SMC در تولید چیست؟ مواد، قالب گیری فشرده، طراحی و کاربرد

ترکیب قالب گیری ورق که معمولاً به عنوان SMC شناخته می شود، به طور گسترده ای در خودروسازی، برق، حمل و نقل، زیرساخت و تولید صنعتی استفاده می شود. ارزش آن نه تنها از ویژگی های خود کامپوزیت، بلکه از توانایی قالب گیری فشرده سازی قطعات بزرگ، پیچیده و بسیار یکپارچه در چرخه های تولید تکرارپذیر ناشی می شود.

SMC چیست و از چه چیزی ساخته شده است؟

SMC یک ترکیب قالب گیری گرماسخت تقویت شده با فیبر از پیش آغشته شده است که به صورت ورق عرضه می شود. این ماده معمولاً با ترکیب رزین مایع، تقویت‌کننده‌های خرد شده، پرکننده‌های معدنی و افزودنی‌های پردازش بین فیلم‌های حامل تولید می‌شود. پس از یک دوره بلوغ کنترل شده، ماده ویسکوزیته مورد نیاز برای جابجایی و قالب گیری فشرده را ایجاد می کند.

رایج ترین ماتریس است رزین پلی استر غیر اشباع به ویژه برای کاربردهای عمومی صنعتی و خودروسازی. سیستم‌های وینیل استر ممکن است در مواردی که مقاومت شیمیایی بالاتر یا چقرمگی بهبود یافته مورد نیاز است مورد استفاده قرار گیرد، در حالی که سیستم‌های فنولی و دیگر سیستم‌های ترموست ویژه برای کاربردهایی انتخاب می‌شوند که به گرما، دود یا ویژگی‌های شعله خاصی نیاز دارند.

تقویت کننده معمولاً فیبر E-glass خرد شده است. SMC تجاری استاندارد معمولاً حاوی تقریباً 20 تا 35 درصد فیبر شیشه ای وزنی است، در حالی که گریدهای ساختاری ممکن است از سطوح تقویت قابل ملاحظه ای بالاتر استفاده کنند. SMC فیبر کربنی نیز برای سازه های سبک وزن با کارایی بالا در دسترس است، اگرچه هزینه مواد آن به طور قابل توجهی بالاتر است.

پرکننده ها و افزودنی ها به همان اندازه مهم هستند. کربنات کلسیم ممکن است برای کنترل هزینه و رئولوژی مورد استفاده قرار گیرد، تری هیدرات آلومینیوم ممکن است به فرمولاسیون ضد شعله کمک کند، و افزودنی های کم مشخصات به کاهش انقباض قالب و بهبود کیفیت سطح رنگ شده کمک می کند. رنگدانه ها، کاتالیزورها، عوامل آزاد کننده قالب و ضخیم کننده ها نیز بر نحوه جریان و پخت این ترکیب تأثیر می گذارند.

خصوصیات مواد SMC معمولی

خواص SMC با توجه به شیمی رزین، محتوای الیاف، جهت گیری فیبر، بارگذاری پرکننده و شرایط قالب گیری بسیار متفاوت است. بنابراین، مقادیر زیر به بهترین شکل در نظر گرفته می شوند محدوده های مهندسی معمولی به جای مشخصات جهانی.

محتوای فیبر بیشتر به طور کلی سفتی و استحکام را بهبود می بخشد، اما همچنین می تواند جریان ترکیب را در دیواره های نازک، دنده های عمیق یا مناطق حفره بلند دشوارتر کند. بنابراین انتخاب مواد باید متعادل باشد عملکرد مکانیکی، قالب‌گیری، پرداخت سطح، فشار پردازش و هزینه مواد.

قالب گیری فشرده سازی SMC چگونه کار می کند

SMC معمولاً با استفاده از قالب‌های فشرده‌سازی فلزی گرم شده که در یک پرس قالب‌گیری هیدرولیک نصب می‌شوند، پردازش می‌شود. برخلاف قالب‌گیری تزریقی معمولی، مواد معمولاً از طریق سیستم دونده و دروازه وارد نمی‌شوند. در عوض، قطعات وزن شده SMC به طور مستقیم در قالب باز به عنوان شارژ با دقت طراحی شده قرار می گیرند.

پارامترهای معمولی قالب گیری SMC

این مقادیر یک پنجره شروع مفید را فراهم می‌کنند، اما دستور تولید نهایی باید با استفاده از توصیه‌های پردازشی تامین‌کننده SMC منتخب توسعه داده شود و با آزمایش‌های قالب‌گیری تایید شود.

