配方生产的柔性化:D-SMC

作者:文/Composites Technology Peggy Malnati 文章来源:AP《汽车塑化》2013年第2期 发布时间:2013-05-24

基于直接在线混配技术,几家联营公司已彻底改变了片状模塑料(SMC)的生产工艺,使得从原材料到部件模塑前的材料制备,都是在一个连续的、集成化的工艺链中完成的,且整个工艺过程采用了无缝控制手段。

过去10年间,“直接”或“在线”混合工艺(简称“ILC”)已经令热塑性复合材料行业获益匪浅。直接在线工艺推动了此类材料应用的大幅度增长,特别是玻纤增强聚丙烯,从而使片状的短切玻纤毡热塑性塑料(简称“GMT”)和粒状的长纤维增强热塑性塑料(简称“LFT”)因此而受到影响,即便是后者以更耐高温的工程树脂为母料时也是同样如此。

由于用于直接LFT(简称“D-LFT”)的ILC技术已得到了持续改进,因此机器的原始设备制造商们以及研究人员们已经找到了一些方法,不仅可以组合更长的玻璃纤维,而且可以组合连续的纤维粗纱以及编好的织物,以提高材料的力学性能,从而使D-LFT可直接与高性能的织物增强GMT和传统的片状模塑料(简称“SMC”)展开竞争。树脂供应商们已经通过提供聚酰胺以及其他更耐高温的工程树脂而为D-LFT技术的快速扩张提供了支持。尽管针对热塑性塑料的创新会毫无疑问地持续下去,但目前ILC技术又一次地被应用到了热固性塑料一边,在此可能会引发一些争论:从直接混合开始,采用一种新的方法去生产SMC,以为加工商和终端用户带来特殊的收益。

自2010年6月起,一条由迪芬巴赫公司制造的全能型D-SMC试用生产线在Fraunhofer化学技术研究院投入使用。此图中,研究人员用手取出了一个用于紧凑型汽车的D-SMC后举升门的结构内壳(图片来自迪芬巴赫公司)

BMC和SMC

如果说SMC有一个“孪生兄弟”的话,那就是团状模塑料(简称“BMC”)。它们的特征非常相似:都采用热固性的基体材料,都以不饱和聚酯和乙烯基酯树脂为基体(BMC也可采用酚醛树脂为基体);都采用短切玻璃纤维进行增强,并使用了矿物填料。尤其值得一提的是,SMC拥有更高比重的玻璃纤维增强材料且硬度更高;BMC则拥有更高比重的矿物填料,因而成本更低。这两种材料都可提供良好的尺寸稳定性并且都拥有出色的抗冲击强度、广泛的抗化学性以及良好的热力学性能。此外,它们均可进行喷涂、电镀或着色处理,并可实现A级表面的质量。通常,这两种材料在成型前均已被制成半成品,而此时区别就出来了:BMC被制成团状或以柱状出现,而SMC是被制成砑光的片料,随后则被切割成特定尺寸;SMC通常采用模压成型,而BMC可采用注射、模压或转移模塑等成型方式,这些工艺均可满足中、高产量的生产需求。与铝或钢制部件相比,这两种材料均可使部件质量减轻20%~30%,而且模具成本更低。这两种材料被用于汽车和地面运输工具上(包括:汽车、皮卡和重型卡车),以及建筑、园艺/农业和器械/电气部件等领域。

在北美和欧洲,尽管大多数的SMC和BMC是从混配商那里购买而来的标准配方材料,但BMC的确为那些拥有适当设备的加工商们提供了条件,从而能够在成型前,在压机旁进行短暂的混配。ILC技术为加工商们提供了订制增强材料、填料和其他添加剂的广泛机遇,以满足特定应用对材料性能的各种要求。对于高产量应用,这种方法比购买预先混配好的材料要便宜得多。这种能够在高速生产中调整配方的能力还为加工商们节省了时间,并赋予他们更大的调控力。这些特点更便于成型商们为实现短的生产节拍而创建客户所需的混配物,并且在部件早期开发阶段,以及(或者)当用于商业化产品的数据显示出需要调整一些特性时,允许他们更快速地更改这些特性。

