فرآیند LFT-D چگونه کار می کند و چرا جایگزین GMT در کامپوزیت های خودرو می شود؟

LFT-D - الیاف بلند ترموپلاستیک مستقیم - یکی از مهم ترین نوآوری های فرآیندی در تولید کامپوزیت خودرو در دو دهه گذشته است. این امکان تولید قطعات کامپوزیت گرمانرم با قابلیت ساختاری بزرگ را در زمان‌های چرخه و سطوح هزینه سازگار با تولید خودروهای با حجم بالا فراهم کرده است و به تدریج از ترموپلاستیک تشک شیشه‌ای (GMT) به عنوان کامپوزیت ساختاری منتخب برای کاربردهای زیر بدنه، نیمه‌ساختاری و ساختار داخلی خودرو جایگزین می‌شود. برای مهندسان و تیم‌های تدارکاتی که فرآیندهای تولید کامپوزیت گرمانرم را ارزیابی می‌کنند، درک اینکه LFT-D چگونه کار می‌کند و چه چیزی آن را از GMT و سایر فرآیندها متمایز می‌کند، برای سرمایه‌گذاری صحیح در فناوری ضروری است.

LFT-D چیست و چه تفاوتی با LFT استاندارد دارد؟

LFT (Long Fiber راrmoplastic) دسته وسیعی از مواد کامپوزیتی است که در آن الیاف شیشه بلند یا کربن - معمولاً 10 تا 25 میلی متر در قسمت نهایی - در یک ماتریس پلیمری ترموپلاستیک (پلی پروپیلن، پلی آمید یا PET رایج ترین آنها هستند) ادغام می شوند. تقویت کننده الیاف بلند عملکرد مکانیکی قابل توجهی بیشتری نسبت به الیاف کوتاه (زیر 1 میلی متر) در ترموپلاستیک های استاندارد پر از شیشه با قالب تزریقی حفظ می کند، به ویژه در مقاومت در برابر ضربه، مقاومت در برابر خزش و سفتی ساختاری.

LFT-D به طور خاص به یک فرآیند ترکیب مستقیم خطی اشاره دارد: ماتریس ترموپلاستیک و تقویت کننده فیبر شیشه بلافاصله قبل از قالب گیری، در یک فرآیند پیوسته در همان خط تولید، با هم ترکیب می شوند. این تمایز تعیین کننده از LFT مبتنی بر گرانول (همچنین به نام گلوله های G-LFT یا LFT) است، که در آن مواد کامپوزیت در یک عملیات جداگانه ترکیب می شوند، گلوله می شوند، ذخیره می شوند و سپس از طریق چرخه گرمایش دوم در پرس پردازش می شوند. در LFT-D، مواد در یک چرخه حرارتی واحد تولید و قالب‌گیری می‌شوند - فیبر و ماتریس هرگز اجازه خنک شدن و جامد شدن مجدد بین ترکیب و پرس را ندارند. این پردازش تک چرخه حداکثر طول الیاف را در قسمت نهایی حفظ می کند، که دلیل اصلی LFT-D است که خواص مکانیکی برتر را در مقایسه با LFT مبتنی بر گرانول که از طریق جریان قالب گیری فشرده سازی معمولی پردازش می شود، ایجاد می کند.

خط تولید LFT-D چگونه کار می کند

مرحله 1: پلاستیک سازی با رزین

رزین ترموپلاستیک - معمولاً پلی پروپیلن (PP) با درجه جریان با سرعت مذاب بالا که برای اشباع الیاف فرموله شده است - به صورت گرانول به یک اکسترودر دو مارپیچ وارد می شود. اکسترودر رزین را با هر گونه افزودنی ذوب و همگن می کند: عوامل جفت کننده که چسبندگی فیبر ماتریس را بهبود می بخشد، تثبیت کننده های UV، بازدارنده های شعله، رنگ ها و اصلاح کننده های ضربه. دمای مذاب بسته به سیستم رزین در محدوده 180-240 درجه سانتیگراد حفظ می شود.

