在新的模压成型工艺中结合热塑性连续带材与D-LFT(第二部分)

作者:CompositesWorld PEGGY MALNATI(本刊编译) 文章来源:PT塑料网 发布时间:2019-11-19
为实现承重地板的快速、低成本生产,一种新的一步法模压成型子工艺被开发出来,同时还采用了一种用于快速加热和固结热塑性带材的新技术。

一项由德国联邦教育与研究部门监督、名为“为电动汽车的应用而系统地集成多材料体系的轻量化设计”(简称“SMiLE”)的为期多年的公共资助项目,通过组合复合材料与有色金属,降低了电池电动汽车整个白车身结构的重量和成本。

其中,后地板模块的设计,采用了两种类型的热塑性复合材料以及金属型材和嵌件。

为实现该承重地板的快速、低成本生产,一种新的一步法模压成型子工艺被开发出来,同时还采用了一种用于快速加热和固结热塑性带材的新技术。

辐射诱导的真空固结技术

弗劳恩霍夫技术
辐射诱导的真空固结是由弗劳恩霍夫ICT在SMiLE项目之前开发的一项技术,它被用于将UD带铺放的叠层固结成用于后承重地板的订制拼接的层压板。此后,迪芬巴赫在Fibercon机器上实现了这项技术的商业化(图片来自弗劳恩霍夫ICT)

为保证最终部件成型的可再现性以及获得高的力学性能,一个重要的工艺步骤是带固结。

成型前,通过对热塑性的带叠层进行快速加热,可以消除层内和层间的孔隙,从而实现优良的固结/纤维浸渍。

为防止影响生产速度,这一过程与自动铺放热塑性带叠层(采用迪芬巴赫的Fiberforge RELAY带铺放设备)的速度以及模压机的成型周期(采用一台3600t的迪芬巴赫Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS模压机来成型后承重地板)相匹配。

在SMiLE项目之前,弗劳恩霍夫ICT就已开发了一种创新工艺,名为“辐射诱导的真空固结技术”,用于将UD带叠层快速固结成用于生产热塑性后承重地板的层压板。

此后,迪芬巴赫在Fibercon机器上实现了该技术的商业化。

该工艺旨在修复带材中的浸渍缺陷,从而允许使用更低成本的带材,并最大程度地减少最终部件中的孔隙。

这涉及将大量的红外热应用到铺放叠层的顶部和底部(通过透明的红外玻璃板传热,铺放好的叠层被放于其上),同时使整个叠层保持真空状态。

这样,可以去除空气、让树脂流动起来,同时填充带中以及带之间的孔隙。

加热仅需较短的时间,带层即彼此粘接在一起,并快速固结以免叠层移位。

这项工艺也可用于将叠层快速、均匀地固结成高性能的完全一致的层压板,以使成型具有可再现性且易于仿真,并确保最终部件获得高的力学性能。

另一个问题是,在将固结的层压板送入压机的过程中,如何保证热量不散失以确保良好的成型性,以此避免在成型前浪费能源重新加热层压板。

一旦固结,在将已融合的层压板从机器中取出之前,对其快速加热,然后快速送到成型压机中。

最后的工序

ICT
为了实施顺序成型工艺,以在压机闭合前,为承重地板预成型“带-层压板”的壳体,有必要制造一副拥有6个可置换型腔(采用4个滑块)的模具。这些滑块按顺序启动来成型层压板,包括沿部件纵轴(上和下)的深波纹(图片来自弗劳恩霍夫ICT)

用于生产后承重地板的最后工序发生在4台设备上,其中的3台在此生产单元中同时运行。

首先,利用仿真确定的取向,通过Fiberforge RELAY带铺放系统自动铺放带叠层。

一个索引表,使得在叠层的每一层上铺放任意取向的带材变得极为简单。

每一层上的单层带,通过点焊即与下一层轻轻地粘接在一起,与此同时,通过真空将底层固定在位。

由于带材是针对每一层的每一片应用而单独裁切,因而最大程度地减少了废料及模后修边。

该系统还可以在固结前通过修整带边缘,在叠层中铺放孔/窗,以减少模后修边,从而进一步减少了废料并降低了成本。

接着,将铺放好的叠层从Fiberforge RELAY机器移送到Fibercon机器中,并放于该加工单元的玻璃板之间。

该加工单元闭合时,在叠层上方抽真空,红外热投射到上、下板上,仅需一小段时间,即将PA6基体材料快速加热到其熔点以上(大约230℃),以使树脂流动并去除孔隙。

然后,将层压板冷却到树脂的结晶温度以下(大约180℃),以使每个带层固结成为一个单独的层压结构。

现在,模压机打开,它刚刚顶出之前成型的部件,顶杆留在外部。

在等待下一轮材料到达时,研究人员手动将两个铝型材和几个金属嵌件放入模具的上部/芯部。

仍然热的层压板在Fibercon机器中再次被加热到PA6的熔点以上,然后打开该加工单元,将层压板转移到打开的模压机中。

由于空气的导热性比钢差,因此将层压板放到模具型腔侧完全伸出的顶出杆上,这有助于在D-LFT 坯料到达前,保持层压板的热量。

在对带材进行铺放和固结的同时,附近的两台挤出机(迪芬巴赫的在线配混机系统)正在配混D-LFT材料。第一台挤出机混合树脂和添加剂,第二台挤出机将纤维切成所需的长度,然后将树脂/添加剂与纤维混合在一起,生产出完全混合的、预称重的热D-LFT坯料,接着,将D-LFT坯料送到模压机中。

对于承重地板而言,当顶出杆收回、层压板下降到模具中时,将两个D-LFT坯料放到层压板上。

随着较热的D-LFT坯料被放到较冷的层压板上,4个滑块依次展开,以在整个模具完全闭合前对层压板进行成型,此时压机开始闭合。

滑块的顺序应用,防止了拥有三维特征的层压板起皱,包括波纹的成型。

上模闭合后,这种带材层压板完全成型,热的D-LFT坯料在1430t的压力下被成型为带肋的格子结构。

当压机打开后,完全集成金属嵌件的完整部件即被顶出。

在生产环境中,所有的材料操作都由配有针式夹持器的龙门机器人完成,但在SMiLE研究项目中,这些是由手工完成的。

对于该研究项目,整个成型周期是240s,因为成型承重地板的厚肋减缓了成型速度。但研究人员们确信,通过对模具作进一步的改进,他们可能使生产环境下的成型周期低于100s。如果层压板在被放入压机前就已得到预成型,他们甚至可以使成型周期更短。

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