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簡析LFT-D/ILC工藝

    在這種工藝中,在線配混系統(tǒng)集成在成型工藝中,在成型溫度下生產(chǎn)出均一的長纖維增強復(fù)合原絲。目前所使用的在線配混系統(tǒng),在大約500 rpm的螺桿轉(zhuǎn)速下可以達到700 kg/hr的產(chǎn)量。
    圖2是在線配混系統(tǒng)的示意圖。基體顆粒和添加劑被輸送到重量分析給料單元組合中,該單元根據(jù)部件的機械性能要求確保適度的混合。通常,著色劑、抗氧化劑、熱穩(wěn)定劑和交聯(lián)劑會提供一個合適的汽車用配方。熔融化合物通過一個薄膜模頭離開雙螺桿擠出機,直接進入配混擠出機(雙螺桿)的開口處。這是加入玻璃粗紗的地方。


    配混擠塑機
    配混機是一個共轉(zhuǎn)、交叉和自清潔的Leistritz ZSE 60/GL設(shè)備,長度/直徑(L/D)比為32。抽氣在26D(26×直徑)、真空輔助或大氣壓下發(fā)生。下部添料、部分填充的汽缸保證了大的表面和配混基體的充分排出。添加劑可以利用一個側(cè)向給料設(shè)備在14D條件下加入。沖模中熔化壓力大約是40~60巴(4~6 MPa),依賴于聚合物的融化流動指數(shù)(MFI)。
    粗紗的供應(yīng)
    為降低粗紗的相互作用,線軸被放在特別設(shè)計的粗紗架上。每一條粗紗分別通過一個特殊的塑料管引導(dǎo),避免了摩擦和靜電排斥。每條粗紗均由一個傳感器監(jiān)測。
    粗紗通過管子被加入一個預(yù)熱設(shè)備中,它們被鋪展在5根已加熱到220℃的鐵桿上。溫度不應(yīng)再高以防止?jié){料被損壞。不像其它技術(shù),聚合物預(yù)浸纖維的過程是不需要的。通過一個特別設(shè)計的界面,纖維在進入配混擠塑機時被加到聚合物薄膜頂端。
    混煉擠塑機
    雙螺桿擠塑機帶有一個高效汽缸,長度大約為13D,直徑為60毫米。汽缸將纖維切成由汽缸幾何形狀決定的長度,得到的纖維平均長度大約為20~40毫米。纖維的平均長度可通過改變螺桿設(shè)計調(diào)整。
     混煉擠塑機連續(xù)地供應(yīng)塑化原料,使這一過程產(chǎn)生玻璃纖維含量誤差大約為1%的化合物。在成型溫度,縫型模頭退出塊狀模塑原絲到一個完全自動化的傳送帶上。為提高生產(chǎn)率和產(chǎn)量,雙帶傳送系統(tǒng)得以運用。傳送帶被一個加熱通道覆蓋以防止擠出的原絲表面溫度下降。當(dāng)原絲被處理機械手抓住時,加熱通道打開。混煉擠塑機13D的長度,加上給料部件的設(shè)計,意味著壓出型材不需要進行單獨的除氣。得到的原絲有統(tǒng)一的幾何形狀,既適合手工處理也適合機械處理。
    完全自動化是實現(xiàn)大量生產(chǎn)的再現(xiàn)性和短周期的必要條件。實際應(yīng)用中,傳送帶是與針夾系統(tǒng)一起使用的,它們均集成在生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中。        
雙傳送帶
    雙傳送帶由一個短拾取傳送帶(接收來自LFT 模頭的連續(xù)原絲)、一個切割設(shè)備(將單條原絲預(yù)制品切成一定的長度),還有兩條用戶可調(diào)的供應(yīng)傳送帶(圖3)組成。切割的LFT原絲以可選擇的順序放置在這些傳動帶上。這個雙傳送帶還有一個熱外殼(通道)防止傳送帶和LFT原絲表面的不均勻冷卻。因此, LFT原絲表面硬化部件在部件中引起的插入痕跡得以避免。


