復合材料的大批量成型工藝 zund bhs 150-Airbrush foil台中雷射雕刻－丁彥廷焦點新聞熱搜

復合材料的大批量成型工藝
　　模壓成型（compression molding）是一種大批量的熱固性塑料成型工藝，所采用的金屬對模（metal dies）經久耐用，但是造價較高。對于生產數量超過一萬件，甚至在生產多達二十萬件片狀模塑料（smc）時，模壓成型工藝無疑是一個合適的選擇。片狀模塑料（smc）是一種由復合材料制成的薄片材料，結構類似三明治，由樹脂糊厚層夾短切玻璃纖維組成。片狀模塑料的制備原理是，先將經計量并混合好的樹脂糊輸送到承載薄膜上，再經傳動裝置移向短切玻璃纖維，使其均勻的沉降到樹脂糊上，然后再和涂有樹脂糊的第二層承載薄膜相疊加。后通過輥壓作用使樹脂完全浸潤到玻璃纖維上，同時趕走多余的氣泡。該樹脂糊初的狀態類似糖蜜糊，粘度在20,000和40,000 cps之間；大致經過三至五天的固化，其粘度會增加到250萬cps，此時的片狀模塑料變得跟皮革的感覺很相似，非常利于加工處理。
　　片狀模塑料（smc）的模壓是將它們剪切成小片，放入模具中加熱（溫度在121 ° c至262 ° c，或250 ° f到325 ° f之間）和加壓（24.5至172.4 bar，或500至2,500 psi之間）。隨著粘度逐漸下降，液態片狀模塑料流入模腔將其填滿。經固化后，模壓成型的smc部件可以通過手工或利用起模桿（ejector pins）進行脫模處理。
　　用于表面感處理（class a finish）的低收縮（﹤0.05%）smc配方的構成比例大致是：聚酯樹脂占25%，短切玻璃纖維占25%，填料45%和5%的助劑。熱固性smc的固化時間大致需要30至150秒，總周期不高于60秒。此外，smc產品的技術參數還包括低密度，柔性以及色素配方等。目前在市場上已經有低壓smc配方銷售，它的出現不僅為開模工藝向閉模工藝的低成本過渡鋪平了道路，還實現了揮發性有機化合物（voc）近零排放的目標和高品質的產品表面光潔度。
　　汽車制造商們都在紛紛探索碳纖維增強smc，希望利用碳纖維的高強度對重量比（strength -to-weight）以及高剛度對重量比（stiffness-to-weight）的性能優勢，制造車身外殼和其他部件。新款增強smc配方有助于防止微裂紋的產生，造成這種現象的原因是當材料放進烤箱進行加熱固化時，材料表面會產生微裂紋同時聚集了一些氣體，隨著氣體釋放會在材料表面形成一個個的小坑，也就是在后的噴涂過程中經常遇到的氣泡爆破的現象。
　　不過，許多復合材料制造商已經開始自行制定smc配方，以滿足不同的應用目的，比方抗紫外線配方、或抗沖擊力、防潮、或者對表面質量有要求的特殊配方。市場需求的發展走勢是對材料性能提出越來越具體的要求，這是推動定制材料發展的主要動力。
　　注射成型（injection molding）是一種快速大流量的低壓閉模成型工藝，填料以熱塑性塑料為主，如短切玻璃纖維尼龍。然而，隨著bmc自動化注射成型工藝在過去的20年中不斷發展和壯大，已經逐漸改變了從前由熱塑性塑料和金屬鑄件制造商一統天下的市場格局。例如，由tetradur公司（德國漢堡）制造的bmc定制配方電子節氣門（etc- electronic throttle control）閥門首次應用于寶馬迷你（bmw mini）和標致（peugeot ）207發動機，就展現出良好的尺寸穩定性，以前這兩款車型所配備的電子節氣門閥門是由印模壓鑄鋁制造而成的。tetradur公司是bulk molding compounds公司（bmci，伊利諾伊州西芝加哥）的子公司。
　　在bmc注射成型過程中，由沖壓式活塞（ram- type plunger）或螺旋式活塞（screw-type plunger）將計量好的材料以5,000到12,000 psi的壓強先注射到一個加熱好的模中。進入熱模以后，bmc由于受到加熱融化成液態，因此會輕松地沿著倒流渠道流入閉模中。再經固化和脫模程序后，部件只需要稍稍打磨就基本成型了。注射完成一件產品通常只耗費1到5秒的時間，照此類推，只要使用多型腔模具（multiple-cavity molds）就可以在一小時內成型2,000個小零件。
