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SMC材料成型工藝及典型缺陷

 yuxiao2832 2024-08-06
SMC材料簡介

片狀模塑料(sheet molding compound,SMC)是一種由可增稠的樹脂、短切(和/或連續(xù)的)玻璃纖維增強材料、填料、助劑等組成的,上下兩面覆蓋承載薄膜的片狀復合物。常用的是以不飽和聚酯樹脂為黏結(jié)劑制成的一種模塑料。在不飽和聚酯樹脂中加入增稠劑、無機填料、引發(fā)劑、添加劑和顏料等組分配制成樹脂混合物,浸漬短切纖維或氈片,上下兩面覆蓋PE薄膜,經(jīng)增稠后制得薄片狀模塑料。

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SMC纖維和模塑料

SMC的特性

機械強度高、材料重量輕、耐腐蝕、使用壽命長,絕緣強度高、耐電弧、阻燃、密封性能好,且產(chǎn)品設(shè)計靈活,易規(guī)?;a(chǎn),并有安全美觀的優(yōu)點,具有全天候防護功能,能夠滿足室外工程項目中各種惡劣環(huán)境和場所的需要,克服了室外金屬設(shè)備箱體的易銹蝕、壽命短和隔熱保溫性能差等缺陷。

未固化的預浸料為粘稠狀,不具有性能,實際使用過程需要將其高溫模壓固化,得到高性能PCM制品。對于相同的部件,使用SMC復合材料制作,其質(zhì)量較鋼材輕20%~30%,能夠很好地滿足汽車輕量化的要求。

SMC預浸料能夠增加大量的阻燃填料和其他添加劑,通過合理的配方設(shè)計能夠賦予產(chǎn)品較高的拉伸強度、彎曲強度和沖擊韌性。阻燃填料的添加能夠賦予產(chǎn)品高阻燃性能。

另外,由于SMC獨特的材料組成,賦予了SMC產(chǎn)品高絕緣、耐候性、耐腐蝕等性能。

SMC模壓工藝成型周期短,適合大量生產(chǎn);SMC模壓制品尺寸精準、表面光潔、制品外觀及尺寸重復性好;制品的大小及形狀沒有限制;成型時可預埋相關(guān)嵌件(如螺母、螺栓、鋼板等)。使得SMC材料在汽車的應用逐漸廣泛。

SMC具備以下特點,足以讓汽車制造商有理由選用這種材料:

1、重量大大減輕;(大約比相同性能的鋼材部件輕20%-35%);

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2、部件集成化,降低了制造過程的復雜性:金屬件需要10-12付鋼模(沖壓及成型),SMC制件只需要2付模具;
3、投資成本低;(相同零部件通常比金屬沖壓工藝投資節(jié)省約40%);
4、與鋁或鋼相比較,抗損壞性能提高,特別是外飾件;
5、卓越的耐腐蝕性能;
6、噪音、震動和粗糙度性能的改善;
7、設(shè)計自由度高:SMC具有A級表面質(zhì)量,與鋼鐵制件一樣,線性熱膨脹系數(shù)與鋼鐵相似,SMC能與鋼鐵、鋁材料復合使用。
8、適合各種涂裝工藝:SMC材料耐熱性能好,能達到200℃,且與電泳涂料兼容性好。
9、回收材料的應用:
  (1)粒徑在直徑小于300um:替代填料,用量在3-15%取決于制品表面效果和機械性能要求;
  (2)纖維和大顆粒:30%有機物焚燒(水泥制造過程能量回收),70%回收至無機物。
10、行人保護功能。
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SMC在汽車上的典型應用

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目前SMC材料既可以用在汽車的外飾件,如前圍罩、前散熱器罩等,也可以用在動力電池的托盤、密封蓋等功能產(chǎn)品。隨著材料的應用越來越成熟,以及工藝設(shè)備的革新,產(chǎn)能的提升,必然使得SMC材料在汽車的應用逐漸增加。對于汽車輕量化、現(xiàn)代化和標準化做出突出的貢獻。

SMC模壓成型工藝過程主要工序

SMC模壓成型工藝過程,主要有以下幾個工序 :

⒈ 壓制前準備

(1)SMC的質(zhì)量檢查   SMC片材的質(zhì)量對成型工藝過程及制品質(zhì)量有很大的影響。因此,壓制前必須了解料的質(zhì)量,如樹脂糊配方、樹脂糊的增稠曲線、玻纖含量、玻纖浸潤劑類型、單重、薄膜剝離性,硬度及質(zhì)量均勻性等。

