简析LFT-D/ILC工艺

    在这种工艺中,在线配混系统集成在成型工艺中,在成型温度下生产出均一的长纤维增强复合原丝。目前所使用的在线配混系统,在大约500 rpm的螺杆转速下可以达到700 kg/hr的产量。
    图2是在线配混系统的示意图。基体颗粒和添加剂被输送到重量分析给料单元组合中,该单元根据部件的机械性能要求确保适度的混合。通常,着色剂、抗氧化剂、热稳定剂和交联剂会提供一个合适的汽车用配方。熔融化合物通过一个薄膜模头离开双螺杆挤出机,直接进入配混挤出机(双螺杆)的开口处。这是加入玻璃粗纱的地方。


    配混挤塑机
    配混机是一个共转、交叉和自清洁的Leistritz ZSE 60/GL设备,长度/直径(L/D)比为32。抽气在26D(26×直径)、真空辅助或大气压下发生。下部添料、部分填充的汽缸保证了大的表面和配混基体的充分排出。添加剂可以利用一个侧向给料设备在14D条件下加入。冲模中熔化压力大约是40~60巴(4~6 MPa),依赖于聚合物的融化流动指数(MFI)。
    粗纱的供应
    为降低粗纱的相互作用,线轴被放在特别设计的粗纱架上。每一条粗纱分别通过一个特殊的塑料管引导,避免了摩擦和静电排斥。每条粗纱均由一个传感器监测。
    粗纱通过管子被加入一个预热设备中,它们被铺展在5根已加热到220℃的铁杆上。温度不应再高以防止浆料被损坏。不像其它技术,聚合物预浸纤维的过程是不需要的。通过一个特别设计的界面,纤维在进入配混挤塑机时被加到聚合物薄膜顶端。
    混炼挤塑机
    双螺杆挤塑机带有一个高效汽缸,长度大约为13D,直径为60毫米。汽缸将纤维切成由汽缸几何形状决定的长度,得到的纤维平均长度大约为20~40毫米。纤维的平均长度可通过改变螺杆设计调整。
     混炼挤塑机连续地供应塑化原料,使这一过程产生玻璃纤维含量误差大约为1%的化合物。在成型温度,缝型模头退出块状模塑原丝到一个完全自动化的传送带上。为提高生产率和产量,双带传送系统得以运用。传送带被一个加热通道覆盖以防止挤出的原丝表面温度下降。当原丝被处理机械手抓住时,加热通道打开。混炼挤塑机13D的长度,加上给料部件的设计,意味着压出型材不需要进行单独的除气。得到的原丝有统一的几何形状,既适合手工处理也适合机械处理。
    完全自动化是实现大量生产的再现性和短周期的必要条件。实际应用中,传送带是与针夹系统一起使用的,它们均集成在生产线控制系统中。        
双传送带
    双传送带由一个短拾取传送带(接收来自LFT 模头的连续原丝)、一个切割设备(将单条原丝预制品切成一定的长度),还有两条用户可调的供应传送带(图3)组成。切割的LFT原丝以可选择的顺序放置在这些传动带上。这个双传送带还有一个热外壳(通道)防止传送带和LFT原丝表面的不均匀冷却。因此, LFT原丝表面硬化部件在部件中引起的插入痕迹得以避免。


    使用双传送带在部件生产中有下列优点:
    ◆ 循环时间缩短,几条LFT原丝制品同步供应、拾取、传输和定位的结果
    ◆ 所能达到的成型模式的高灵活度
    ◆ 通过重叠几条LFT原丝避免了熔接缝 [-page-]
可调整的原丝模头        
    近开发的原丝模头的改进使得所需夹力明显下降,部件壁厚也降低了。        
    用LFT制造压塑部件过程中,LFT原丝的几何形状和成型模式对原料流动、纤维定位从而对部件翘曲都有决定性的影响。另外,所能达到的部件小厚度,还有填充模具所需的压力、部件内的厚度公差或导致的任何熔接缝都会受到影响。
    对于大表面积(> 0.5 m2)的极薄压塑部件,当壁厚减小时,厚度均匀的紧密LFT原丝几何形状导致压力按指数升高。假如原料必须从模具中心挤出,随着填充模具所需流动距离的增大,所需的压力通常会增加。
    通过生成LFT原丝灵活的几何排列,上述状况可以避免。这种排列可以使模具中分散的材料分布产生优化的模具填充。然而,当使用普通缝型模头时,在生产过程中,只可能改变LFT原丝的长度,例如,可通过控制相应的切割设备得到不同长度的原丝。
    在GMT工艺中,几个预制料坯堆叠在一起,几条LFT原丝可以结合到与部件几何形状一致的模型中。如果必要,还可以堆叠整倍数的LFT原丝以改变模塑材料的厚度。就循环时间和必要的处理设备而言,这种组装“模型”的方法代价是高的。
    相似的工艺也出现在注射成型中。这种情况下,多重层叠技术是必要的,但加工和保养费用甚至更高(图4)。


