满足大批量、低成本和高质量需求的全自动LFT-D模压生产线

作者:文/福建海源自动化机械股份有限公司 蒋鼎丰 文章来源:AP《汽车塑化》2013年第1期 发布时间:2013-03-18

图1  海源机械的全自动LFT-D模压生产线

由福建海源自动化机械股份有限公司开发的全自动LFT-D模压生产线具有世界领先水平,不仅实现了全自动,而且根据热塑性复合材料成型工艺的特点进行专门设计制造,满足了模压制品快速、精准、节能且可靠的工艺要求。

2012年4月,福建海源自动化机械股份有限公司(股票代码:002529,以下简称“海源机械”)成功开发出我国第一条全自动直接在线长纤维增强热塑性复合材料(LFT-D)模压生产线(如图1所示)的消息在业内不胫而走,一时间在中国复合材料行业和中国汽车行业引起了巨大的震动和反响!客户趋之若鹜,纷纷前往海源机械考察洽谈和下订单。而在此之前,我国在长纤维增强热塑性复合材料模压生产线装备方面是个空白,在世界上也仅在德国有一家企业能提供如此全自动高水平的装备。海源机械瞄准市场空白和行业制高点,攻坚克难,开发出的全自动LFT-D模压生产线之所以能取得如此轰动的效果,主要在于它不仅打破了行业的垄断,而且具有完全的自主知识产权和创新:不仅填补了我国热塑性复合材料成套自动化装备的空白,而且为中国汽车工业轻量化和热塑性复合材料汽车零部件的发展提供了有力的装备保障,满足了汽车工业对复合材料零部件大批量、低成本和高质量的市场需求。

海源机械开发的全自动LFT-D模压生产线主要的市场应用和特点如下:

应用

长纤维增强热塑性复合材料在线混合和模压成型技术(简称“LFT-D模压技术”)于20世纪末由美国CPI公司首先发明,21世纪初在欧洲得到了快速发展,被认为是一种可用于替换传统的GMT模压成型和LFT-G注射成型的新技术,因可以用较便宜的成本生产出更为坚固的大型汽车零部件而受到晴睐。但由于世界上仅德国有一家公司能够提供LFT-D成套模压生产线装备,形成了技术和价格上的垄断,造成了这项技术的推广应用有较高的前期投资成本和风险,迫使具有巨大应用市场的中国至今还处于早期的商业化推广应用阶段。海源机械全自动LFT-D模压生产线的开发成功,将大大推进我国热塑性复合材料和热塑性复合材料汽车零部件的发展,具有十分广阔的发展前景。

在汽车工业中,由于长纤维增强热塑性复合材料不仅密度低(1.1~1.4g/cm3),而且具有很好的力学性能,其拉伸强度、弹性模量、冲击韧性、耐热性和耐蠕变性能均明显优于短纤维增强的热塑性塑料,特别是其抗冲击性能高而通常被设计用于汽车的结构件和半结构件,如:前、后吸能保险杠,前端模块骨架,仪表台骨架,前、后座椅骨架,车门模块骨架,备胎仓,电池箱以及车身底部护板和隔声罩等(如图2所示)。近年来,还有些汽车的后举门内结构板和踏步板都有选用LFT-D材料制成,其应用得到了不断的创新和拓展。

除汽车工业外,LFT-D模压技术还广泛应用于机械、建筑、体育娱乐、电气电子、物流和园艺等各个工业、民用领域。

图2  LFT-D制品在汽车上的应用示意

特点

1.工艺先进

海源机械开发的全自动LFT-D模压生产线具有世界领先水平,不仅实现了全自动,而且根据热塑性复合材料成型工艺的特点进行专门设计制造,满足了模压制品快速、精准、节能且可靠的工艺要求。

(1)海源机械的全自动压机最快的运行速度可达800mm/s,可以适应各种热塑性复合材料制品的压制工艺要求。最快的全压制力形成时间可以小于0.5s,压制工艺的循环时间可以在30s之内。压机采用组合框架结构设计,经有限元分析计算,保证了机体具有良好的刚度和强度,提高了压机的工作精度。

(2)压机泵站采用泵-蓄能器复合动力,较传统压机可以节约能源达40%以上。

(3)压机引进国际先进技术,采用独特的主动平行控制系统。压制的实际运行平行偏差可以控制在0.06~0.6mm,以确保LFT-D产品具有一流的质量。

(4)采用专有的压机数据分析软件,采集信号由数据总线传递,全部生产过程由PLC或CNC控制。

(5)采用具有自主知识产权的纤维精确称量配料系统和预热系统,可以保证LFT-D配料的准确性和与树脂的浸润效果。

(6)采用专业订制的双挤出机系统和螺杆组合,以适应各种不同的塑化工艺要求和玻纤含量,达到最大的灵活性。同时,能尽可能地保证纤维在制品中少折损且分布、分散均匀,使制品具有极好的强度和刚度。