(2)剪裁   按制品的結(jié)構(gòu)形狀,加料位置,流程決定片材剪裁的形狀與尺寸,制作樣板裁料。剪裁的形狀多為方形或圓形,尺寸多按制品表面投影面積的40%-80%。為防止外界雜質(zhì)的污染,上下薄膜在裝料前才揭去。

(3)設(shè)備的準備   ①熟悉壓機的各項操作參數(shù),尤其要調(diào)整好工作壓力和壓機運行速度及臺面平行度等。②模具安裝一定要水平,并確保安裝位置在壓機臺面的中心,壓制前要先徹底清理模具,并涂脫模劑。加料前要用干凈紗布將脫模劑擦均,以免影響制品外觀質(zhì)量。對于新模具,用前必須去油。

⒉ 加料

 ⑴加料量的確定   每個制品的加料量在首次壓制時可按下式計算:加料量=制品體積×1.8

 ⑵加料面積的確定   加料面積的大小,直接影響到制品的密度程度料的流動距離和制品表面質(zhì)量.它與SMC的流動與固化特性、制品性能要求、模具結(jié)構(gòu)等有關(guān)。一般加料面積為40%-80%。過小會因流程過長而導致玻纖取向,降低強度,增加波紋度,甚至不能充滿模腔;過大,不利于排氣,易產(chǎn)生制品內(nèi)裂紋。

 ⑶加料位置與方式   加料位置與方式直接影響到制品的外觀,強度與方向性。通常情況下,料的加料位置應在模腔的中部。對于非對稱復雜制品,加料位置必須確保成型時料流同時達到模具成型內(nèi)腔各端部。

加料方式必須有利于排氣。多層片材疊合時,最好將料塊按上小下大呈寶塔形疊置。另外,料塊盡量不要分開加,否則會產(chǎn)生空氣裹集和熔接區(qū),導致制品強度下降。

 ⑷其他   在加料前,為增加片材的流動性,可采用100℃或120℃下預熱操作。這一點對成型深拉形制品尤其有利。

⒊ 成型

當料塊進入模腔后,壓機快速下行。當上、下模吻合時,緩慢施加所需成型壓力,經(jīng)過一定的固化制度后,制品成型結(jié)束。成型過程中,要合理地選定各種成型工藝參數(shù)及壓機操作條件。

 ⑴成型溫度   成型溫度的高低,取決于樹脂糊的固化體系,制品厚度,生產(chǎn)效率和制品結(jié)構(gòu)的復雜程度。成型溫度必須保證固化體系引發(fā)、交聯(lián)反應的順利進行,并實現(xiàn)完全的固化。

一般來說,厚度大的制品所選擇的成型溫度應比薄壁制品低,這樣可防止過高溫度在厚制品內(nèi)部產(chǎn)生過度的熱積聚。如制品厚度為25-32mm,其成型溫度為135-145℃。而更薄制品可在171℃下成型。

成型溫度的提高,可縮短相應的固化時間;反之,當成型溫度降低時,則需延長相應的固化時間。成型溫度應在最高固化速度和最佳成型條件之間權(quán)衡選定。一般認為,SMC成型溫度在120-155℃之間。

 ⑵成型壓力   SMC成型壓力隨制品結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸及SMC增稠程度而異。形狀簡單的制品僅需25-30Mpa的成型壓力;形狀復雜的制品,成型壓力可達140-210Mpa。SMC增稠程度越高,所需成型壓力也越大。

成型壓力的大小與模具結(jié)構(gòu)也有關(guān)系。垂直分型結(jié)構(gòu)模具所需的成型壓力低于水平分型結(jié)構(gòu)模具。配合間隙較小的模具比間隙較大的模具需較高壓力。