迪芬巴赫公司的D-SMC系统(图片来自迪芬巴赫公司)

D-SMC

现在,感谢欧洲一个联营公司卓有成效的工作,使得在一个被称作“直接SMC”(简称“D-SMC”,也叫“直接纱模塑料”)的混合工艺中,将BMC的低成本和配方灵活性优势与SMC的高力学性能优势组合在一起成为可能。由研究机构Fraunhofer化学技术研究院(简称“Fraunhofer ICT”,位于德国Pfinztal)、机器制造商迪芬巴赫公司(位于德国Eppingen)和树脂供应商帝斯曼复合材料树脂公司(位于瑞士Schaffhausen)开发的这一工艺,消除了传统SMC所需要的几天固化周期并减少了生产的延误。利用D-SMC技术,使得从原料混配到最终部件脱模之间的漫长时间间隔可被缩短到只有几分钟。

“经设计后,D-SMC成为一种连续的而非批量化的生产工艺。在该工艺过程中,原材料被混配制备成片材,经切割成规定的尺寸形状后即可直接模塑成型。” Tobias Potyra说,“基于该系统的闭环属性,有可能确保达到一个连续的高质量水平,而这对于传统SMC生产工艺则意味着巨大的挑战。”Tobias Potyra是Western大学(简称“FPC@Western”,位于伦敦和加拿大安大略湖)新的Fraunhofer 项目中心的运营经理以及Fraunhofer ICT的参与该项目的早期研究人员。

 D-SMC工艺从液体原料的混合开始,然后通过侧面喂料器秤重式地加入固体配料,接着该固体和液体的混合物被送到双螺杆挤出机中进行挤压混合。随后,该挤压料被分成两股均等的料流,并被转送到位于第二台双螺杆挤出机上方的医用箱中。在此,连续的玻璃纤维粗纱由上方被送入到一组压辊之间,然后横跨挤压料流的宽度方向进行分布。这些分布好的纤维被切断并在两层树脂/填料糊之间进行复合,在此,浸润力确保实现了高的纤维含量。这种玻璃纤维增强的挤压料以一组厚度离开胎具,并暴露于温度有所升高的微波能下以加速熟化。最后,剥掉载体薄膜,将片材切割成装模所需的形状尺寸,然后通过传送带移到压机旁。在此,一台机器人将待装片材放入模具中,然后压机闭合,部件成型(图片来自迪芬巴赫公司)

他说,该工艺可减少废料的产生,这对于降低部件成本具有积极的影响。因为不再需要几天的时间去等待材料的固化,而且避免了时间的浪费以及因储存预备料而花费的成本,加工商们在原材料的选择方面也有了更大的灵活性,并且能够实时控制配方的变化。“通过采用这种生产D-SMC的封闭加工路径,可以更好地控制苯乙烯的排放,从而更易于满足健康和安全规范要求。” Potyra补充道。

作为帝斯曼复合材料树脂公司汽车团队新的业务开发经理,Erik Reuther介绍了该团队所面临的挑战:“配制SMC通常需要多达12种原材料,因此当我们开始设计一种 “实时”的SMC工艺时,我们需要解决的问题是,如何确保对材料计量和混配的准确性和一致性。”

