Процесс формования SMC: требования к прессу, пресс-форме, давлению и температуре

Компрессионное формование Sheet Molding Compound (SMC) снаружи выглядит просто: поместите подготовленную шихту в нагретую форму, закройте гидравлический пресс, приложите давление, вулканизируйте материал и извлеките готовую деталь. Однако в производстве стабильное формование SMC зависит от гораздо более узкого технологического окна.

Вес и размещение загрузки влияют на поток материала. Скорость закрытия пресса влияет на движение волокна и захваченный воздух. Температура пресс-формы контролирует вязкость и отверждение смолы. Давление определяет правильность заполнения ребер, выступов, кромок и больших поверхностей. Затем при проектировании пресс-формы определяется, будет ли формованная деталь сохранять постоянную толщину, точность размеров и качество поверхности.

Поэтому для производителей автомобильных кузовных панелей, крышек аккумуляторных батарей, электрических корпусов, строительных компонентов и других деталей из стеклопластика параметры пресса, пресс-формы, материала и процесса должны рассматриваться как одна система, а не четыре отдельные переменные.

Обработка материалов SMC, размещение загрузки и последовательность компрессионного формования

Обработка SMC начинается еще до того, как материал попадает в пресс.

Коммерческий SMC обычно поставляется в виде созревшего листа между пленками-носителями. Температура хранения, условия созревания, состав смолы и инструкции поставщика определяют, как следует обращаться с материалом. Если используется охлажденный материал, перед формованием ему обычно следует дать достичь заданных условий обработки. Непосредственная обработка холодного материала может изменить вязкость и характеристики текучести, а также создать проблемы, связанные с конденсацией.

Требуемый вес заряда можно оценить по формуле:

Вес загрузки = готовый формованный объем × заданная плотность материала, припуск на процесс

На производстве расчет следует проверить путем пробного формования, поскольку на фактическую потребность в загрузке влияют заусенцы, вставки, местные ребра и распределение материала.

Покрытие сборов не менее важно. Исследования компрессионного формования SMC показывают, что начальное покрытие листа может существенно различаться в зависимости от геометрии и требуемого расстояния потока материала. Экспериментальные исследования показали, что начальное покрытие заряда значительно ниже полного покрытия полости, в то время как современные исследования отмечают, что процессы SMC могут использовать примерно от 20% до 100% конечной площади детали в зависимости от применения.

Меньший след заряда требует, чтобы материал перемещался дальше во время закрытия. Это может помочь заполнить сложную геометрию, но чрезмерный поток может увеличить переориентацию волокон, разделение смолы и волокон, чувствительность линии сварки и локальные изменения свойств. Исследования подтверждают, что поток сжатия может существенно изменить архитектуру локального волокна.

Типичная последовательность формования такова:

1. Приведите SMC к заданному состоянию обработки.
2. Удалите несущую пленку и вырежьте необходимый рисунок заряда.
3. Взвесьте и уложите загрузку.
4. Расположите его в соответствии с утвержденной картой загрузки.
5. Быстро закройте пресс бесконтактным ходом.
6. Уменьшите скорость закрытия, поскольку материал начинает сжиматься и течь.
7. Создайте давление формования в соответствии с запрограммированным профилем.
8. Удерживайте давление, пока термореактивная смола затвердевает.
9. Откройте форму после достаточного отверждения.
10. Извлеките компонент и проверьте заусенец, заливку, размеры и состояние поверхности.

Поэтому геометрию загрузки следует рассматривать как параметр процесса, а не просто как удобный способ размещения материала в форме.

Тоннаж гидравлического пресса, скорость закрытия и этапы приложения давления

Одной из наиболее распространенных ошибок при выборе пресса SMC является выбор тоннажа только на основе веса детали.

Требуемая сила прессы в первую очередь связана с предполагаемая площадь формования и необходимое давление в полости :

Требуемая сила = проектируемая площадь × давление формования.

Для дюймовых расчетов:

Тоннаж пресса ≈ проектируемая площадь (дюйм²) × давление формования (фунт на квадратный дюйм) ÷ 2000

Дополнительный инженерный запас обычно включается для изменения процесса, конфигурации пресс-формы, площади вспышки и будущих производственных требований.