بستن خیلی سریع پس از تماس می تواند الیاف را به شدت حرکت دهد، هوا را به دام بیاندازد و فلاش بیش از حد ایجاد کند. بستن خیلی آهسته ممکن است به رزین اجازه دهد تا قبل از پر شدن کامل دنده ها یا گوشه های دور شروع به عمل آوری کند. بنابراین پرس های مدرن SMC به کنترل دقیق هر دو نیاز دارند موقعیت و فشار در طول چرخه بسته شدن

طراحی قالب SMC و الزامات پرس هیدرولیک

پرس و قالب را باید یک سیستم در نظر گرفت. انتخاب پرس SMC تنها با تناژ اسمی کافی نیست زیرا ابعاد صفحه، نور روز، ضربه، استحکام ساختاری، موازی بودن، سرعت بسته شدن و ترتیب گرمایش می‌توانند به یک اندازه مهم باشند.

محاسبه تناژ مطبوعات مورد نیاز

یک محاسبه اولیه نیروی پرس با ناحیه قالب گیری پیش بینی شده و فشار قالب گیری مورد نیاز شروع می شود.

برای مثال، اگر مساحت قطعه پیش‌بینی‌شده 2000 سانتی‌متر مربع باشد و فرآیند به 10 مگاپاسکال فشار قالب‌گیری نیاز داشته باشد، نیروی نظری تقریباً 2000 کیلونیوتن است که تقریباً 204 تن-نیرو متریک است.

پرس تولید معمولاً باید دارای حاشیه مهندسی مناسب برای در نظر گرفتن تغییرات فرآیند، بارگذاری قالب، مهار فلاش، توزیع بار و بهینه‌سازی آینده باشد.

مشخصاتی که باید بررسی شود را فشار دهید

• ابعاد صفحه: ردپای قالب باید به اندازه کافی حمایت شود.
• نور روز: باز شدن کافی برای قالب، سیستم اجکتور و تجهیزات قسمتی مورد نیاز است.
• سکته مغزی: پرس باید به موقعیت های بارگذاری، بسته شدن و خروج مورد نیاز دست یابد.
• توازی صفحه: برای قالب ها و اجزای بزرگ با کنترل دقیق ضخامت مهم است.
• کنترل بسته شدن با سرعت کم: برای جریان کنترل شده SMC ضروری است.
• دقت فشار: تکرارپذیری را در مرحله پخت بهبود می بخشد.
• کنترل گرمایش: دمای قالب پایدار جریان ناهموار و پخت را کاهش می دهد.
• ذخیره سازی دستور غذا: زمانی مفید است که با یک فشار چند مولفه SMC تولید شود.
• رابط اتوماسیون: برای بارگیری رباتیک، تخلیه و تولید با حجم بالا مهم است.

اولویت های طراحی قالب

طراحی قالب SMC باید با الگوی شارژ مورد انتظار و مسیر جریان شروع شود. هدف پر کردن کل حفره قبل از درمان بیش از حد است و در عین حال از حرکت غیر ضروری فیبر جلوگیری می شود.

تهویه باید در نزدیکی مناطق پر شدن نهایی مورد انتظار قرار گیرد تا هوای محبوس شده بتواند بدون از دست دادن رزین یا فیبر بیش از حد خارج شود. زمین های فلش و لبه های برشی باید مواد را در خط جداکننده کنترل کنند، در حالی که مدارهای گرمایش باید دمای سطح یکنواخت منطقی را در سراسر قالب حفظ کنند.

دنده های عمیق، باس ها و حفره های باریک شایسته توجه ویژه هستند. اگر این ویژگی ها در انتهای یک مسیر جریان طولانی قرار گیرند، ممکن است مواد قبل از پر شدن کامل ژل شوند. درج ها همچنین باید به اندازه کافی ایمن قرار گیرند تا در برابر حرکت مقاومت کنند زیرا فشار فشار افزایش می یابد و SMC در اطراف آنها جریان می یابد.

تست مکانیکی، حرارتی و الکتریکی

هدف از آزمایش کیفیت SMC صرفاً تأیید این نیست که ترکیب با برگه داده تأمین‌کننده مطابقت دارد. تیم‌های تولید باید بررسی کنند که قطعه قالب‌گیری شده واقعی با مشخصات مهندسی مشتری مطابقت دارد.

تست های صلاحیت متداول شامل تست کشش بر اساس ASTM D638 یا ISO 527، تست خمشی بر اساس ASTM D790 یا ISO 178، تست ضربه با استفاده از روش هایی مانند ASTM D256 یا ISO 179، و تست انحراف حرارتی مطابق با ASTM D648 یا ISO 75 می باشد.

SMC درجه الکتریکی ممکن است به استحکام دی الکتریک، مقاومت عایق، مقاومت قوس الکتریکی یا سایر آزمایشات الکتریکی نیاز داشته باشد. ASTM D149 معمولاً برای استحکام دی الکتریک مورد اشاره قرار می گیرد، در حالی که ASTM D257 ممکن است برای مقاومت حجم و سطح استفاده شود.