因此,该工艺以其现有的形式,从对液体原料的自动化计量和混配开始(如不饱和聚酯树脂、低量的添加剂和过氧化物的混合),然后通过一个侧面喂料器以秤重的方式加入固体配料(脱模剂和增稠剂,以及碳酸钙之类的填料)。该混合物随后被送入迪芬巴赫的双螺杆挤出机中,从而在挤压力的作用下,迫使液体和固体组分充分混合成为一种同质均匀的混合物。接着,该混合物被分成两股均等的料流并转送到位于直接混配机上方的医用箱中。当两股树脂糊同时从医用箱中流出时,喂入连续的玻璃纤维粗纱并对其进行切割,使其分布在上下两层树脂糊之间。为确保纤维分散的一致性,这种由树脂糊和纤维纱组成的夹层料将运行通过一个可脱气的浸渍辊,在此纤维得到充分浸润。这种得到浸渍的材料随后移动通过一个快速熟化区,在环境温度下,D-SMC的化学增稠过程仅几分钟即完成。在快速熟化区末端,D-SMC被冷却到常温,然后被直接移送到全自动数控切割台上,在此被切割成所需的上料形状,接着是铺层,以构成模压成型所需要的备料。一台机器人拾起这些备料并将它们放到模压机的开模中,之后模压机闭合模压部件。根据片料的宽度、产量和配方,从混配到模压成型,整个生产节拍仅需15min。

目前,迪芬巴赫已经开发出了其新型专用SMC直接在线设备,从而在D-SMC工艺的运行中实现了ILC的自动化操作。第一条试用的生产线已在Fraunhofer ICT运行了一年多,并生产出了多种配方的材料以及成型出了多种试样。特性描述显示,采用D-SMC工艺生产出的材料与传统的SMC非常相似,只是混合的一致性更高,这是因为与生产传统SMC的溶解工艺相比,所使用的双螺杆挤出机更加有效。

在显微镜下的观察表明,D-SMC混配料的空气含量更少,并实现了填料更加精细而一致的分散效果。目前第二条SMC直接在线生产系统也已交付给了FPC@Western,它将于2012年第三季度用于北美复合材料的开发生产。

特性描述显示,D-SMC材料与传统的SMC和BMC非常相似,只有一点除外:材料混合的一致性优于通常采用溶解工艺生产的传统SMC。显微镜下的观察结果表明,D-SMC(右边为样品)中的空气含量较少,且填料分散得非常精细、一致(图片来自Fraunhofer化学技术研究院)

“直接”带来的好处

“对于生产热固性模压复合材料部件而言,直接技术的主导思想是建立一个连续的、集成化的工艺链,从原材料到部件模塑前的材料制备,整个工艺过程采用无缝控制手段。”迪芬巴赫技术总监Matthias Graf回忆说,“从纤维增强热塑性塑料方面,我们看到了这种从预混好的粒子和GMT片料向直接加工技术方向的转变趋势。由于可以将SMC看作是LFT-D的一种热固性材料类型,因此这一想法延续了相类似的工艺流程。”尽管迪芬巴赫是D-LFT技术的发明者之一,并且销售ILC单元,而ILC单元可与该公司的大型模压机组合在一起,用于D-LFT材料的连续制备和模压成型,但Graf还是将D-SMC技术的成功归功于联营公司所有成员的努力。“我们这个团队组成代表了机器、树脂化学和研究领域中的最好技术,从而确保了D-SMC的成功。”他指出,“没有一家公司能够独自完成这些。”

凭借高度的自动化水平,连续的D-SMC工艺实现了它的“承诺”:从原料混配到模压成型,它提供了全线控制、可视化操作和文档记录功能。此外,由于取消了以往的输送和存储步骤,因而节省了可观的能源和成本;它实现了纤维浸渍的可再现性和一致性,以及A级表面质量;它允许对单个配方进行优化。显而易见,D-SMC还为增加纤维含量以满足更高的应用需求提供了机遇。基于上述这些优势,D-SMC不仅为模压复合材料提供了更大的配方设计自由度,而且还为SMC的模塑商们提供了机遇,以夺回过去10年来被D-LFT复合材料瓜分的市场份额。

有趣的是,按照帝斯曼的Reuther得出的结论:“由于GMT非常类似于SMC,因此,向诸如D-LFT这种直接工艺方向的发展,可以被看作是合乎常理的下一步工作。”如果直接GMT工艺进入议事日程,那么复合材料行业将看到另一个“游戏规则的改变者”。

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