    使用雙傳送帶在部件生產(chǎn)中有下列優(yōu)點:
    ◆ 循環(huán)時間縮短,幾條LFT原絲制品同步供應(yīng)、拾取、傳輸和定位的結(jié)果
    ◆ 所能達到的成型模式的高靈活度
    ◆ 通過重疊幾條LFT原絲避免了熔接縫 [-page-]
可調(diào)整的原絲模頭        
    近開發(fā)的原絲模頭的改進使得所需夾力明顯下降,部件壁厚也降低了。        
    用LFT制造壓塑部件過程中,LFT原絲的幾何形狀和成型模式對原料流動、纖維定位從而對部件翹曲都有決定性的影響。另外,所能達到的部件小厚度,還有填充模具所需的壓力、部件內(nèi)的厚度公差或?qū)е碌娜魏稳劢涌p都會受到影響。
    對于大表面積(> 0.5 m2)的極薄壓塑部件,當(dāng)壁厚減小時,厚度均勻的緊密LFT原絲幾何形狀導(dǎo)致壓力按指數(shù)升高。假如原料必須從模具中心擠出,隨著填充模具所需流動距離的增大,所需的壓力通常會增加。
    通過生成LFT原絲靈活的幾何排列,上述狀況可以避免。這種排列可以使模具中分散的材料分布產(chǎn)生優(yōu)化的模具填充。然而,當(dāng)使用普通縫型模頭時,在生產(chǎn)過程中,只可能改變LFT原絲的長度,例如,可通過控制相應(yīng)的切割設(shè)備得到不同長度的原絲。
    在GMT工藝中,幾個預(yù)制料坯堆疊在一起,幾條LFT原絲可以結(jié)合到與部件幾何形狀一致的模型中。如果必要,還可以堆疊整倍數(shù)的LFT原絲以改變模塑材料的厚度。就循環(huán)時間和必要的處理設(shè)備而言,這種組裝“模型”的方法代價是高的。
    相似的工藝也出現(xiàn)在注射成型中。這種情況下,多重層疊技術(shù)是必要的,但加工和保養(yǎng)費用甚至更高(圖4)。


    使用LFT原絲模頭,代表著LFT-D/ILC技術(shù)的一個突破(圖4)。其中,為了在需要均勻填充模具的區(qū)域積累原料,原絲的厚度是伺服液壓可調(diào)的。由Dieffenbacher公司開發(fā)的LFT原絲模頭的厚度在LFT原絲擠出過程中大大不同,使得根據(jù)部件幾何形狀生產(chǎn)的成型LFT原絲精度為0.01毫米。用可調(diào)整LFT原絲模頭進行的個試驗顯示了下列優(yōu)點:
    ◆ 避免了大表面積部件中長的流動距離;
    ◆ 相對于LFT原絲的重疊和堆疊,LFT材料可以更靈活的分布;
    ◆ 無需多重夾子,因此循環(huán)時間和成本降低了;
    ◆ 由于模具偏差和中心壓力導(dǎo)致壓力臺減小了0.3~0.4毫米,模具中幾個壓力中心(材料累積)上的壓力分布使得部件具有相同的厚度。
     所需材料質(zhì)量的調(diào)整使得填充模具所需的壓力明顯下降。同時,可以看到部件翹曲的明顯降低,特別是壁厚薄、表面積大的部件,這是纖維定向度較低的結(jié)果。就壓縮模具而言,當(dāng)壓力保持不變時,這將為在單一壓力行程中使用多腔模塑工藝生產(chǎn)大表面積部件或更多部件提供機會。使用常規(guī)壓力系統(tǒng),部件厚度可降低到1.5毫米。
    作為例子,圖5顯示了一個車身面板的擠壓成型所需的較低壓力。用于研究的是聚丙烯(Dow 型號Inspire C705-44NA HP)和玻璃纖維(Vetrotex型號 P319)。纖維含量設(shè)定為20~30%(重量比)。LFT原絲在LFT原絲模頭中的溫度為240℃,部件的有效表面積大約為1平米,填充部件所需的小壓力用來計算如圖所示的特定模內(nèi)壓力。