Общие ссылки на компрессионное формование указывают на давление формования термореактивного материала вокруг 1000–2500 фунтов на квадратный дюйм на формованной поверхности , в то время как в другой литературе по SMC сообщается о давлении формования примерно 3–20 МПа в зависимости от рецептуры и условий обработки. Эти цифры следует рассматривать как начальные диапазоны, а не как универсальные спецификации SMC.

Например, для компонента с проектируемой площадью 2000 квадратных дюймов, отлитого под давлением 1500 фунтов на квадратный дюйм, теоретически требуется:

2000 × 1500 ÷ 2000 = 1500 тонн

Требуемая машина может быть больше после применения соответствующего запаса безопасности и технологического процесса.

Скорость жима так же важна, как и максимальная сила.

Сервогидравлический пресс SMC может использовать поэтапный профиль движения:

Быстрый подход → контролируемый контакт с материалом → медленное закрытие формовки → наращивание давления → удержание давления

Быстрый подход сокращает непроизводительное время цикла. Как только верхний инструмент контактирует с зарядом, плунжер замедляется, поэтому SMC может проходить через ребра, углы и большие поверхности без неконтролируемого смещения.

Скорость закрытия влияет на историю давления, поведение при наполнении и ориентацию волокон, поэтому ее следует программировать, а не рассматривать как фиксированную скорость машины. Исследования обработки SMC определяют скорость закрытия формы, температуру формы и условия загрузки как ключевые переменные, определяющие поток материала.

Именно здесь гидравлические прессы с сервоуправлением могут оказаться практически полезными. Платформа композитного пресса Wuxi PengdaHZ использует замкнутый контур управления давлением, скоростью и перемещением, что позволяет программировать различные этапы движения и давления для цикла формования.

Вакуумное формование может быть добавлено там, где важны наличие захваченного воздуха, пористость или высокие требования к поверхности. Форма вакуумируется на соответствующем этапе закрытия до того, как будет установлено полное давление формования.

Методы нагрева пресс-формы, изменение температуры и контроль однородности

SMC является термореактивным материалом, поэтому форма должна обеспечить достаточное количество тепла для первоначального снижения вязкости компаунда, а затем инициировать и завершить реакцию сшивки смолы.

Обычно упоминаемый диапазон температур пресс-формы SMC составляет примерно 140–160 °С (284–320 °F) , хотя правильная настройка зависит от системы смолы, пакета инициатора, толщины детали, геометрии и требований к поверхности. Опубликованные ссылки на обработку SMC аналогичным образом сообщают о температурах формования в этом общем диапазоне.

Обычно рассматриваются три метода нагрева.

Метод нагрева	Основные характеристики	Типичное рассмотрение
Электрический картридж/нагреватель	Простой монтаж и независимое зонирование	Требуется хорошее распределение нагревателя.
Термальное масло	Хорошая теплоотдача и управляемость	Требуется нагреватель, насос, трубопроводы и масляный контур.
Steam	Быстрая передача тепла в подходящих инструментах	Требуется паровая инфраструктура и контроль конденсата.

Однако номинальная уставка рассказывает лишь часть истории.

Показание пресс-формы при температуре 150°C на одном датчике все еще может содержать области, работающие существенно более горячими или более холодными. Разница температур в полости может изменить местную вязкость и скорость отверждения, что приведет к неравномерной усадке, разнице в блеске, короблению, преждевременному отверждению или неполному заполнению.

Поэтому большие формы SMC следует разделить на практические зоны нагрева, при этом термопары должны быть расположены так, чтобы представлять критические области полости, а не только контур нагревателя.

Перед началом производства инструмент должен достичь не только целевой температуры, но и тепловое равновесие . Производство не должно начинаться просто потому, что один контроллер достигает заданного значения.

Тот же принцип применим к верхней и нижней половинам формы. Их разницу температур следует сознательно контролировать. В некоторых специализированных процессах намеренно используются разные верхняя и нижняя температуры, но неконтролируемый дисбаланс может привести к дифференцированному отверждению и искажению размеров.

Для толстых секций или сложных путей потока может быть предпочтительнее более низкая температура формы в сочетании с более длительным периодом отверждения. В руководстве по обработке композитов особо отмечается, что толстые секции SMC обычно выигрывают от более низкой температуры и более длительного отверждения для получения более равномерной реакции по сечению.

Оптимизация времени отверждения, вязкости, текучести и окна процесса

Не существует универсального ответа, например: «Для отверждения SMC требуется 90 секунд».

