда как для LFT на основе PA из-за более высоких требований к термостойкости температура должна быть увеличена до 200-240 градусов, чтобы обеспечить полную пластификацию заготовки и предотвратить термическое повреждение волокон. Что касается контроля давления, форма должна выдерживать базовое давление экструзии 4-6 МПа и давление компрессионного формования 5-15 МПа. Скорость нагрузки давлением должна точно контролироваться с помощью гидравлической системы, чтобы предотвратить разрыв волокна из-за чрезмерного давления, обеспечивая при этом плотность продукта и сохраняя уровень производственных дефектов ниже 1%.

 

3. Конструкция выхлопа и демонтажа

При прессовании LFT выделяется небольшое количество летучих веществ, а в полости остается остаточный воздух. Поэтому форма должна иметь выпускные каналы в критических местах, таких как разделительная поверхность и конец желоба, с точным контролем ширины и глубины каналов, чтобы облегчить быстрый выход воздуха и летучих веществ, одновременно предотвращая утечку расплава. Система извлечения из формы должна иметь многоточечную однородную структуру выброса, чтобы избежать неравномерного воздействия на продукт во время выброса, что может привести к деформации или отслаиванию волокон. Кроме того, на поверхность полости формы можно нанести обработку, препятствующую-прилипанию, чтобы улучшить плавность извлечения из формы и снизить нагрузку на последующие процессы обрезки.

 

Автомобильная передняя рама

 

III. Основные сценарии применения LFT в матрицах для компрессионного формования

 

1. Автомобильная промышленность: основное решение для легких конструктивных элементов

Автомобильная промышленность является наиболее развитой областью применения технологии компрессионного формования LFT. Благодаря тенденции снижения веса и экологическим нормам ELV, изделия LFT, полученные компрессионным формованием, широко заменили металлы и термореактивные материалы при массовом производстве конструкционных и полу-конструкционных компонентов. В таких компонентах, как передние-модули, балки бамперов и рамы приборной панели, изделия LFT-G, полученные прессованием, доминируют благодаря их ценовым преимуществам и стабильности формования. Например, передняя-рама Volkswagen Golf V изготовлена ​​с использованием компрессионного формования LFT-D, что обеспечивает баланс между прочностью конструкции и легким весом.

 

В области транспортных средств на новых источниках энергии формование LFT является основной вспомогательной технологией. Торцевые пластины аккумуляторного блока NIO ET5 изготовлены из армированного длинным стекловолокном материала PA6 LFT, который формируется посредством LFT-D в-линейных формовочных формах. Сохранение длины волокна достигает 35 мм, а прочность на растяжение может достигать 180 МПа. Цикл формования занимает всего 90 секунд, что позволяет снизить вес на 35 % по сравнению с традиционными торцевыми пластинами из алюминиевого сплава. В то же время он обладает отличными изоляционными характеристиками, что позволяет эффективно избежать риска короткого замыкания аккумулятора. Продольные балки шасси, защитные пластины аккумуляторной батареи и т. д. обеспечивают единство защиты от ударов камней, коррозионной стойкости и легкости за счет оптимизации конструкции формовочной формы со сроком службы до 10 лет или 200 000 километров. Кроме того, каркас сиденья, отсек для запасного колеса и другие детали изготовлены по технологии литья LFT, которая позволяет добиться комплексного формования сложных конструкций с помощью пресс-форм, сокращая количество деталей и снижая затраты на сборку.

 

2. Индустрия бытовой техники: путь модернизации высокопроизводительных-компонентов

В области бытовой техники технология формования LFT в основном используется для решения проблем недостаточной прочности и ограниченного срока службы традиционных материалов, особенно для компонентов стиральных машин и кондиционеров, к которым предъявляются требования по -несущей нагрузке и вибрации. Известный-производитель стиральных машин использует материал LFT-G PP-LGF 50% для формования компонента барабана через формовочную форму. За счет оптимизации параметров температуры и давления пресс-формы механические свойства изделия улучшаются на 30–40 %, что значительно повышает износостойкость и вибростойкость детали. На данный момент партиями нанесено более 2000 тонн материалов. Кроме того, формованные изделия LFT используются для кронштейнов наружных кондиционеров, конструктивных деталей, несущих нагрузку -холодильников, и т. д., что позволяет снизить вес, одновременно повышая устойчивость к погодным условиям и срок службы, отвечая требованиям использования на открытом воздухе и в сложных условиях работы.