    使用LFT原丝模头,代表着LFT-D/ILC技术的一个突破(图4)。其中,为了在需要均匀填充模具的区域积累原料,原丝的厚度是伺服液压可调的。由Dieffenbacher公司开发的LFT原丝模头的厚度在LFT原丝挤出过程中大大不同,使得根据部件几何形状生产的成型LFT原丝精度为0.01毫米。用可调整LFT原丝模头进行的个试验显示了下列优点:
    ◆ 避免了大表面积部件中长的流动距离;
    ◆ 相对于LFT原丝的重叠和堆叠,LFT材料可以更灵活的分布;
    ◆ 无需多重夹子,因此循环时间和成本降低了;
    ◆ 由于模具偏差和中心压力导致压力台减小了0.3~0.4毫米,模具中几个压力中心(材料累积)上的压力分布使得部件具有相同的厚度。
     所需材料质量的调整使得填充模具所需的压力明显下降。同时,可以看到部件翘曲的明显降低,特别是壁厚薄、表面积大的部件,这是纤维定向度较低的结果。就压缩模具而言,当压力保持不变时,这将为在单一压力行程中使用多腔模塑工艺生产大表面积部件或更多部件提供机会。使用常规压力系统,部件厚度可降低到1.5毫米。
    作为例子,图5显示了一个车身面板的挤压成型所需的较低压力。用于研究的是聚丙烯(Dow 型号Inspire C705-44NA HP)和玻璃纤维(Vetrotex型号 P319)。纤维含量设定为20~30%(重量比)。LFT原丝在LFT原丝模头中的温度为240℃,部件的有效表面积大约为1平米,填充部件所需的小压力用来计算如图所示的特定模内压力。


    与使用均匀原丝填充模具原本所需的压力相比,压力可能降低40%多。对于20%(重量)的纤维含量,有效压力为100巴,30%(重量)的纤维含量,有效压力为130巴。  [-page-]       
LFT压力机设计
    对于大量生产,使用的是15000~40000 kN夹力的新型液压LFT 压力机。通常使用尺寸为3600~2400毫米的压力台。压力机结束运动的速度可以升至800毫米/秒。大的形成速度为80毫米/秒。压力增加时间的特征值为0.5秒。
    上述压力机适用于双腔成型工艺,在车身下部防护板的生产中,可以在22秒的周期内成型两个部件。这包括压力机的关闭(包括工作冲程控制和压力增加,4~5秒),冷却时间(大约8秒),压力机的打开(包括压力降低和开启运动控制,4~5秒),还有压力机的装载和卸载(大约6秒)。这一连贯的模具关闭运动由一个平行运动系统支持。
质量控制
    PC生产线控制单元实现了单一集中终端的所有工艺部件工艺参数的快速、准确和简便控制。对于汽车部件的生产来说,LFT设备的生产者必须保证可靠部件的生产工艺,包括工艺数据的获取和评估系统,每个部件的工艺数据存储也必须加以考虑。
    根据这些要求,一个完整控制概念得以开发,包括LFT-D/ILC设备内所有部件的管理。工艺参数的评估基于一个用户友好的数据分析系统,它是工艺参数统计评估(SPC)的基础。通过确定工艺性能参数,还可以观察到生产工艺的长期行为。为确保再现性,下面的参数对统计质量控制是很重要的:
    ◆ 各批一致性(粗纱监测、原料温度、融化压力、螺杆转速和扭矩)
    ◆ 原丝几何形状及其在传送带上的位置(传送带速率、原丝长度和厚度、原丝的定位、机械手处理时间、周期)
    ◆ 部件几何形状(成品部件厚度、母模到公模的距离)、压力控制的转折点÷压力增加,压力机的关闭速度。
    关键工艺参数的确定在每个不同的工艺单元进行。部件厚度的均匀性、LFT 原丝定位区域和原料数量还有流动特征、粘度信息都可由这些参数确定和计算。再现性可由公模在一个形成过程的自由位置来控制。全面的参数评估和记录由在线设备提供,这些设备确保了部件生产过程中的高再现性。
    LFT特性
    图6是在线配混和压缩成型的前端模具与LFT-GMT制造的模具之间的特性数据比较。两种材料都含有40%(重量)的玻璃纤维。材料的试验值是由部件上切割下来的测试样品产生的。
    在线配混材料的特性比LFT工业原丝较为有利。例如,LFT-GMT材料,其冲击性能、弯曲强度和E-模量都优于工业原丝。因此,LFT-D和LFT-D/ILC材料正在许多应用中取代LFT-GMT和LFT-G。特别是能量吸收特征,例如抗冲击性明显高于长和短纤维增强的注塑部件。这有助于解释长纤维化合物在半结构和结构应用的挤压成型工艺中取得的成功。