Что такое SMC в производстве? Материалы, компрессионное формование, проектирование и применение

Листовой формовочный компаунд, широко известный как SMC, широко используется в автомобильной, электротехнической, транспортной, инфраструктурной и промышленной промышленности. Его ценность заключается не только в свойствах самого композита, но и в способности прессовать большие, сложные и высокоинтегрированные детали в повторяемых производственных циклах.

Что такое SMC и из чего он сделан?

SMC представляет собой предварительно пропитанную термореактивную формовочную массу, армированную волокном, поставляемую в виде листов. Материал обычно производится путем объединения жидкой смолы, измельченной арматуры, минеральных наполнителей и технологических добавок между пленками-носителями. После контролируемого периода созревания материал приобретает вязкость, необходимую для обработки и компрессионного формования.

Наиболее распространенной матрицей является ненасыщенная полиэфирная смола , особенно для общепромышленного и автомобильного применения. Винилэфирные системы могут использоваться там, где требуется более высокая химическая стойкость или повышенная ударная вязкость, тогда как фенольные и другие специальные термореактивные системы выбираются для применений, требующих особых характеристик тепла, дыма или пламени.

Армирование обычно представляет собой рубленое волокно из Е-стекла. Стандартный коммерческий SMC часто содержит примерно 20–35% стекловолокна по весу, в то время как для конструкционных марок могут использоваться значительно более высокие уровни армирования. SMC из углеродного волокна также доступен для высокопроизводительных легких конструкций, хотя стоимость его материала значительно выше.

Наполнители и добавки одинаково важны. Карбонат кальция можно использовать для контроля стоимости и реологии, тригидрат алюминия может способствовать созданию огнезащитных составов, а низкопрофильные добавки помогают уменьшить усадку при формовании и улучшить качество окрашенной поверхности. Пигменты, катализаторы, антиадгезивы и загустители также влияют на текучесть и отверждение состава.

Типичные свойства материала SMC

Свойства SMC широко варьируются в зависимости от химического состава смолы, содержания волокон, ориентации волокон, загрузки наполнителя и условий формования. Поэтому следующие значения лучше всего рассматривать как типичные инженерные диапазоны, а не универсальные спецификации.

Более высокое содержание волокон обычно повышает жесткость и прочность, но также может затруднить растекание компаунда в тонкие стенки, глубокие ребра или длинные полости. Поэтому выбор материала должен сбалансировать механические характеристики, формуемость, качество поверхности, давление обработки и стоимость материала.

Как работает компрессионное формование SMC

SMC чаще всего обрабатывается с использованием нагретых пресс-форм из согласованного металла, установленных в гидравлическом формовочном прессе. В отличие от обычного литья под давлением, материал обычно не поступает через систему направляющих и литников. Вместо этого взвешенные куски SMC помещаются непосредственно в открытую форму в качестве тщательно продуманной загрузки.

Типичные параметры формования SMC

Эти значения обеспечивают полезную отправную точку, но окончательный рецепт производства должен быть разработан с использованием рекомендаций выбранного поставщика SMC по обработке и подтвержден испытаниями при формовании.

Слишком быстрое закрытие после контакта может привести к агрессивному перемещению волокон, захвату воздуха и возникновению чрезмерного блеска. Слишком медленное закрытие может привести к тому, что смола начнет отверждаться до того, как отдаленные ребра или углы будут полностью заполнены. Поэтому современные прессы SMC требуют точного контроля как положение и давление на протяжении всего цикла закрытия.

Требования к проектированию пресс-форм SMC и гидравлическому прессу

Пресс и пресс-форму следует рассматривать как одну систему. Выбрать пресс SMC только по номинальному тоннажу недостаточно, поскольку одинаково важными могут быть размеры плиты, дневной свет, ход, жесткость конструкции, параллельность, скорость закрытия и расположение нагрева.

Расчет необходимого тоннажа пресса

Базовый расчет силы прессования начинается с расчетной площади формования и требуемого давления формования.

Например, если площадь проектируемой детали составляет 2000 см² и для процесса требуется давление формования 10 МПа, теоретическая сила составит примерно 2000 кН, что составляет примерно 204 метрических тонны-силы.

Производственный пресс обычно должен иметь соответствующий инженерный запас для учета изменений процесса, загрузки формы, сдерживания вспышки, распределения нагрузки и будущей оптимизации.

Характеристики пресса, которые следует проверить

• Размеры плиты: след формы должен иметь адекватную поддержку.
• Дневной свет: Для формы, системы выталкивателя и оборудования для обработки деталей необходимо достаточное отверстие.
• Инсульт: пресс должен достичь требуемых положений загрузки, закрытия и выброса.
• Параллельность плит: важно для больших форм и деталей со строгим контролем толщины.
• Управление тихоскоростным закрытием: необходимо для контролируемого потока SMC.
• Точность давления: улучшает повторяемость на этапе отверждения.
• Управление отоплением: стабильная температура формы уменьшает неравномерность текучести и отверждения.
• Хранение рецептов: полезно, когда один пресс производит несколько компонентов SMC.
• Интерфейс автоматизации: важно для роботизированной загрузки, разгрузки и крупносерийного производства.