مرحله 2: اشباع و ترکیب الیاف

رووینگ‌های الیاف شیشه مستقیماً از کریل‌ها به داخل اکسترودر در ناحیه آغشته‌سازی پایین‌دست وارد می‌شوند، جایی که رزین ذوب شده بسته‌های الیاف را تحت برش کنترل‌شده خیس می‌کند. هندسه پیچ اکسترودر در ناحیه اشباع به طور خاص برای پخش و خیس کردن الیاف بدون برش زیاد طراحی شده است که الیاف را به طول های کوتاه می شکند. محتوای فیبر در قطعات LFT-D معمولاً از 30٪ تا 50٪ وزنی متغیر است. محتوای فیبر بالاتر نیاز به طراحی دقیق اکسترودر برای دستیابی به اشباع کامل بدون بسته‌های فیبر خشک دارد.

مرحله 3: تشکیل شارژ

اکسترود پیوسته از قالب اکسترودر به صورت طناب یا پروفیل مسطح از مذاب تقویت شده با الیاف خارج می شود. یک سیستم جابجایی رباتیک یا خودکار، اکسترود را به قطعات شارژ با وزن مورد نیاز برش می دهد و آنها را بر روی ابزار قالب پایینی در الگوی شارژ از پیش تعیین شده قرار می دهد. این مرحله نیاز به کنترل دقیق وزن و قرار دادن ثابت برای دستیابی به قوام ابعادی قطعه به قطعه و توزیع یکنواخت الیاف در قطعه قالب‌گیری دارد. هنگامی که شارژ در پرس قرار می گیرد در دمای مذاب قرار می گیرد - معمولاً 180 تا 220 درجه سانتیگراد - و پرس باید به سرعت بسته شود تا شارژ را قبل از افت قابل توجه دما ایجاد کند.

مرحله 4: قالب گیری فشاری

The پرس LFT-D به سرعت بسته می شود و بار گرمانرم داغ را بر روی سطح قالب تحت کنترل دما فشرده می کند. بر خلاف قالب‌گیری SMC ترموست، قالب در LFT-D خنک می‌شود - دمای قالب معمولاً 40 تا 80 درجه سانتی‌گراد است که بسیار کمتر از دمای تبلور ماتریس PP است. همانطور که پرس در فشار قالب گیری باقی می ماند، گرما از بار به داخل قالب جریان می یابد و ماتریس PP متبلور و جامد می شود. این قطعه را می توان به محض اینکه دمای هسته به زیر نقطه نرم شدن رسید - معمولاً 60 تا 90 ثانیه پس از بسته شدن با فشار برای یک قطعه استاندارد با ضخامت دیواره 3 تا 4 میلی متری، به طور قابل توجهی سریعتر از زمان پخت SMC ترموست، قالب گیری می شود.

چگونه LFT-D با GMT مقایسه می شود

مشخصات مطبوعات برای قالب گیری LFT-D حیاتی است

سرعت بسته شدن و زمان پاسخگویی

LFT-D یک فرآیند بحرانی زمان است: شارژ هنگام بارگذاری در دمای مذاب است و هر ثانیه تاخیر قبل از بسته شدن پرس نشان دهنده اتلاف گرما و افزایش ویسکوزیته است که جریان و توزیع فیبر را در قسمت قالب‌گیری شده کاهش می‌دهد. یک پرس LFT-D باید از حالت باز در عرض 3 تا 5 ثانیه به بسته کامل برسد - سریعتر از نیاز یک پرس استاندارد SMC یا GMT. این نیاز به یک سیستم هیدرولیک با سوراخ بزرگ با انباشته‌کننده‌های واکنش سریع و یک سیستم کنترل سروو دارد که قادر به اجرای یک انتقال سریع از پیش برنامه‌ریزی‌شده سریع به آهسته بسته شدن در هنگام تماس پرس با شارژ است.

کنترل موازی

قطعات LFT-D اغلب دارای مناطق برجسته بزرگ هستند - سپرهای زیر بدنه 1.5 تا 2.0 متر مربع رایج هستند. حفظ موازی صفحه در سراسر این ناحیه تحت نیروی فشار 1000-3000 کیلونیوتن نیازمند کنترل تسطیح فعال است. پرس‌های مجهز به سنسورهای موقعیت چهار گوشه و تصحیح سروو سیلندر هیدرولیک فردی می‌توانند موازی بودن را تا 0.1 ± میلی‌متر در سراسر صفحه کامل حفظ کنند - برای ضخامت قطعه و توزیع فیبر ثابت در قطعات بزرگ ساختاری LFT-D ضروری است.

