簡析LFT-D/ILC工藝

    在這種工藝中,在線配混系統集成在成型工藝中,在成型溫度下生產出均一的長纖維增強復合原絲。目前所使用的在線配混系統,在大約500 rpm的螺桿轉速下可以達到700 kg/hr的產量。
    圖2是在線配混系統的示意圖?;w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、熱穩定劑和交聯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、交叉和自清潔的Leistritz ZSE 60/GL設備,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向給料設備在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(MFI)。
    粗紗的供應
    為降低粗紗的相互作用,線軸被放在特別設計的粗紗架上。每一條粗紗分別通過一個特殊的塑料管引導,避免了摩擦和靜電排斥。每條粗紗均由一個傳感器監測。
    粗紗通過管子被加入一個預熱設備中,它們被鋪展在5根已加熱到220℃的鐵桿上。溫度不應再高以防止漿料被損壞。不像其它技術,聚合物預浸纖維的過程是不需要的。通過一個特別設計的界面,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計調整。
     混煉擠塑機連續地供應塑化原料,使這一過程產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。為提高生產率和產量,雙帶傳送系統得以運用。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。當原絲被處理機械手抓住時,加熱通道打開?;鞜挃D塑機13D的長度,加上給料部件的設計,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。
    完全自動化是實現大量生產的再現性和短周期的必要條件。實際應用中,傳送帶是與針夾系統一起使用的,它們均集成在生產線控制系統中。        
雙傳送帶
    雙傳送帶由一個短拾取傳送帶(接收來自LFT 模頭的連續原絲)、一個切割設備(將單條原絲預制品切成一定的長度),還有兩條用戶可調的供應傳送帶(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中有下列優點:
    ◆ 循環時間縮短,幾條LFT原絲制品同步供應、拾取、傳輸和定位的結果
    ◆ 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-]
可調整的原絲模頭        
    近開發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、部件內的厚度公差或導致的任何熔接縫都會受到影響。
    對于大表面積(> 0.5 m2)的極薄壓塑部件,當壁厚減小時,厚度均勻的緊密LFT原絲幾何形狀導致壓力按指數升高。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生優化的模具填充。然而,當使用普通縫型模頭時,在生產過程中,只可能改變LFT原絲的長度,例如,可通過控制相應的切割設備得到不同長度的原絲。
    在GMT工藝中,幾個預制料坯堆疊在一起,幾條LFT原絲可以結合到與部件幾何形狀一致的模型中。如果必要,還可以堆疊整倍數的LFT原絲以改變模塑材料的厚度。就循環時間和必要的處理設備而言,這種組裝“模型”的方法代價是高的。
    相似的工藝也出現在注射成型中。這種情況下,多重層疊技術是必要的,但加工和保養費用甚至更高(圖4)。


    使用LFT原絲模頭,代表著LFT-D/ILC技術的一個突破(圖4)。其中,為了在需要均勻填充模具的區域積累原料,原絲的厚度是伺服液壓可調的。由Dieffenbacher公司開發的LFT原絲模頭的厚度在LFT原絲擠出過程中大大不同,使得根據部件幾何形狀生產的成型LFT原絲精度為0.01毫米。用可調整LFT原絲模頭進行的個試驗顯示了下列優點:
    ◆ 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,因此循環時間和成本降低了;
    ◆ 由于模具偏差和中心壓力導致壓力臺減小了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。
     所需材料質量的調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果。就壓縮模具而言,當壓力保持不變時,這將為在單一壓力行程中使用多腔模塑工藝生產大表面積部件或更多部件提供機會。使用常規壓力系統,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壓力機設計
    對于大量生產,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中,可以在22秒的周期內成型兩個部件。這包括壓力機的關閉(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)。這一連貫的模具關閉運動由一個平行運動系統支持。
質量控制
    PC生產線控制單元實現了單一集中終端的所有工藝部件工藝參數的快速、準確和簡便控制。對于汽車部件的生產來說,LFT設備的生產者必須保證可靠部件的生產工藝,包括工藝數據的獲取和評估系統,每個部件的工藝數據存儲也必須加以考慮。
    根據這些要求,一個完整控制概念得以開發,包括LFT-D/ILC設備內所有部件的管理。工藝參數的評估基于一個用戶友好的數據分析系統,它是工藝參數統計評估(SPC)的基礎。通過確定工藝性能參數,還可以觀察到生產工藝的長期行為。為確保再現性,下面的參數對統計質量控制是很重要的:
    ◆ 各批一致性(粗紗監測、原料溫度、融化壓力、螺桿轉速和扭矩)
    ◆ 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)、壓力控制的轉折點÷壓力增加,壓力機的關閉速度。
    關鍵工藝參數的確定在每個不同的工藝單元進行。部件厚度的均勻性、LFT 原絲定位區域和原料數量還有流動特征、粘度信息都可由這些參數確定和計算。再現性可由公模在一個形成過程的自由位置來控制。全面的參數評估和記錄由在線設備提供,這些設備確保了部件生產過程中的高再現性。
    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據比較。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生的。
    在線配混材料的特性比LFT工業原絲較為有利。例如,LFT-GMT材料,其沖擊性能、彎曲強度和E-模量都優于工業原絲。因此,LFT-D和LFT-D/ILC材料正在許多應用中取代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構和結構應用的擠壓成型工藝中取得的成功。