    與使用均勻原絲填充模具原本所需的壓力相比,壓力可能降低40%多。對于20%(重量)的纖維含量,有效壓力為100巴,30%(重量)的纖維含量,有效壓力為130巴。  [-page-]       
LFT壓力機設(shè)計
    對于大量生產(chǎn),使用的是15000~40000 kN夾力的新型液壓LFT 壓力機。通常使用尺寸為3600~2400毫米的壓力臺。壓力機結(jié)束運動的速度可以升至800毫米/秒。大的形成速度為80毫米/秒。壓力增加時間的特征值為0.5秒。
    上述壓力機適用于雙腔成型工藝,在車身下部防護板的生產(chǎn)中,可以在22秒的周期內(nèi)成型兩個部件。這包括壓力機的關(guān)閉(包括工作沖程控制和壓力增加,4~5秒),冷卻時間(大約8秒),壓力機的打開(包括壓力降低和開啟運動控制,4~5秒),還有壓力機的裝載和卸載(大約6秒)。這一連貫的模具關(guān)閉運動由一個平行運動系統(tǒng)支持。
質(zhì)量控制
    PC生產(chǎn)線控制單元實現(xiàn)了單一集中終端的所有工藝部件工藝參數(shù)的快速、準確和簡便控制。對于汽車部件的生產(chǎn)來說,LFT設(shè)備的生產(chǎn)者必須保證可靠部件的生產(chǎn)工藝,包括工藝數(shù)據(jù)的獲取和評估系統(tǒng),每個部件的工藝數(shù)據(jù)存儲也必須加以考慮。
    根據(jù)這些要求,一個完整控制概念得以開發(fā),包括LFT-D/ILC設(shè)備內(nèi)所有部件的管理。工藝參數(shù)的評估基于一個用戶友好的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),它是工藝參數(shù)統(tǒng)計評估(SPC)的基礎(chǔ)。通過確定工藝性能參數(shù),還可以觀察到生產(chǎn)工藝的長期行為。為確保再現(xiàn)性,下面的參數(shù)對統(tǒng)計質(zhì)量控制是很重要的:
    ◆ 各批一致性(粗紗監(jiān)測、原料溫度、融化壓力、螺桿轉(zhuǎn)速和扭矩)
    ◆ 原絲幾何形狀及其在傳送帶上的位置(傳送帶速率、原絲長度和厚度、原絲的定位、機械手處理時間、周期)
    ◆ 部件幾何形狀(成品部件厚度、母模到公模的距離)、壓力控制的轉(zhuǎn)折點÷壓力增加,壓力機的關(guān)閉速度。
    關(guān)鍵工藝參數(shù)的確定在每個不同的工藝單元進行。部件厚度的均勻性、LFT 原絲定位區(qū)域和原料數(shù)量還有流動特征、粘度信息都可由這些參數(shù)確定和計算。再現(xiàn)性可由公模在一個形成過程的自由位置來控制。全面的參數(shù)評估和記錄由在線設(shè)備提供,這些設(shè)備確保了部件生產(chǎn)過程中的高再現(xiàn)性。
    LFT特性
    圖6是在線配混和壓縮成型的前端模具與LFT-GMT制造的模具之間的特性數(shù)據(jù)比較。兩種材料都含有40%(重量)的玻璃纖維。材料的試驗值是由部件上切割下來的測試樣品產(chǎn)生的。
    在線配混材料的特性比LFT工業(yè)原絲較為有利。例如,LFT-GMT材料,其沖擊性能、彎曲強度和E-模量都優(yōu)于工業(yè)原絲。因此,LFT-D和LFT-D/ILC材料正在許多應(yīng)用中取代LFT-GMT和LFT-G。特別是能量吸收特征,例如抗沖擊性明顯高于長和短纖維增強的注塑部件。這有助于解釋長纖維化合物在半結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)應(yīng)用的擠壓成型工藝中取得的成功。

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