Приоритеты проектирования пресс-форм

Проектирование пресс-формы SMC должно начинаться с ожидаемой схемы загрузки и пути потока. Цель состоит в том, чтобы заполнить всю полость до того, как произойдет чрезмерное отверждение, избегая при этом ненужного движения волокон.

Вентиляция должна располагаться вблизи ожидаемых зон окончательной заливки, чтобы захваченный воздух мог выходить без чрезмерной потери смолы или волокна. Контактные площадки и кромки среза должны контролировать материал на линии разъема, а контуры нагрева должны поддерживать достаточно равномерную температуру поверхности по всей форме.

Особого внимания заслуживают глубокие ребра, выступы и узкие полости. Если эти элементы расположены в конце длинного пути потока, материал может загустеть до того, как они полностью заполнятся. Вставки также должны быть расположены достаточно надежно, чтобы противостоять движению при увеличении давления пресса и обтекании SMC.

Механические, термические и электрические испытания

Целью тестирования качества SMC является не просто подтверждение того, что соединение соответствует паспорту поставщика. Производственные группы должны убедиться, что фактическая отлитая деталь соответствует техническим спецификациям заказчика.

Общие квалификационные испытания включают испытания на растяжение в соответствии с ASTM D638 или ISO 527, испытания на изгиб в соответствии с ASTM D790 или ISO 178, испытания на удар с использованием таких методов, как ASTM D256 или ISO 179, и испытания на тепловую прогиб в соответствии с ASTM D648 или ISO 75.

Для SMC электрического класса могут дополнительно потребоваться диэлектрическая прочность, сопротивление изоляции, устойчивость к дуге или другие электрические испытания. ASTM D149 обычно используется для определения диэлектрической прочности, а ASTM D257 может использоваться для объемного и поверхностного удельного сопротивления.

Термический анализ, такой как ДСК и ДМА, может помочь проверить поведение материала при отверждении и температурно-зависимые свойства материала. Для наружных частей также может потребоваться воздействие ультрафиолета, ускоренное погодное воздействие, кондиционирование влажности или термоциклирование.

Распространенные дефекты SMC и способы их устранения

Дефекты SMC обычно имеют более одной возможной причины. Поэтому эффективное устранение неполадок требует от производителей совместного анализа материала, формы, температуры и профиля пресса.

Для критически важных деталей конструкции производители могут также использовать ультразвуковой контроль, системы фазированной решетки, секционирование или другие неразрушающие и разрушающие методы контроля для поиска внутренних пустот или расслоений. Системы оптического контроля становятся все более полезными для выявления повторяющихся дефектов поверхности и контроля вспышки.

Рекомендации по проектированию для производства деталей SMC

Хорошая конструкция SMC должна поддерживать как структурные характеристики, так и предсказуемый поток сжатия. Везде, где это возможно, инженерам следует избегать резких изменений толщины, чрезвычайно тонких сечений, за которыми сразу следуют глубокие ребра, и изолированных тяжелых масс материала.

Номинальная толщина стенок около 2,5–5 мм распространены во многих промышленных компонентах SMC, хотя с использованием подходящих материалов и инструментов возможны конструкции как более тонких, так и более толстых. Постепенные переходы предпочтительны там, где необходимо изменение толщины.

Для надежного выпуска необходим черновик. Приблизительно 1° может быть достаточно для некоторых гладких поверхностей, тогда как для более глубокой или текстурированной геометрии обычно требуется больше. Острые внутренние углы следует заменить радиусами, чтобы улучшить поток материала и долговечность конструкции.

Ребра должны обеспечивать жесткость, не создавая ненужного скопления материала. Для косметических поверхностей основание ребра, составляющее около 50–75% толщины прилегающей стенки, может служить полезной отправной точкой, но окончательная геометрия должна быть проверена на соответствие выбранной системе SMC.

Вставки и крепежи

SMC может включать в себя литые металлические вставки, резьбовые элементы и местное усиление. Вставки должны иметь элементы, препятствующие как вращению, так и выдергиванию, избегая при этом резких концентраций напряжений вокруг композита.

Механические крепления должны распределять прижимное усилие по достаточной площади. Вокруг сильно нагруженных болтов могут потребоваться шайбы, местное усиление или формованные элементы распределения нагрузки.

Структурные клеи — еще один широко используемый вариант соединения SMC с SMC, алюминием, сталью или некоторыми термопластами. Эпоксидные, полиуретановые и акриловые системы могут подойти в зависимости от скорости производства, рабочей температуры и конструкции соединения.

Поскольку отвержденный SMC представляет собой термореактивный материал, его нельзя просто расплавить и сварить так же, как обычный термопластик. Поэтому ультразвуковое или термическое соединение обычно ограничивается специально разработанными гибридными сборками или термопластическими вставками.

Качество поверхности и отделка класса А

Одной из причин, по которой SMC остается важной в автомобильной промышленности, является ее способность производить большие внешние панели с высококачественной окрашенной поверхностью. Однако достижение результата класса А зависит от всей производственной системы.