Требуемое время отверждения зависит от:

• химия смол и инициаторов;
• температура формы;
• толщина компонента;
• температура заряда;
• содержание наполнителя и клетчатки;
• локальные толстые разрезы;
• требуемая прочность на распалубку;
• геометрия детали; и
• экзотермическое поведение состава.

В опубликованной литературе по компрессионному формованию сообщается о циклах поддержания давления в диапазоне примерно 1–4 минуты для некоторых процессов SMC, но его следует рассматривать только как эталонный диапазон.

Важным моментом является то, что вязкость SMC не остается постоянной в течение цикла формования.

После контакта заряда с горячим инструментом вязкость первоначально достигает состояния, при котором материал может течь под давлением. Соединение распространяется по полости, в то время как волокна вращаются и выравниваются по потоку. Поскольку температура продолжает повышаться и реакция отверждения ускоряется, вязкость быстро возрастает до тех пор, пока течение фактически не прекратится.

Таким образом, полезное окно обработки существует между:

достаточное размягчение для заполнения формы и чрезмерное отверждение, которое предотвращает дальнейшее течение .

Если форма слишком горячая или закрытие происходит слишком медленно, смола может начать отверждаться до того, как заполнятся длинные пути потока. Если температура слишком низкая, полость может заполниться, но отверждение может занять слишком много времени или остаться незавершенным.

Типичные симптомы дают полезные подсказки:

Дефект	Возможные причины процесса
Недоотверждение	Низкая температура формы, недостаточное время выдержки
Неполное заполнение	Низкое давление, преждевременное отверждение, неудачное расположение заправки.
Блистер/пузырь	Захваченный газ, влага, недостаточная вентиляция
Ожог/местное чрезмерное лечение	Чрезмерная местная температура или длительное воздействие
Коробление	Неравномерная температура формы, градиент отверждения, ориентация волокон
Линия сварки	Схема заряда и противоположные фронты потока
Богатая смолой территория	Чрезмерный поток или отделение волокна от смолы.

Поэтому оптимизация процесса должна изменять одну контролируемую переменную за раз и записывать фактические данные о давлении, положении, температуре и цикле, а не полагаться только на наблюдение оператора.

Требования к конструкции пресс-формы для контроля толщины и качества поверхности

Даже гидравлический пресс с высокой повторяемостью не может компенсировать неподходящую форму SMC.

Конструкция инструмента напрямую влияет на текучесть, вентиляцию, образование заусенцев, повторяемость размеров и внешний вид поверхности.

Сдвиг кромок помогают контролировать материал, когда инструмент достигает конечного положения закрытия, и способствуют контролю за засветкой.

Вентиляционные отверстия должен позволять вытесняемому воздуху и летучим газам выходить без неприемлемой потери смолы. Плохая вентиляция может способствовать скоплению газа, неполным поверхностям, ожогам и пористости.

Углы уклона должно обеспечивать надежный выпуск без повреждения текстурированных поверхностей или поверхностей класса А.

Размещение эжектора должен распределять силу удаления в достаточной степени, чтобы предотвратить локальную деформацию еще горячей отформованной детали.

Толщина во многом определяется геометрией закрытой формы. Поэтому конструкцию ребер, бобышек, вставок и переходов следует рассматривать вместе с поведением потока SMC. Большие резкие изменения толщины среза могут вызвать локальное отверждение, усадку и проблемы с поверхностью.

Производители инструментов также должны компенсировать ожидаемую усадку выбранного состава SMC, а не применять один общий коэффициент усадки для каждого соединения.

Для высококачественных видимых компонентов такие проблемы с поверхностью, как точечные отверстия, вмятины, волнистость и неровный блеск, не всегда можно устранить простым увеличением давления пресса. Расположение загрузки, локальная температура инструмента, вентиляция, обработка полости, поведение при отверждении и жесткость инструмента — все это может способствовать.

Покрытие в форме (IMC) также может быть использовано, когда применение требует улучшения окрашиваемости или качества поверхности. Точка впрыска, последовательность открытия формы, давление, количество покрытия и время должны быть включены в полный цикл формования, а не добавляться в последнюю очередь.

Вот почему пресс-форма SMC, гидравлический пресс, система нагрева и характеристики материалов в идеале должны оцениваться вместе во время разработки проекта.

Создание стабильного окна процесса формования SMC

Успешное компрессионное формование SMC не достигается за счет максимизации какого-либо отдельного параметра.