تجزیه و تحلیل حرارتی مانند DSC و DMA می تواند به بررسی رفتار پخت و خواص مواد وابسته به دما کمک کند. همچنین ممکن است قطعات بیرونی به قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش، هوازدگی سریع، تهویه رطوبت یا چرخه حرارتی نیاز داشته باشند.

نقص های رایج SMC و نحوه عیب یابی آنها

نقص SMC معمولا بیش از یک علت احتمالی دارد. بنابراین عیب‌یابی مؤثر از تولیدکنندگان می‌خواهد که مواد، قالب، دما و مشخصات پرس را با هم بررسی کنند.

برای قطعات ساختاری حیاتی، سازندگان ممکن است از بازرسی اولتراسونیک، سیستم‌های آرایه فازی، برش یا سایر روش‌های بازرسی غیرمخرب و مخرب برای جستجوی حفره‌های داخلی یا لایه‌برداری استفاده کنند. سیستم های بازرسی نوری به طور فزاینده ای برای عیوب سطحی تکراری و کنترل فلاش مفید هستند.

دستورالعمل های طراحی برای ساخت قطعات SMC

یک طراحی SMC خوب باید از عملکرد ساختاری و جریان فشرده سازی قابل پیش بینی پشتیبانی کند. تا جایی که ممکن است، مهندسان باید از تغییرات ناگهانی ضخامت، برش‌های بسیار نازک بلافاصله به دنبال دنده‌های عمیق و توده‌های سنگین جدا شده از مواد اجتناب کنند.

ضخامت اسمی دیوار در اطراف 2.5-5 میلی متر در بسیاری از اجزای SMC صنعتی رایج است، اگرچه طراحی های نازک تر و ضخیم تر با مواد و ابزار مناسب امکان پذیر است. در جاهایی که تغییرات ضخامت ضروری است، انتقال تدریجی ترجیح داده می شود.

پیش نویس برای انتشار قابل اعتماد مورد نیاز است. تقریباً 1 درجه ممکن است برای برخی از سطوح صاف کافی باشد، در حالی که هندسه های عمیق تر یا بافت دار معمولاً به مقدار بیشتری نیاز دارند. گوشه های داخلی تیز باید با شعاع جایگزین شوند تا هم جریان مواد و هم دوام ساختاری بهبود یابد.

دنده ها باید سفتی را بدون ایجاد تجمع مواد غیر ضروری ایجاد کنند. برای سطوح آرایشی، پایه دنده ای در حدود 50 تا 75 درصد ضخامت دیوار مجاور ممکن است به عنوان یک نقطه شروع مفید عمل کند، اما هندسه نهایی باید در برابر سیستم SMC انتخاب شده تایید شود.

درج و بست

SMC می‌تواند درج‌های فلزی قالب‌گیری شده، ویژگی‌های رزوه‌دار و تقویت‌کننده موضعی را در خود جای دهد. درج ها باید دارای ویژگی هایی باشند که در مقابل چرخش و بیرون کشیدن مقاومت کنند و در عین حال از تمرکز تنش شدید در اطراف کامپوزیت جلوگیری کنند.

بست های مکانیکی باید نیروی گیره را در سطح کافی توزیع کنند. واشر، تقویت موضعی یا ویژگی های پخش بار قالبی ممکن است در اطراف پیچ و مهره های با بارگذاری زیاد مورد نیاز باشد.

چسب های ساختاری یکی دیگر از گزینه های پرکاربرد برای اتصال SMC به SMC، آلومینیوم، فولاد یا ترموپلاستیک های انتخابی هستند. سیستم های اپوکسی، پلی اورتان و اکریلیک بسته به سرعت تولید، دمای سرویس و طراحی اتصال ممکن است مناسب باشند.

از آنجایی که SMC پخته شده یک ترموست است، نمی توان آن را به روشی مشابه گرمانرم معمولی ذوب و جوش داد. بنابراین اتصال التراسونیک یا حرارتی به طور کلی به مجموعه‌های هیبریدی یا درج‌های ترموپلاستیک طراحی شده محدود می‌شود.

کیفیت سطح و پرداخت کلاس A

یکی از دلایل مهم باقی ماندن SMC در صنعت خودرو، توانایی آن در تولید پانل های بیرونی بزرگ با سطوح رنگ شده با کیفیت بالا است. با این حال، دستیابی به یک نتیجه کلاس A به کل سیستم تولید بستگی دارد.

فرمول‌های رزین با مشخصات پایین به کنترل انقباض کمک می‌کنند، اما پولیش قالب، یکنواختی دما، جریان بار و فشار قالب‌گیری نیز بر قابلیت خواندن فیبر و موج‌پذیری سطح تأثیر می‌گذارد.