外觀性能和平滑度要求高的制品,在成型時需較高的成型壓力。

總之,成型壓力的確定應考慮多方面因素。一般來說,SMC成型壓力在3-7Mpa之間。

 ⑶固化時間   SMC在成型溫度下的固化時間(也叫保溫時間)與它的性質(zhì)及固化體系、成型溫度、制品厚度和顏色等因素有關(guān)。

固化時間一般按40s/mm計算。對3mm以上厚制品,有人認為每增加4mm,固化時間增加1min。

⒋ 壓機操作

由于SMC是一種快速固化系統(tǒng),因此壓機的快速閉合十分重要。如果加料后,壓機閉合過緩,那么易在制品表面出現(xiàn)預固化補斑,或產(chǎn)生缺料、或尺寸過大。在實現(xiàn)快速閉合的同時,在壓機行程終點應細心調(diào)節(jié)模具閉合速度,減緩閉合過程,利于排氣。

某種SMC典型成型周期如下:

壓機開啟7s  制品取出10s  加料20s 模具閉合10s  固化周期 73s ,共計120s。

SMC典型缺陷分析

問題一:缺料
指SMC模壓成型件沒完全充滿,其產(chǎn)生部位多集中在SMC制品的邊緣,尤其是邊角的根部和頂部。
產(chǎn)生機理及對策:
SMC材料受熱塑化后,熔融粘度大,在交聯(lián)固化反應完成前,沒有足夠的時間、壓力、和體積使融體充滿模腔。
原因如下:
   1.放料量少;
   2.SMC材料流動性差;
   3.設(shè)備壓力不充足;
   4.固化太快。
對策:

1.SMC材料受熱塑化后,熔融粘度大,在交聯(lián)固化反應完成前,沒有足夠的時間、壓力、和體積使融體充滿模腔。

2.SMC模壓料存放時間過長,苯乙烯揮發(fā)過多,造成SMC模壓料的流動性能明顯降低。

3.樹脂糊未浸透纖維。成型時樹脂糊不能帶動纖維流動而造成缺料。由上述原因所引起的缺料,最直接的解決方法是切料時剔除這些模壓料。

4.加料量不足引起缺料。解決方法是適當增大加料量。

5.模壓料中裹有過多的空氣及大量揮發(fā)物。解決方法有:適當增加排氣次數(shù);適當加大加料面積,隔一定時間清理模具;適當增大成型壓力。

6.加壓過遲,模壓料在充滿模腔前已完成交聯(lián)固化。

7.模溫過高,交聯(lián)固化反應提前,應適當降溫

問題二:針孔

產(chǎn)品表面上有規(guī)則或不規(guī)則的小孔,其產(chǎn)生部位多在產(chǎn)品頂端和中間薄壁處。

1.SMC模壓料中裹有大量空氣以及揮發(fā)物含量大,排氣不暢;SMC料的增稠效果不佳,不能有效趕出氣體。對于上述引起原因,可通過增加排氣次數(shù)以及清理模具相結(jié)合的方法而得到有效的控制。

2.加料面積過大,適當減少加料面積可得到控制。在實際操作過程中,人為因素也有可能造成砂眼。比如加壓過早,有可能使模壓料裹有的氣體不易排出,造成制品表面出現(xiàn)氣孔的表面缺陷。