Большее давление не приводит автоматически к получению лучшей детали. Более высокая температура пресс-формы не приводит к автоматическому увеличению производительности. Более быстрое закрытие не всегда сокращает реальный цикл.

Целью является создание повторяемого окна процесса, в котором:

размещение загрузки контролирует поток → скорость пресса контролирует движение материала → давление завершает заполнение полости → температура контролирует вязкость и реакцию → время отверждения обеспечивает достаточную прочность детали → конструкция формы контролирует конечную геометрию и качество поверхности.

Поэтому перед выбором формовочного пресса SMC производители должны предоставить поставщику оборудования прогнозируемую площадь компонента, размеры, систему материалов, ожидаемое давление в полости, размеры формы, целевое время цикла, метод нагрева, требования к скорости закрытия, требования к вакууму и любые требования к процессу IMC.

Компания Wuxi PengdaHZ Intelligent Equipment Co., Ltd. разрабатывает композитные гидравлические прессы с сервоприводом для SMC и других процессов компрессионного формования композитов. Для нового проекта SMC производители могут использовать контрольный список параметров процесса, запросить оценку веса пресса и контроля температуры или предоставить информацию о деталях и пресс-формах для предварительной оценки процесса формования.

Часто задаваемые вопросы

Какой тоннаж гидравлического пресса необходим для компрессионного формования SMC?

Рассчитайте проектируемую площадь формования и умножьте ее на необходимое давление в полости. Для дюймовых единиц:

Тоннаж = проектируемая площадь (²²) × давление (psi) ÷ 2000.

Затем добавьте соответствующий инженерный запас. Окончательное требование к давлению должно исходить от поставщика материала SMC, конструкции пресс-формы и результатов испытаний, а не использовать одно фиксированное значение фунта на квадратный дюйм для каждой детали.

Какой диапазон температур пресс-формы и метод нагрева лучше всего подходят для деталей из SMC?

Многие традиционные системы SMC обрабатываются вокруг 140–160°С , но исходная уставка должна определяться в спецификациях обработки производителя материала. Электрическое отопление и термомасляное отопление являются распространенными решениями. Равномерность температуры по всей форме обычно более важна, чем просто выбор максимальной мощности нагрева.

Как рассчитать время отверждения SMC и избежать недостаточного отверждения или экзотермических дефектов?

Начните с рекомендованных поставщиком SMC данных о температуре и отверждении, а затем проверьте их в соответствии с фактической толщиной детали, температурой формы, системой смолы и требованиями к извлечению из формы. Толстые секции могут потребовать более низких температур и более длительного периода отверждения, чтобы ограничить чрезмерную внутреннюю экзотермию.

Какова правильная схема заряда SMC и коэффициент покрытия для обеспечения одинаковой толщины детали?

Универсального процента не существует. Загрузка должна содержать правильную массу и располагаться так, чтобы можно было достичь требуемых расстояний потока без чрезмерного перемещения волокон, линий сварки или разделения смолы/волокон. Сложные детали следует оптимизировать посредством моделирования течения и испытаний при формовании.

Какие особенности конструкции пресс-формы помогают предотвратить проблемы с качеством поверхности SMC и изменение толщины?

Важные характеристики включают точные размеры закрытого инструмента, подходящие кромки сдвига, эффективную вентиляцию, контролируемую тягу, сбалансированный выброс, равномерные зоны нагрева, соответствующие переходы ребер, компенсацию усадки и достаточную жесткость формы.

Как скорость закрытия формы и поэтапное давление влияют на поток SMC, ориентацию волокон и дефекты?

Быстрый подход сокращает время простоя, а контролируемое медленное закрытие после контакта с материалом определяет, насколько быстро распространяется заряд. Чрезмерно агрессивный поток может изменить ориентацию волокон и распределение материала. Программируемые ступени скорости и давления позволяют регулировать процесс в соответствии с заполнением полости, а не сразу применять полную силу.

Улучшает ли компрессионное формование SMC в вакууме качество поверхности и уменьшает пористость?

Он может. Удаление захваченного воздуха перед окончательным сжатием может уменьшить количество пустот, связанных с воздухом, и улучшить стабильность формования, особенно для крупных компонентов или компонентов, чувствительных к внешнему виду. Однако вакуум не может компенсировать неправильное размещение загрузки, недостаточную вентиляцию формы, неправильное состояние материала или неподходящий диапазон давления и температуры.