　　如果生產厚截面bmc部件，則可采用模壓成型或樹脂傳遞模塑成型工藝。樹脂傳遞模塑成型工藝通常是先將計量好的bmc放入一個帶導流裝置的罐中，再通過活塞施壓將材料引入閉模腔中，后材料在高溫高壓下完成固化的過程。
　　纏繞成型（filament winding）是一種連續性的成型工藝，以高度自動化和可重復性為特點，其原材料成本相對較低。纏繞機是該成型工藝的主要設備，主要由一根圓柱形的芯棒，沿纏繞機水平方向被兩端固定器夾持在中心；還有“繞絲頭”，它隨著主軸的轉動作往復運動，按照預先設計好的形式將纖維纏繞到芯棒上。一般的數控纖維纏繞機可以配備2至12個運動心軸。
　　在大多數熱固性塑料的纏繞加工過程中，纖維要先經過膠槽浸膠，然后才被纏繞到芯棒上。這就是所謂的濕法纏繞（wet winding）。然而，還有一種方法是將預浸漬樹脂的連續纖維（預浸料）纏繞到芯棒上的方式，這種方法叫做干法纏繞（dry winding），可以幫助省去現場浸膠的程序。預浸料還經常在rtm成型工藝中使用。
　　芯棒經過烤箱或熱壓釜固化后，一般有兩種用途，一是繼續纏繞成其他部件；二是從設備上退下來。形狀較簡單的單件圓柱或圓錐芯棒，是通過一個芯棒萃取設備提取的。而對于那些形狀比較復雜的芯棒零件，則需要通過溶劑提取。很多制造商在進行纏繞成型工藝時，經常自行調整或修改樹脂配方，以滿足具體的應用需求。現在，不少復合材料零件制造商都在開發自己的樹脂配方。
　　不過，熱塑性塑料的纏繞工藝一般使用的是預浸料，所以纖維不需要再經過膠槽浸膠。只要對纏繞好的芯棒形狀進行加熱固化，就能即時生成產品。預浸料的加熱，壓實，加固和冷卻是一個單向連續的加工過程。不僅如此，熱塑性預浸料還免去了熱壓釜固化的必要，因此降低了加工成本和對規模的限制，而且對已成型部件可以進行再加工，以糾正成型過程中的缺陷。
　　纏繞成型工藝加工的零件，具有較強的“環向”的強度。大部分高爾夫球桿就是利用纏繞成型工藝制造的。此外，該工藝制造的其他產品還包括釣魚竿，管道，壓力容器和用于其他領域的圓柱形部件。
　　拉擠工藝（pultrusion），如rtm工藝，在過去的幾十年里已成為制造玻璃纖維和聚酯樹脂的主要生產方式之一，但在近10年里，拉擠工藝也逐漸應用于先進復合材料的制造領域中。與其他工藝相比，拉擠是一種工藝過程相對簡單，成本較低，而且可以持續不斷的成型過程：纖維增強材料（如粗紗，絲束或者連續墊）首先進行膠槽浸膠，然后再通過一個或多個成形軸套被制成特定的形狀。后通過加熱模具固化制成凈成形產品。待冷卻后，將成型產品根據需要的長度裁剪成型。利用拉擠成型的產品具有良好的表面效果，通常不需要后處理。拉擠工藝被廣泛用于制造各種實心和空心型材，整個加工過程可以按照特定的用途量身定制。
　　軋管成型（tube rolling）是一種連續式的纏管成型工藝，比較適用于小口徑（≤6 inches/152 mm）的圓柱或圓錐管道的生產，長度一般小于20 ft/6.2m。根據不同的部件成型要求，軋管成型工藝通常使用預浸布或單向預浸帶。為了方便搭建成纖維層結構，預浸布會根據設計預先切成所需的形狀，然后被疊放在一個平面上，通過心軸施加壓力將材料壓實。當軋制一個錐形芯棒結構時，例如一個釣魚桿，只有縱向的行纖維真正落在0 °軸上。因此，必須通過定時的重新配置層的結構，不斷重新調整纖維的方向。
　　自動纖維鋪放（afp- automated fiber placement）是一種高效的數控纖維鋪放技術，是利用機器人將預浸絲束纏繞或鋪放到心軸上的成型工藝。由于全程采用自動數控，該技術能同時實現32個絲束的自動分絲，夾緊，切斷和重新啟動。小切割長度（即鋪放的絲束的短長度）是層型的決定性因素。纖維鋪放頭（fiber placement heads）可以連接一個5軸龍門，并加裝到繞絲機上。如果想提高生產效率，還可以將芯棒的數量增加到兩個。自動纖維鋪放技術的主要優點包括：高鋪放速度，材料浪費少，和低勞動力成本，所生產的零部件更加緊實，而且產品具有更穩定的一致性等。該技術通常用于生產形狀復雜的大型熱固性部件。