 

3. Другие области: приложения для расширения-на основе сценариев

В области строительной техники формованные изделия LFT используются для изготовления защитных пластин, рабочих платформ и т. д. За счет оптимизации пресс-формы достигается конструкция конструкции, устойчивая к ударам и коррозии. По сравнению с металлическими деталями они легче и имеют меньшую стоимость. В строительной сфере формованные изделия LFT используются благодаря своей атмосферостойкости и изоляционным свойствам, из них формуются декоративные панели, несущие-несущие кронштейны и т. д. с помощью специальных форм, подходящих для длительного-сценарного использования на открытом воздухе. В области новой энергетики технология формования LFT также используется для фотоэлектрических кронштейнов, корпусов оборудования для хранения энергии и т. д., достигая унификации легкого веса и изоляционных характеристик в соответствии с тенденцией развития экологически чистой энергетики.

 

  

Лоток для аккумуляторной батареи LFT на новой энергии

 

IV. Основные преимущества и технические проблемы применения формования LFT

 

1. Основные преимущества приложения

В дополнение к преимуществам в производительности и стоимости, упомянутым ранее, применение формования LFT также имеет значительную экологическую ценность и преимущества серийного производства. Термопластичные материалы LFT могут быть переработаны, а производственные отходы и отходы могут быть повторно -использованы для формования после дробления и гранулирования, при этом степень сохранения механических свойств превышает 85 %, что соответствует политике развития экономики замкнутого цикла. Формовочные формы LFT для формования в закрытых формах не содержат выбросов летучих органических соединений, что эффективно улучшает производственную среду. В то же время цикл формования сокращается более чем на 60 % по сравнению с процессами ручной укладки-при низком уровне дефектов, что полностью соответствует требованиям крупномасштабного-массового производства. Кроме того, формулы материалов LFT обладают высокой гибкостью, и благодаря совместной оптимизации форм и формул материалов можно достичь индивидуальных функций продукта, таких как добавление антипиренов, УФ-стабилизаторов и т. д., для удовлетворения особых потребностей различных сценариев.

 

2. Существующие технические проблемы

Хотя применение формования LFT стало относительно зрелым, оно все еще сталкивается с некоторыми техническими узкими местами: во-первых, трудно контролировать равномерность распределения волокон. Неправильная конструкция канала формы может привести к агломерации или неравномерной ориентации волокон, что повлияет на стабильность характеристик продукта. Во-вторых, формование изделий сложной структуры затруднено. Для деталей с глубокой полостью и тонкостенными-}стенками необходимо точно контролировать температурное поле формы и поле давления, чтобы избежать недостаточного заполнения заготовки или чрезмерного обрыва волокон. В-третьих, технологическая адаптация форм недостаточна. Высокоточные-литьевые формы LFT-D требуют высоких первоначальных инвестиций, что оказывает определенное влияние на экономическую эффективность мелко- и среднесерийного производства.

 

Лоток LFT

 

V. Тенденции применения и направления развития. В будущем применение LFT в пресс-формах для прессования будет постепенно совершенствоваться по трем основным направлениям: «высокая производительность, высокая эффективность и низкая стоимость».

 

На уровне материалов будет постепенно продвигаться композитное применение LFT, армированного углеродным волокном, и высокоэффективной смоляной матрицы. В сочетании с разработкой специальных пресс-форм для компрессионного формования удельная прочность изделий будет еще больше повышена, а область применения будет расширена до-высокотехнологичных областей, таких как аэрокосмическая промышленность. На уровне процесса технология LFT-D будет продолжать оптимизироваться. Благодаря интеллектуальному взаимодействию между пресс-формой и системой онлайн-экструзии можно добиться точного-контроля параметров формования в режиме реального времени, сокращая цикл формования и улучшая степень удержания волокна. На уровне пресс-форм применение интегрированных пресс-форм, технологий быстрой замены пресс-форм и оптимизированного моделирования-проектирования будет становиться все более распространенным. Благодаря моделированию, позволяющему прогнозировать траекторию потока заготовки и состояние распределения волокон, можно заранее оптимизировать структуру пресс-формы, сокращая стоимость и цикл испытаний пресс-формы.

 

Между тем, с постоянным ужесточением политики защиты окружающей среды и повышением требований к легкости в различных отраслях, технология формования LFT ускорит свое применение в новых областях, таких как компоненты железнодорожного транспорта и корпуса медицинского оборудования. Совместные инновации в области форм и материалов станут основной движущей силой преодоления границ применения, способствуя трансформации приложений формования LFT из «замещающей» технологии в «ведущую».