(7)采用专业订制的纤维切断机,保证按需要长度切断纤维,实际制品所含纤维长度可调,最大长度可达到50mm。

(8)LFT-D系统的转速和产出量由PLC协调控制,单股玻纤断送(5股以下)可以通过自动提高机器运行速度进行补偿,保证生产线的正常运行和连续性。

图3  海源全自动LFT-D模压生产线满足大批量工业化生产

2.降低成本

汽车工业由于轻量化和可回收的要求,越来越多地使用轻质、高强且可循环使用的热塑性复合材料来生产汽车零部件,而且通常由GMT(玻纤毡增强热塑性片材)和LFT-G(长纤维增强热塑性复合材料颗粒料)来实现。但这两种工艺均为二步法工艺,即先制成半成品(板材或粒料),再通过模压或注塑工艺制成零件,成本相对较高。为了降低成本,减少生产、转运和半成品存储的费用,LFT-D模压技术应运而生。这是一种先进的一步法生产工艺,其主要特点是,将玻璃纤维粗纱直接连续地送入聚合物熔体中,然后按需裁切压制成型。根据欧洲资料介绍,用LFT-D模压技术生产大型结构件要比GMT材料压制成型的零部件价格便宜40%~50%,比LFT-G粒料注射成型的零部件价格便宜30%~40%,这也是LFT-D模压技术在欧美得到快速发展的主要原因。海源机械开发成功全自动LFT-D模压生产线,对于受成本驱动最明显的中国汽车市场而言,无疑是个福音。

采用一步法工艺不但可使成本明显下降,提高了经济效益,还由于减少了一次加热塑化过程,使材料的热应力降至最低,可获得很好的流动特性以及一致的玻纤含量。

3.大批量

复合材料作为一种优秀的轻量化材料早已为汽车行业所认识,但为什么复合材料在中国汽车工业中推广应用得并不广泛而且中国的汽车工业也不积极呢?其中一个重要的原因是,国内实际应用的复合材料绝大多数是热固性复合材料,热固性复合材料不仅回收利用较为困难,其热固性树脂基体在成型过程中需要进行化学交联反应,需要一定的反应时间。以SMC制品为例,其成型周期约需5 min甚至更长,这对于需要大批量工业化生产的汽车工业而言,显然是不适应也不能接受的。而LFT-D模压技术是长纤维增强热塑性复合材料,热塑性树脂的聚合反应通常在复合材料成型之前已完成,模压工艺过程仅仅是一个加热熔融变形、冷却固结定型的一个物理变化过程,其成型周期一般为20~60s。海源机械开发成功的全自动LFT-D模压生产线生产效率高,其年生产能力达到60万~70万件,如采用一机双模的话,还能使产量翻番,不仅满足了汽车工业大批量生产的需要,还大大降抵了制造成本(如图3所示)。

4.灵活通用

LFT-D模压技术的另一大优点是材料可设计,充分体现了灵活、通用且自由度大的优势。LFT-D模压工艺可以满足材料配方完全适配使用的要求,材料的选择不再受半成品材料供应商的限制,纤维的种类、长短、含量和基体树脂组成均能按制品的技术要求进行自我调整,真正可以做到制品的性价比最佳。除此之外,海源机械全自动LFT-D模压生产线理论上还是一条特别的通用生产线,针对不同成型零件要求规定的使用材料,可在压模之前直接由在线确定的原材料混合配制,原材料既可以是玻璃纤维也可以是碳纤维、硼纤维、Kevlar纤维、芳纶纤维或天然植物纤维等;既可以是聚丙烯树脂也可以是聚酰胺、聚乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯硫醚或聚醚醚酮等各种热塑性树脂;各种添加剂,如色母粒料、滑石粉、碳酸钙或白垩粉等均可以添加以实现配色、影响成本和流动性等。

5.再循环

随着各国汽车工业对环保的重视和政策法规的制定,汽车生产的绿色环保也日益提上议事日程。我们知道,热塑性复合材料是可以再循环回收的环保绿色材料,对此我们毫不怀疑。海源机械全自动LFT-D模压生产线不仅生产绿色环保的制品,还提供了可进一步实现经济和环保的再循环通道。通常在生产工序中会产生废料,零部件完成寿命周期后拆卸的废料也需回收,在海源机械全自动LFT-D模压生产线上,专门设计了供LFT回料再循环利用的通道,将废料粉碎成6~10mm的粒料,通过一套附加的自动送料和计量装置再送进到双螺杆挤出机中,最大回收废料添加量可达挤出机产量的20%,而对制品的性能没有影响,真正实现了废料回收再循环,100%无废料的绿色环保生产。

结束语

全球管理咨询和市场研究公司Lucintel在其最新发布的《2012~2017全球热塑性复合材料市场机遇:趋势、预测和机遇分析》报告中预计,在今后5年中,全球热塑性复合材料市场将以4.9%的复合年均增长率增长,在2017年达到82亿美元。报告特别指出:交通运输是热塑性复合材料的最大市场,并将在预测期内推动热塑性复合材料市场的发展。Lucintel的研究还表明,热塑性复合材料在极需减轻重量、节省燃料及其他性能效益的用途中正在扩大应用,并指出:虽然受到能源费用上升的限制和更低成本材料的竞争,在中国、俄罗斯、巴西和印度这些新兴经济国家,由于汽车产量的提高和热塑性复合材料在汽车中应用的增加,热塑性复合材料有着显著的机遇。

海源机械全自动LFT-D模压生产线为中国汽车工业实现节能、减排和轻量化提供了价廉物美的成套自动化装备,期待着中国汽车工业有志于节能、减排和轻量化的汽车零部件企业和企业家能抓住热塑性复合材料零部件大发展的机遇,趁势而上。

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