複合材料創新加工工藝(熱壓成型+注塑一步成型)


資訊來源:ceramicx

    

 

複合材料如今在歐美市場上的應已經很成熟,許多知名的複合材料製造商也大多位於這一區域內,CCP Gransden公司位於北愛爾蘭貝爾法斯特,是世界領先的複合材料製造商,在這方面已有四十餘年的生產經驗。

 

    CCPEngel公司的英國分公司合作,開發了一種創新生產工藝--熱壓+注塑一步成型工藝(overmoulding)。,以此工藝為基礎。雙方將熱壓成型工藝和注塑工藝合二為一,成就了這種一步到位的創新工藝。

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“在此工藝中對 有機板(Organosheet)的增強熱塑性板材進行加熱是一個關鍵。採用特殊設計的紅外線加熱烘箱進行快速加熱,紅外加熱烘箱在溫控和速控方面進行了特別的設計,由一家世界知名的企業--愛爾蘭ceramicx設計並建造,ceramicx的工程師花費了數百小時的時間完成了此項工作。紅外線烘箱採用黑色空心陶瓷紅外線加熱器SFEH系列作為加熱元件,分上下兩層加熱,板材由機械手夾持後進入烘箱進行兩面加熱,“隨後,高速多軸機械手臂將經過加熱的有機板轉送進入壓機設備。在壓機合攏進行熱壓作業的同時,注塑設備同步將熔融狀態下的熱塑性樹脂注入。”通常狀況下,注入的熱塑性樹脂中還會混有短切纖維。“這是一種超快的一步成型工藝,只要部件的尺寸和幾何形狀合適,單件的生產時長能夠控制在2分鐘以下。”

 

 

 

 

 

CCP戰略合作經理Scott King表示說這項工藝在研發之初就遇到了一些挑戰,因為來自航空和汽車兩方面的客戶在熱塑性樹脂的選擇方面產生了一些分歧。前者傾向於採用PEIPPSPEEK,而後者更願意採用PA。“在實際研發過程中,我們最先嘗試了PEEKPEKK。但僅僅一天之後,我們就放棄PEEK,轉向了PA。”PEEK在流動性方面先天條件不足,這是其短處。而對於整個工藝流程而言,保證壓機各處熱量分佈得恰到好處至關重要。考慮到這一點,採用PA在工藝操作方面顯得更加簡便。

 

“因為嚴格的資料存儲機制,每一個經由我們生產的部件都可以追溯其生產過程。”Scott King指出,“這意味著我們可以賦予每個部件一個出生證明,保證它們是用標準化的工藝生產出來的。”這一點上,紅外加熱系統供應商愛爾蘭ceramicx對其生產的陶瓷紅外線加熱元件也採用了同樣的方式,在每一個出廠的加熱器上都打上一個唯一編號,以此來保證每個陶瓷加熱器都可以追溯其生產過程。

 

King透露說,這種熱壓+注塑一步成型工藝(overmoulding)給CCP公司帶來了設計生產方面極大地便利。

 

*強度高、剛度高;

 

*一體化成型既提高了剛度,又保證了良好的功能性和可組裝性;

 

*具備生產幾何形狀複雜部件的能力;

 

*極短的生產週期,單個部件生產時長低至2分鐘;

 

*材料可選的範圍非常豐富;

 

*接合面接合完美,完全可以視為一體結構;

 

*極大減少了工藝所需的步驟;

 

*產品極具視覺美感。

 

一步成型

 

上述列舉的種種優勢,大都得益于“一步成型”。King表示說:“此前,熱壓和注塑是分兩個步驟完成的。”

 

他進一步解釋說,在一步成型的工藝中,基層材料和表層材料之間可以實現更好的接合。“當兩者都處於半熔融狀態時,會產生分子間的相互擴散。”King表示說,“由此,我們將獲得更好的機械性能,同時接合處也將更富有視覺美感,側面不會有溢出,邊緣處乾淨俐落。儘管這並不影響部件的強度,但卻體現了對工藝精確掌控的能力。”King表示說,CCP甚至可以在基層材料和表層材料中使用同一種聚合物基體(Polymer Matrix),而這一點在從前的兩步法時代是不可想像的。

 

至於有人認為,若想要在PEEK的基層上再覆蓋一層PEEK材料,一步成型法難以實現。對此,King回應說:“這並非不可能。精准控制速度和溫度至關重要。”

 

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左圖基層材料為單向碳纖維/PA,表層材料為PA

 

中圖基層材料為玻纖織物/PEI,表層材料為PEI

 

有圖基層材料為碳纖維織物/PEEK,表層該材料為PEEK

 

經濟適用性

 

有人懷疑稱,因為模具工裝費用昂貴,這項技術的使用成本將大大超出以往。對此,King回應說:“有人認為,若以此法生產部件,成本足以飆升到四位數。但我們看待問題不能如此片面,而必須從產品整個生命週期的角度考慮。它畢竟省去了部件組裝的環節,也不需要考慮很多種不同的材料和嵌入件(inserts),只需要把單一的部件送到組裝線上去。當然我們還在研究如何進一步降低這種工藝的生產成本。譬如說,很多人揣測模具成本將高達12-14萬美元,甚至更多。但事實是,同樣用於生產複雜幾何形狀的部件,我們能夠把這個數字降低到1.4-2.1萬美元。不能不說,我們在這方面取得了不小的成績。”

 

King同時指出,在選擇材料並進行設計的時候,成本和生產部件的總量是很重要的考慮因素。“比如說,選擇使用頂針(ejector pins)會產生很多額外的開銷,”King表示說,“但卻可以滿足客戶的很多個性化的需求。這一點是我們一直引以為傲的。”

 

“我們具備在24小時內生產1000-1500部件的能力。如果採用碳纖維/PPS的材料組合,部件的生產週期將小於60秒,甚至更短。”

 

另一方面,King也強調了設計和研發的重要性。“我們前後花了12周完成了從設計到部件生產的全部流程。我們想證明的是,從概念產生到商業量產不一定需要數年的研發週期,或許幾個星期就夠了

 

(以上部分內容從中國複合材料網摘取,經ceramicx工廠確認此紅外線加熱烘箱為ceramicx負責設計建造。ceramicx一直致力於為全球領先領域的使用者設計製造高要求的紅外線加熱應用專案,歡迎國內有類似需求的企業與我們聯繫,共同為中國的複合材料成型加熱事業貢獻一份力量。)