3.材料放置過久,流動性下降。

問題三:氣泡
在已固化制品表面的半圓形鼓起??赡艿脑颍?/span>
    1.SMC材料中玻纖浸潤不良;
    2.SMC原料被濕氣、油脂、脫模劑等沾染;
    3.鋪料方式不合理;
    4.合模速度過快;
    5.模具剪切邊太小。
     改善對策:
    1.改善SMC配方或生產(chǎn)工藝;
    2.避免污染;
    3.減小放料面積及改變加料方式。
    4.優(yōu)化壓機速度
    5.優(yōu)化模具
問題四、未固化
在模壓時SMC材料未完全固化,通常表現(xiàn)為無光澤的表面,有苯乙烯氣味,還有引發(fā)劑的氣味,有氣泡、爆裂、分層等缺陷伴隨發(fā)生。
可能的原因及糾正的措施:
    1.溫度不足或模具表面有冷區(qū),會發(fā)生固化不完全。
    2.引發(fā)劑的添加量不足、樹脂的活性不好或保壓時間不足等均能引起聚合不充分。
    3.引發(fā)劑活性低或量少導致固化反應慢。
    4.太多的阻聚劑導致聚合反應慢。
    糾正的措施:
   1.升高溫度或改善模具溫度均勻性。
   2.優(yōu)化SMC的配方或更換部分有問題的原材料。
問題五、熔接痕
 熔接痕又稱熔接不良、熔合縫等,是指各SMC熔體前端相遇時在制品表面形成的一條線狀痕跡,不僅有礙制品的美觀,而且影響制品的力學性能。
    糾正的措施:
    1.過長的料流距離與分塊的鋪料方法將導致玻纖取向和熔接線,將料團直接加到易發(fā)生熔接痕的部位是有效的。
    2.快速的閉模速度易引起玻纖取向,過高的模溫產(chǎn)生予凝膠,而影響到材料較好地熔接,降低合模速度,降低模溫能使嚴重的熔接痕趨緩。
    3. 特定的模具設(shè)計,如:過長的料流距離、料團分流和型芯等形成孔的料流前沿而導致熔接痕,如果熔接線發(fā)生在零件的邊緣,則在此設(shè)置溢流口是有效的。
    4. 在某種情況下,在易發(fā)生熔接痕的部位事先放置特定的玻纖網(wǎng)或編織紗是有利的。
問題六、燒焦
由于水份、空氣、苯乙烯等低分子揮發(fā)物未能逸出,在此溫度下被點燃,制品變色,當然這個部位也就填不滿而缺肉。
    形成原因:
    料流末端的容易相分離並導致氣體排不出而發(fā)生困氣,在高壓、高溫下燃燒。
    糾正的措施:
    1.鋪料的面積過大,往往造成空氣或苯乙烯不能被趕出,故增加料流的距離,減緩料流的速度,讓空氣或苯乙烯沿模具的剪切邊或頂出銷排出。
    2.剪切邊過小、過緊,不利于排氣,調(diào)整到適當?shù)拈g隙是有利的。
    3.發(fā)生在模具冷熱交界處,材料之固化有強烈的差異,而且氣體也不易排出。
    4.在這些部份設(shè)排氣孔,利用頂出的間隙, 排出殘留模腔內(nèi)的氣體,也可以減慢模壓速度,使氣體有足夠排空時間。
 問題七、翹曲
制品由于過度收縮或存有過度的內(nèi)應力導致的產(chǎn)品形變。
    可能的原因及措施:
    1.過分長的料流能引起玻纖取向,導致不一致的玻纖分布,也容易引起應力集中。
    2.處在邊緣狀態(tài)固化的制品由于機械強度低,尺寸易變化,要增加模溫和保壓時間。
    3.固化后的制品后收縮或膨脹過多造成翹曲。
    4.使用冷定型夾具能阻止翹曲變形。
    5.SMC材料收縮率不合理,或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。需要進行優(yōu)化。
問題八、粘模
制品與模具表面發(fā)生物理粘結(jié),導致脫模困難和裂紋??赡艿脑蚣凹m正的措施:
    1.模具污染能引起制品粘在模具上,噴灑外脫模劑有助于補充內(nèi)脫模劑的不足。
    2.不完全的固化阻止料流完成,固化后收縮容易抱緊十分合身的模芯部份,故增加模溫、延長保壓時間卻是有益的。
    3.模具的輕微的倒稍及表面過于粗糙,易發(fā)生零件粘模,需拋光或重鍍表面。
    4.太多或太少的收縮,在某些模塑條件下也容易引起機械鎖定,要調(diào)整低收縮添加劑的種類和數(shù)量。
問題九、預固化斑
制品表面不良之色斑,通常發(fā)暗、粗糙而且伴有針孔,這都是先于料流之前已經(jīng)開始固化。
    可能的原因及措施:
    1.料團停留在模具表面的時間過長,引起過早固化即予凝膠。
    2.過慢的合模速度,提供了先于料流結(jié)束之前就予凝膠之機會,增加合模速度是有效的。
    3.過高的模溫或活性過高的引發(fā)劑容易引起予凝膠。
    4.料團暴露在空氣中的時間過長,變得干硬,干的料團阻止料流,造成予凝膠、捕捉空氣。
問題十、樹脂富集
    制品表面的某個區(qū)域纖維含量過低??赡艿脑蚣凹m正的措施:
    1.過分長的料流能引起玻纖取向,并在延伸的料流中短缺玻纖。
    2.過分快的合模速度增加了料流速度,導致玻纖取向和玻纖分布不均勻,較慢的閉模速度能使基料帶動玻纖有序流動,減少樹脂富集。
    3.過低的粘度就無能力帶動玻纖一起流動,很容易引起料流范圍內(nèi)的樹脂富集。需要提高增稠程度。

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