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热塑性复合材料成型技术助力汽车轻量化

来源:国际塑料商情 发布时间:2022-04-12 1013
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料电子芯片电子芯片设计/电子设计自动化(EDA)设计/电子设计自动化(IP类软件) 应用及案例
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纤维增强热塑性复合材料作为结构性复合材料,具有质量轻、强度高、耐腐蚀、设计自由度大、易成型、可回收再利用等诸多优点,被越来越多地应用到汽车零部件上。

近年来,由于汽车工业的快速发展,特别是“碳中和”、“碳达峰”双碳目标的提出,对汽车用材料的性能提出了更高的要求,不仅要求新型材料能进一步提高强度和抗冲击能力,同时要求新型材料能进一步降低质量和降低成本。纤维增强热塑性复合材料作为结构性复合材料,具有质量轻、强度高、耐腐蚀、设计自由度大、易成型、可回收再利用等诸多优点,被越来越多地应用到汽车零部件上。


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图1 纤维长度对热塑性复合材料性能的影响


热塑性复合材料在汽车行业的应用大体可分为三个阶段:1、短纤增强热塑性复合材料(SFT),纤维增强材的加入能显著提升基体材料的耐热性、耐蠕变性和力学性能,通常采用注塑成型(IM),主要应用于内外饰、发动机周边等功能件或非承力件;2、长纤维增强热塑性复合材料(LFT),由于纤维保留长度的增加以及在复合材料内部呈立体分布特征,其力学性能远远高于短纤维增强复合材料,可采用颗粒料注塑成型(LFT-G)、在线混炼模压成型(LFT-D-CM)、在线混炼注塑成型(LFT-D-IM)等,主要应用于前端模块、换挡器支架、仪表台支架、尾门等结构件,已成为纤维增强热塑性复合材料领域增长最快的产业之一;3、连续纤维增强热塑性复合材料(CFRTP),纤维增强材料在产品内部呈规则的连续排列,其力学性能得到极大提升,纤维排列和结构更具有可设计性的特点,可以满足更多复杂的产品结构及性能要求,常采用模压(热压)成型、注塑热压成型、ATL自动铺放缠绕等成型工艺,在防撞梁、副车架、储能装置等强度要求极高的承力件、结构件领域越来越受到汽车行业的欢迎,正成为热塑性复合材料领域未来增长的热点。


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一种新型材料的成功研发,往往需要一套全新的工艺来完成从材料到产品的生产过程。新工艺的成功实现,更离不开专业的设备来保证。材料、工艺、设备的完美有机结合,才能有效发挥材料的性能,让创新型的材料有着更好的应用。接下来,本文将简要介绍一下热塑性复合材料的主要成型技术。


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图3 直接法长纤维增强热塑性复合材料成型设备(图片来源:迪芬巴赫&伯乐智能)


一、注塑成型技术(IM/Injection Moulding)


作为塑料行业应用最广泛的加工工艺之一,从20世纪30年代德国FRANZ BRAUN公司制造出第一台注塑机开始,注塑成型技术伴随着塑料高分子行业的发展而高速发展。注塑成型工艺是一种把热塑性材料经由往复螺杆输送并加热融化后,以一定的压力和速度注入闭合模具,经冷却定型后得到与模腔一致制品的成型方法。注塑成型工艺具有精度高、周期短、可成型较复杂结构的制品等优点。


  对于纤维增强热塑性复合材料注塑成型来说,由于纤维增强材料的加入,对注塑机的机筒螺杆、模具流道及型腔的冲击腐蚀要增加很多,需要采用特殊的材料并经进行硬化处理。长纤维增强热塑性复合材料制品中的纤维保留长度的大小会直接影响产品的最终性能(图1),更需要对塑化组件、模具流道和浇口进行优化设计,以减少纤维的剪切和磨损,提升纤维保留长度。

二、直接法长纤维热塑性复合材料成型技术(LFT-D/Direct Long-fiber Thermoplastics)


直接法长纤维增强热塑性复合材料成型技术是将增强纤维与基体树脂熔融混合后直接加工成热塑性复合材料部件的一种工艺方法。与传统的注塑成型工艺比较,LFT-D成型技术具有以下特点:
1、一步法成型,减少一次加热过程,最大程度保证高分子链段的完整性;
2、成型过程中对纤维损伤小,制品内纤维长度更长,使最终制品具有更优良的力学性能和外观;
3、减少了造粒、运输、存储等中间环节,节省能耗和人工,生产成本更低;
4、产品制造商可根据制品需求,自行确定原料配比,自由度高;
5、更容易实现回收料的重复利用。
6、混炼后的熔融料团在封闭输送管道内由于牵引力的作用,纤维与树脂基体间的界面结合力大幅提高,且纤维分散分布更为均匀。