کنترل دمای قالب

دمای قالب LFT-D باید به طور مداوم در محدوده 40-80 درجه سانتیگراد برای سینتیک کریستالیزاسیون PP مناسب حفظ شود. دمای خیلی پایین باعث تسریع یخ زدگی پوست قبل از جریان کامل شارژ می شود و باعث ایجاد نواحی پر نشده می شود. دمای بیش از حد بالا زمان چرخه را طولانی می کند و ممکن است باعث ایجاد نقص در سطح به دلیل کریستالیزاسیون تاخیری شود. مدارهای کنترل دمای آب چند منطقه ای - خنک کردن قالب تا دمای هدف در حین استخراج گرمای منتقل شده از هر بار گرم - به یک پرس طراحی شده با اتصالات داخلی کنترل دمای قالب و مسیریابی جریان نیاز دارد.

طراحی سیستم تخلیه

قطعات LFT-D معمولاً در دماهای بسیار بالاتر از محیط قالب‌گیری می‌شوند - هسته ممکن است هنوز در دمای 60 تا 80 درجه سانتی‌گراد در هنگام پرتاب باشد - برای حفظ اهداف چرخه تولید. قطعات در این دما بیشتر مستعد اعوجاج ناشی از نیروی پرتاب غیریکنواخت هستند. سیستم پرتاب پرس باید نیروی بیرون‌کشی کنترل‌شده و یکنواختی را در سراسر ردپای کامل قطعه، با الگوهای پین اجکتور مهندسی‌شده با هندسه قطعه، فراهم کند. برای قطعات ساختاری بزرگ، پرتاب به کمک ربات و قرار دادن کنترل شده بر روی وسایل خنک کننده یک روش استاندارد است.

کاربردهای LFT-D در ساخت خودرو

پنل های آیرودینامیک و محافظ زیر بدنه

پوشش‌های زیرین موتور، روکش‌های گیربکس و پانل‌های شکم آیرودینامیکی تولید شده در LFT-D PP جایگزین مهره‌های فولادی معادل با وزن کمتر 30 تا 40 درصد می‌شوند و در عین حال با ضربه سنگ، مقاومت دما (مداوم 120 درجه سانتی‌گراد، حداکثر 150 درجه سانتی‌گراد برای LFT مبتنی بر PP)، و NVH (نیازهای میرایی، نویز، لرزش) مطابقت دارند. بازیافت‌پذیری ماتریس PP یک نیاز برنامه‌ای رو به افزایش از سوی خودروسازان اروپایی است که انطباق با بازیافت وسایل نقلیه پایان عمر را هدف قرار می‌دهند.

بارگذاری طبقه و سازه بار

کف بار صندوق عقب، کف فضای بار در خودروهای شاسی بلند و وانت‌های تجاری، و روکش چرخ‌های یدکی از کاربردهای LFT-D با حجم بالا هستند که در آن نسبت سختی به وزن مواد، پایداری ابعادی و هزینه کم ابزار نسبت به مهر و موم ورق‌های فلزی یک مورد هزینه قانع‌کننده ایجاد می‌کند. کف‌های بار LFT-D می‌توانند دنده‌ها، نقاط اتصال و بریدگی‌های دسترسی به سرویس را در یک قالب ادغام کنند و مونتاژ چند تکه مورد نیاز در سازه‌های فولادی معادل را حذف کنند.

حامل های ماژول جلویی

ساختارهای حامل ماژول جلویی (FEM) - که از رادیاتور، چراغ‌های جلو و مجموعه سپر جلو پشتیبانی می‌کنند - در LFT-D PA (پلی آمید) یا PP دقت ابعادی و سفتی ساختاری مورد نیاز برای این مجموعه دقیق را فراهم می‌کنند در حالی که هندسه دنده و باس پیچیده را در یک قطعه مونتاژ شده در یک قطعه مورد نیاز می‌سازد. LFT-D مبتنی بر PA مقاومت دمایی بهتری نسبت به PP برای کاربردهای مجاور موتور که دمای پایدار بالای 120 درجه سانتیگراد انتظار می رود، ارائه می دهد.