Составы низкопрофильных смол помогают контролировать усадку, но полировка формы, однородность температуры, поток шихты и давление формования также влияют на считывание волокна и волнистость поверхности.

Типичный процесс отделки включает в себя:

• визуальный контроль на наличие пористости, обнаженных волокон и дефектов поверхности;
• удаление заусенцев и дефектов кромок;
• очистка от пыли, масла и остатков формовочного состава;
• локальное шлифование или активация поверхности при необходимости;
• нанесение SMC-совместимого праймера;
• нанесение базового и финишного покрытия;
• окончательная адгезия и проверка внешнего вида.

Для окрашенных автомобильных панелей процесс нанесения покрытия должен быть проверен вместе с классом SMC, поскольку загрязнение поверхности, пористость и тепловое расширение могут повлиять на окончательный внешний вид.

Где SMC используется в производстве?

SMC наиболее привлекателен, когда производителям требуется сложная формованная геометрия в сочетании с коррозионной стойкостью, электрической изоляцией, уменьшенным весом или высокой степенью интеграции компонентов.

Автомобильная промышленность и транспортные средства на новых источниках энергии

Область применения включает наружные панели, капоты, структурные покрытия, щитки днища, крышки аккумуляторных батарей и компоненты электрозащиты. По сравнению со сталью, правильно перепроектированные детали SMC позволяют снизить вес, устраняя при этом защиту от коррозии и объединяя несколько штампованных или сварных компонентов в одну отливку.

Электротехническое и силовое оборудование

Электрические шкафы, распределительные коробки, корпуса счетчиков, детали распределительных устройств и изолирующие конструкции выигрывают от электрической стойкости материала и коррозионных характеристик.

Железнодорожный, морской и инфраструктурный сектор

SMC может использоваться для транспортных панелей, корпусов оборудования, инженерных конструкций, крышек доступа, компонентов кабельной системы и других частей, подверженных воздействию влаги или коррозии.

ОВиК и промышленное оборудование

Крышки крупного оборудования, корпуса вентиляторов и кожухи машин могут воспользоваться преимуществами способности SMC интегрировать ребра, элементы крепления, бобышки и сложные трехмерные поверхности в один отлитый компонент.

Стоимость SMC и масштабируемость производства

Сама по себе цена сырья не является полезным способом сравнения SMC со сталью, алюминием или термопластами. Инженеры должны рассчитать общую стоимость изготовления приемлемой детали.

Стоимость материала зависит от веса нетто детали, веса шихты, потерь обрезки и класса SMC. Конструкционные SMC с высоким содержанием стекла, огнезащитные составы, марки с низкой плотностью и системы из углеродного волокна могут иметь очень разную экономику.

Время прессы является еще одним важным фактором. 90-секундный и 180-секундный циклы дают очень разную годовую производительность одной и той же формовочной машины. Когда объем производства увеличивается, автоматизация погрузочно-разгрузочных работ, погрузки, разгрузки и обрезки материалов может улучшить использование и уменьшить количество ошибок, связанных с оператором.

Инструменты должны амортизироваться в течение реалистичного срока службы. Если инвестиции в пресс-форму и связанную с ней оснастку составляют 200 000 долларов США и используются для производства 200 000 приемлемых деталей, то базовый вклад в оснастку составляет примерно 1 доллар США за деталь, без учета обслуживания и ремонта.

Также необходимо включить второстепенные операции, такие как обрезка, сверление, покраска, склеивание и сборка. Во многих промышленных применениях одним из основных преимуществ SMC является возможность исключить некоторые из этих последующих процессов за счет интеграции функций непосредственно в отлитый компонент.

Как выбрать поставщика-производителя SMC

Аудит поставщика должен охватывать не только тоннаж пресса и заявленную цену за единицу продукции. Производители должны изучить способность поставщика контролировать материал, оснастку, параметры формования и проверку конечной детали.

Устойчивое развитие SMC и соображения, связанные с окончанием срока службы

В традиционном SMC используется сшитая термореактивная матрица. После отверждения смолу нельзя просто повторно нагреть и переплавить так же, как полипропилен, нейлон или другой термопласт.

Механическая переработка является одним из практических способов получения некоторых потоков чистых отходов SMC. Отходы можно измельчать и повторно использовать в качестве наполнителя или армирования в некоторых композитных материалах. Термическая обработка и пиролиз также могут быть технически возможны, особенно там, где можно восстановить ценную арматуру, хотя экономика и местная инфраструктура остаются важными ограничениями.

Некоторые составные отходы также могут быть оценены для совместной промышленной переработки, где ценность могут иметь как органические, так и минеральные фракции.

На производственных предприятиях в США экологические требования зависят от фактической системы смол и производственного процесса. Производство армированных пластиковых композитов может подпадать под действие применимых федеральных, государственных и местных правил, регулирующих опасные загрязнители воздуха, летучие компоненты, покрытия и промышленные отходы. Поэтому предприятиям следует оценивать соответствие на основе их конкретной формулировки и процесса SMC, а не предполагать, что одно правило одинаково применимо к каждой операции.

Часто задаваемые вопросы