直接法长纤维增强热塑性复合材料成型主要有两种工艺方法:一种是将长纤维增强热塑复合材料熔融浸渍工艺与模压成型相结合,简称在线混炼模压成型(LFT-D-CM);另一种是将长纤维增强热塑复合材料熔融浸渍工艺与注塑成型相结合,简称在线混炼注塑成型(LFT-D-IM)。直接法长纤维增强热塑性复合材料成型工艺原理如图4:
 自本世纪初上海某汽车零部件厂引进第一套德国迪芬巴赫LFT-D-CM设备用于生产汽车护板,该技术在国内汽车行业得到了很好的应用和发展。作为LFT-D-CM工艺的姊妹技术,伯乐智能装备股份有限公司于2015年成功开发LFT-D-IM成型工艺及成套装备,已成功应用于发动机底护板、前端模块、复合材料尾门等汽车零部件领域。


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LFT-D-IM在线混炼注塑成型工艺与LFT-D-CM在线混炼模压工艺都是长纤维增强热塑性复合材料在线成型的“一步法”工艺,都省去了中间半成品的制造过程,但LFT-D-IM相较于LFT-D-CM模压成型工艺,更具有如下优势:1. LFT-D-IM工艺设备结构简单,且无需后处理及机械手臂转移等辅助设备;2. 设备投资较少,占地面积较小;3. 生产原料无特殊要求,材料流动性的可选择范围较宽,且在封闭管道传输,不暴露于空气中,高温料团不易黄变及热氧老化;4. 注塑工艺可满足复杂结构件制造要求,且表面无冷料斑;5. 成型周期普遍在1分钟内,可满足生产厂商的产量要求;6. 玻纤在制品内的分布分散程度较好,且表现的力学性能也较为稳定和优异。


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图5分别为LFT-D-IM在线混炼注塑成型工艺与LFT-D-CM在线混炼模压工艺成型的某汽车发动机底部护板。
表1为LFT-D-IM在线混炼注塑成型工艺与LFT-D-CM在线混炼模压工艺成型的某汽车发动机底部护板各项对比。


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三、注塑热压复合成型技术(IHM/Injection Hotpress Moulding)


注塑热压复合成型技术是将连续纤维增强板材或片材,经裁切定型,再由机器人转移到烘箱预热至可加工温度后迅速转移到注塑模具并定位,注塑机合模注射后得到一种连续纤维与非连续纤维相结合的复杂制品。这种工艺结合了连续纤维的高性能和注塑成型复杂结构的优势,集合了热压成型和注塑成型的特点,扬长避短,极好的发挥了材料性能和成型工艺的特点。在汽车应用领域主要取代现有的金属部件,轻量化效果更为显著。
注塑热压复合成型工艺如图7:
近年来,注塑热压复合成型技术已有多个量产项目应用于汽车防撞梁、备胎仓、刹车踏板等汽车零部件,未来还将有更多的产品应用到汽车轻量化领域。


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四、连续纤维热塑性复合材料自动铺带技术(ATL)


连续纤维热塑性复合材料自动铺带技术(ATL)是将连续纤维增强热塑性复合材料预浸带逐层铺叠在模具上,在线加热施压贴合,在线冷却定型。自动铺带设备一般采用多轴联动控制技术,3-5轴用于机床龙门架坐标位置的控制,5-7轴用在自动铺带头上,用于铺层过程的带材输送和铺放控制。自动铺带头是集合复合材料带材输送、在线加热、施压贴合、裁切、冷却定型等功能于一体的复合控制装备,是自动铺带技术的核心。该项技术目前主要掌握在德国、西班牙、意大利等少数厂家手里,应用于航空航天等尖端科技领域。国内有关科研院校在连续纤维热塑性复合材料自动铺带技术(ATL)领域进行了初步的研究,总体仍处于起步阶段,随着该项技术的逐步走向成熟,会逐步应用到汽车零部件行业,充分发挥连续纤维增强热塑性复合材料的轻质、高强、可回收的优越属性。


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纤维增强热塑性复合材料作为在国民经济和国防建设领域具有显著竞争优势的重要材料,其使用程度也成为衡量一个国家或地区现代工业先进水平的重要标志之一。 “中国制造2025” 明确纤维增强热塑性复合材料是需着重解决的“量大面广的先进基础材料”和“制约制造业发展的关键战略材料”,其上下游产业链对重构我国新材料产业体系极为重要。在可预见的未来,纤维增强热塑性复合材料成型技术的发展会变得更为迅速,尤其在替代金属结构件、半结构件的汽车轻量化过程中将会发挥更加重要的作用。

作者:伯乐智能装备股份有限公司/宁波福瑞科新材料有限公司  刘玉


来源:荣格-《国际塑料商情》

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