سوالات متداول

LFT-D چه طول الیاف را در قسمت تمام شده به دست می آورد؟

ترکیب درون خطی LFT-D طول الیاف 10 تا 25 میلی‌متر را در قسمت قالب‌گیری نهایی حفظ می‌کند، در مقایسه با 0.2 تا 0.5 میلی‌متر برای ترموپلاستیک‌های تقویت‌شده با الیاف کوتاه قالب‌گیری شده با تزریق. طول الیاف در قسمت تمام شده تحت تأثیر طراحی پیچ اکسترودر، پیکربندی منطقه اشباع، و جریان تجربه شده در طول پر کردن قالب است - سرعت جریان بالاتر و هندسه های پیچیده تر قالب باعث شکستگی بیشتر الیاف در طول قالب گیری می شود. بهینه سازی فرآیند LFT-D برای به حداکثر رساندن طول فیبر حفظ شده، مستلزم متعادل کردن دقیق تنظیمات اکسترودر، الگوی شارژ و سرعت بسته شدن فشار است. تامین‌کنندگانی که سیستم‌های پرس LFT-D را ارائه می‌کنند باید داده‌های مستند طول الیاف را از تولید قطعه نماینده ارائه دهند، نه فقط خروجی نظری اکسترودر.

آیا می توان از LFT-D با فیبر کربن به جای الیاف شیشه استفاده کرد؟

بله - LFT-D با تقویت فیبر کربن (CF-LFT-D) از نظر فنی امکان پذیر است و یک منطقه فعال توسعه برای کاربردهایی است که به سختی خاص بالاتری نسبت به فیبر شیشه ای نیاز دارند. فیبر کربن LFT-D نسبت به الیاف شیشه ای LFT-D عملکرد قابل توجهی بالاتری نسبت به سفتی نسبت به وزن دارد، اما با هزینه مواد بالاتر (رووینگ فیبر کربن 5 تا 10 برابر هزینه روکش فیبر شیشه ای معادل است). کاربردهای کنونی CF-LFT-D عمدتاً در اجزای ساختاری خودروهای ممتاز، موتوراسپرت و هوافضا است، جایی که حق بیمه عملکرد وزن از نظر اقتصادی توجیه می شود. طراحی اکسترودر و منطقه اشباع برای فیبر کربن به سازگاری های خاصی در مقایسه با پردازش الیاف شیشه نیاز دارد - مدول کششی و شکنندگی بالاتر فیبر کربن، حفظ الیاف در طول ترکیب را چالش برانگیزتر می کند.

زمان چرخه LFT-D در مقایسه با قالب گیری تزریقی چگونه است؟

برای قطعات ساختاری بزرگ در محدوده وزنی 1 تا 3 کیلوگرم، قالب‌گیری فشاری LFT-D به زمان‌های چرخه 60 تا 120 ثانیه می‌رسد - قابل مقایسه یا سریع‌تر از قالب‌گیری تزریقی در اندازه قطعه معادل، بدون فشار بالای دروازه قالب‌گیری تزریقی که حفظ طول فیبر را محدود می‌کند. قالب‌گیری تزریقی قطعات بزرگ به زمان پر شدن طولانی‌تر و فشارهای تزریق بالا نیاز دارد که الیاف بلند را به طول‌های کوتاه می‌شکند و مزیت تقویت ساختاری را نفی می‌کند. برای قطعاتی که خواص ساختاری و اندازه قطعه به نفع LFT-D است، زمان چرخه نسبت به جایگزین‌های قالب‌گیری تزریقی نقطه ضعفی نیست.

از چه سیستم های رزینی می توان در پردازش LFT-D استفاده کرد؟

پلی پروپیلن (PP) رزین ماتریس غالب در پردازش LFT-D به دلیل ویسکوزیته مذاب پایین (که باعث اشباع الیاف خوب می شود)، هزینه کم، قابلیت بازیافت و عملکرد مناسب برای اکثر کاربردهای زیر بدنه و ساختار داخلی است. پلی آمید 6 (PA6) و پلی آمید 66 (PA66) برای کاربردهای با دمای بالاتر - اجزای محفظه موتور، قطعات ساختاری با بار حرارتی - که در آن حد دمای مداوم 120 درجه سانتی گراد PP کافی نیست، استفاده می شود. LFT-D مبتنی بر PET در کاربردهای خاص که نیاز به مقاومت شیمیایی یا پایداری ابعادی در دماهای بالا دارند استفاده می شود. هر سیستم رزین به پیکربندی اکسترودر خاص، محدوده دمای مذاب و مدیریت دمای قالب برای پردازش موفق نیاز دارد.

پرس سروو قالب گیری LFT-D | پرس سروو قالب گیری GMT | پرس قالب گیری سرو SMC | راه حل های صنعت خودرو | تماس با ما