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科技前沿

深度解析车用CFRP湿法模压成型工艺
来源:中国复材展组委会  2017-01-09 16:26:55
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=4275        湿法模压并不是一种新型的成型工艺。美国Molded Fiberglass Companies公司早在1948年就已经将该工艺应用于量产。一直以来,模压工艺(Compression Molding)主要被用于片状模塑料(SMC)和玻璃纤维毡增强热塑性树脂(GMT)等材料的成型。湿法模压成型工艺也被称为液体模压成型(LCM),其改进之处在于,不再采用非连续纤维增强树脂/热塑性聚合物预制片为原料,而是像湿铺、树脂灌注或树脂传递模塑(RTM)等许多其他的复合材料成型工艺一样,改用干的连续增强体和液态树脂为原料。得益于在宝马新7系Sedan车型碳纤维复合材料客舱部件“碳芯(Carbon Core)”上的应用,湿法模压工艺再次进入人们的视线。

宝马工厂的湿法模压成型工艺

        2015年,德国压机制造商迪芬巴赫(Dieffenbacher)公司的报告称由于省去了树脂注入环节,湿法模压工艺可以被看做是高压RTM的经济型替代工艺。无须再将碳纤维预制件放到RTM模具中闭模进行树脂的注入、固化,湿法模压在压机之外就可以将混合树脂涂于碳纤维增强体表面。这使得压机外的树脂浸渍工序和压机内的树脂固化工序能够同时进行。同时,树脂(通常为环氧树脂)由于固化前无需接触热模具,因此活性也会更高。Dieffenbacher报告显示湿法模压工艺能够将压制周期缩短180s,同时,允许多部件同时压制。



 

        湿法模压工艺用于生产宝马7系Sedan客舱几何外形不复杂的“碳芯”部件,生产周期缩短、成本下降。


 
        宝马新7系Sedan配有27个CFRP部件,通过5条Dieffenbacher湿法模压生产线和2条复合成型生产线生产。复合成型工艺将浸渍树脂后的碳纤维预制件粘合在钢板上,并通过模压固化而形成碳-钢复合部件,典型部件如宝马7系的B柱。

        Dieffenbacher报告称,湿法模压工艺自动化程度很高,其中全自动换件系统可以将更换部件的周期控制在约10min。宝马的湿法模压线同时采用了Dieffenbacher的CompressLite压机系统,使操作更适合周围的自动化环境,同时精度更高、更节能。

        所报道的工艺过程始于碳纤维织物叠层增强体的超声焊接工艺;之后由机械手将叠层织物运送到检测台上,通过相机精确反馈并调整碳纤维叠层织物的位置;随后将其移至有2个或4个卡位的中转台进行整体称重;之后,2个机械手进行环氧树脂涂覆浸渍操作,并通过精确称重控制最终部件的质量一致性。同时,采用送风量5000 m3/hr的通风系统为该工艺环节进行通风换气。

        紧接着,工作台移至进料位置,一只机械手将浸渍了树脂的叠层织物放入压机;随后,压机合模并在150℃使树脂固化;开模后,再由机械手将固化部件移入冷却压机进行冷却;移出冷却压机、经由放电转换器进行质量检测后,部件才能进入下一步装配环节。

        Dieffenbacher称湿法模压工艺适用于承载要求较高但几何尺寸简单的零部件,如车辆的驱动管路、车顶增强体等。尽管该工艺由宝马7系车量产获得关注,但它在宝马i3和i8上早有应用。

 
        根据2015年SGL集团的统计图表,宝马i3上有17个部件、i8上有21个部件采用湿法模压成型得到。

成本

        在国际工程塑料协会汽车复合材料分会2015年的会议论文"Evaluation of a New 'In line prepreg' Progress Approach to Established Processes for the Manufacturing of Structural Component out of Carbon Fiber Reinforced Plastics "中,德国弗朗霍夫化学技术研究所、汽车系统技术研究所和德国卡尔斯鲁厄理工大学的研究者研究发现,湿法模压工艺与热压罐、预浸料工艺相比能够降低原材料成本、提高产能。文章以成本70欧的某部件为例进行了说明,该计算中原材料成本49欧,日产能294件,每条生产线每班4名工人加一名工头,生产线包含自动化切割台、纤维储存单元、1个操控台、1个树脂操作单元、1台压机、1台工装和精加工工作站。
树脂

        位于瑞士霍尔根的Dow汽车系统公司曾在2014年JEC展会上发布了一款低粘度的快速固化环氧树脂VORAFORCE,并声称其特别适用于湿法模压成型工艺。通过与 德国KraussMaffei公司和意大利Cannon合作,Dow开发了相关的成型工艺,只需对树脂进行15-20s处理,并经30s固化,即可在60s内完成操作。但是,部件的几何外形受限,该工艺过程更适合平直且轮廓简单的部件。

        美国的Hexion公司同样开发了一款适用于湿法模压成型工艺的环氧树脂,完整的成型周期为75-135s,同时还可以通过“后固化”工序部分代替模内固化,进一步缩短成型周期。

动态流体模压成型工艺(DFCM)

        亨斯迈公司不仅开发了适用于湿法模压工艺的Araldite环氧树脂,同时通过技术改良,进一步开发了适合复杂几何外形零部件的动态流体模压成型工艺(DFCM),使成型周期缩短至90s以内。DFCM是一个低压成型过程,常用的过程压力为30 bar (3 MPa),采用Araldite树脂,无需预制成型即可生产复杂结构件。DFCM工艺生产的复合材料中纤维含量可达65%,制品孔隙率低、力学性能优异且废料少。据称,与高压RTM相比,该工艺的设备投入少,同时免除了树脂的竞流效应(race tracking)和纤维清洁等问题的困扰。

        湿法模压成型工艺同样适用于热塑性树脂。据报道,液态热塑性丙烯酸树脂可用于湿法模压或20-80℃的低温模压工艺生产再生复合材料部件。阿科玛(Arkema)公司证实,该方法可用于采用多种增强体或其他功能性填充物来生产复合材料部件。与钢材部件相比,这种材料和成型工艺的组合同时达到了30-50%的减重目标;与其他热塑性技术相比,生产成本更低。
  文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=4275