　　自動鋪帶技術（atl- automated tape laying）是一種更快捷的自動化預浸帶鋪放技術，不同于單一絲束的鋪放，該技術可以連續不斷的形成部件。它通常用于制造具有高度復雜曲面的制件。纖維帶的鋪放方式可以很靈活，不論是熱固性和熱塑性材料，該技術都允許鋪放過程的中斷，或者能夠輕松的改變鋪放方向。鋪放頭的設備組成包括線軸，繞絲機，繞絲導向設備，壓實裝置，還有一個位置傳感器和切割器。在鋪放過程中，先將纖維帶拉直，然后將鋪頭加裝到一個多坐標的機器人上，通過機器人在心軸之間的移動，讓鋪放頭的移動路徑與心軸或者纖維帶的鋪放路徑相協調。此外，由于纖維鋪放機的壓頭裝置，可以使纖維帶在模具上壓實，避免纏繞過程中的纖維分層現象。
　　雖然自動鋪帶技術（atl）的速度比自動鋪絲技術(afp)更快，而且還能實現更長的鋪放長度，但總體來講，自動鋪絲技術(afp)更適合于較短的，高曲面的纖維鋪放。這些技術是伴隨機床行業的發展而興起的，現在已經廣泛應用于機翼板，翼盒，機尾等部件的制造，并且已經在波音787夢想飛機和空中客車a350寬體飛機的其他結構的制造上得到了更廣泛的應用。同時，自動鋪帶技術（atl）和自動鋪絲技術(afp)還被廣泛用于生產f - 35閃電ii戰斗機，v - 22魚鷹傾轉旋翼運輸機（v-22 osprey tiltrotor troop transport）以及其他各種飛機的部件。
　　離心澆鑄法（centrifugal casting）在復合材料制造過程中主要用于制造管材（直徑從1 英寸/25毫米至14 英寸/356毫米不等），是纏繞成型的替代工藝，其制品以更高的性能和更耐腐蝕為特點。澆鑄所采用的0 ° / 90 °軸向的玻璃纖維布不僅能夠同時提高管道的縱向和環向強度，而且澆鑄工藝制造的管比同等壁厚的多軸玻璃纖維纏繞管的強度更高。在澆鑄成型過程中，將環氧樹脂或乙烯基酯樹脂按照一定的比例注入到一個旋轉的150克離心模腔中，依靠高速旋轉產生的離心作用讓樹脂均勻的滲透到圍繞模具的內表面包裹著的織物中。離心力的作用（centrifugal force），不僅推動樹脂滲透到織物層中，其管道制品的外表面還非常光滑。同時，殘余的樹脂還在模腔內形成了一層耐腐耐磨的內襯。
　　擠出成型工藝（extrusion molding）也是纖維增強熱塑性塑料成型的重要方法之一。該工藝的主要成型原理是利用擠出設備對材料進行加熱和加壓，使材料成為熔融液態，然后從模具中將其連續擠出而成型。擠塑成型廣泛應用于制造管、筒、棒、異型材、和電線等產品。材料和加工工藝的升級換代使得復合材料（如長玻璃纖維增強熱塑性塑料）在激烈的市場競爭中顯示出不可比擬的成本和性能優勢，日漸成為辦公家具，電器，拖車及運動貨品所使用的木材，金屬和注塑塑料零件的替代材料。其實，擠出熱塑性塑料/木粉（或其他添加劑，如韌皮纖維或粉煤灰）復合材料早已在近十年里逐漸占據了巨大的市場份額。這些木塑復合材料（wpcs -wood plastic composites）常用于木甲板，壁板，門窗框架和柵欄等用途。
　　安全生產與環境保護
　　復合材料制造商在加工過程中必須十分注意衛生，安全生產和環境問題。一個安全的工作場所應該包含諸多因素，如定期的培訓，遵守每一條操作章程，了解并具備必要的防毒措施，以及防護設備的使用（包括手套，圍裙，防塵口罩和呼吸器等），以及全公司上下的監管政策的制定和不斷修繕。每一位制造商都必須致力于通過各種途徑減少高揮發性有機化合物（vocs）的揮發量，例如現在很多制造商就采取調整樹脂和預浸料的配方，或者改用水分散性清潔劑（water-dispersible cleaning agents）等措施來降低有害空氣污染物的排放。
　　據了解，自1990年美國國會通過空氣潔凈法令（clean air act amendments）以來，美國環境保護署（the u.s. environmental protection agency）就一直致力于減少有害空氣污染物（haps- hazardous air pollutants）的排放，在一份清單上詳細列舉了約180例被共認對健康造成威脅的揮發性化學物質。其中一些化合物是含在樹脂中的，在高溫固化過程中釋放含有毒氣的污染物。在2003年初，美國環境保護署就專門針對復合材料行業制定了相關法規，要求使用大可達到的控制技術（maximum achievable control technology, or mact）來實現對有害污染物的排放控制。該條例是在2006年初生效。
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