یک فرآیند معمولی تکمیل شامل:

• بازرسی بصری برای تخلخل، فیبر در معرض و نقص سطح.
• حذف عیوب فلاش و لبه؛
• تمیز کردن برای حذف گرد و غبار، روغن و بقایای آزادسازی قالب؛
• سنباده کاری موضعی یا فعال سازی سطح در صورت لزوم.
• استفاده از پرایمر سازگار با SMC؛
• استفاده از پوشش پایه و پوشش بالا؛
• چسبندگی نهایی و بازرسی ظاهری

برای پانل های رنگ شده خودرو، فرآیند پوشش باید همراه با درجه SMC تایید شود زیرا آلودگی سطح، تخلخل و انبساط حرارتی می تواند بر ظاهر نهایی تأثیر بگذارد.

SMC کجا در تولید استفاده می شود؟

SMC زمانی جذاب‌تر است که سازندگان به هندسه قالب‌گیری پیچیده همراه با مقاومت در برابر خوردگی، عایق الکتریکی، کاهش وزن یا یکپارچگی قطعات بالا نیاز داشته باشند.

خودرو و وسایل نقلیه انرژی نو

کاربردها شامل پانل های خارجی، هود، پوشش های ساختاری، سپرهای زیر بدنه، پوشش باتری ها و اجزای حفاظت الکتریکی می باشد. در مقایسه با فولاد، قطعات SMC با بازطراحی مناسب می توانند وزن را کاهش دهند و در عین حال محافظت در برابر خوردگی را حذف کنند و چندین جزء مهر و موم شده یا جوش داده شده را در یک قالب ترکیب کنند.

تجهیزات برق و برق

محفظه های الکتریکی، جعبه های توزیع، محفظه های کنتور، قطعات تابلو برق و سازه های عایق از مقاومت الکتریکی و عملکرد خوردگی مواد بهره می برند.

راه آهن، دریایی و زیرساخت

SMC را می توان برای پانل های حمل و نقل، محفظه تجهیزات، سازه های ابزار، پوشش های دسترسی، اجزای سیستم کابل و سایر قطعاتی که در معرض رطوبت یا شرایط خورنده قرار دارند استفاده کرد.

تهویه مطبوع و تجهیزات صنعتی

پوشش‌های تجهیزات بزرگ، محفظه‌های فن و محفظه‌های دستگاه می‌توانند از توانایی SMC برای ادغام دنده‌ها، ویژگی‌های نصب، باس‌ها و سطوح پیچیده سه‌بعدی در یک جزء قالب‌گیری شده استفاده کنند.

مقیاس پذیری هزینه و تولید SMC

قیمت مواد اولیه به تنهایی روش مفیدی برای مقایسه SMC با فولاد، آلومینیوم یا ترموپلاستیک نیست. مهندسان باید کل هزینه ساخت یک قطعه قابل قبول را محاسبه کنند.

هزینه مواد بستگی به وزن خالص قطعه، وزن شارژ، کاهش تریم و درجه SMC دارد. SMC ساختاری هایگلاس، فرمولاسیون های مقاوم در برابر شعله، گریدهای کم چگالی و سیستم های فیبر کربنی می توانند اقتصاد بسیار متفاوتی داشته باشند.

زمان پرس یکی دیگر از عوامل مهم است. یک چرخه 90 ثانیه ای و یک چرخه 180 ثانیه ای خروجی سالانه بسیار متفاوتی از یک دستگاه قالب گیری تولید می کنند. هنگامی که حجم تولید افزایش می یابد، اتوماسیون برای جابجایی مواد، بارگیری، تخلیه و پیرایش می تواند استفاده را بهبود بخشد و تغییرات مربوط به اپراتور را کاهش دهد.

ابزار باید در طول عمر واقعی تولید مستهلک شود. اگر سرمایه گذاری قالب و ابزار مربوطه 200000 دلار هزینه داشته باشد و برای تولید 200000 قطعه قابل قبول استفاده شود، سهم ابزار اولیه تقریباً 1.00 دلار برای هر قطعه قبل از در نظر گرفتن نگهداری و تعمیر است.

عملیات ثانویه مانند پیرایش، سوراخ کاری، رنگ آمیزی، اتصال و مونتاژ نیز باید گنجانده شود. در بسیاری از کاربردهای صنعتی، یکی از مزایای اصلی SMC، توانایی حذف برخی از این فرآیندهای پایین دستی با ادغام توابع مستقیماً در قطعه قالب‌گیری شده است.

نحوه انتخاب تامین کننده تولید SMC

ممیزی تامین کننده باید بیش از تناژ پرس و قیمت واحد ذکر شده را پوشش دهد. تولیدکنندگان باید توانایی تامین‌کننده را برای کنترل مواد، ابزار، پارامترهای قالب‌گیری و اعتبار بخشی نهایی بررسی کنند.

پایداری SMC و ملاحظات پایان عمر

SMC معمولی از یک ماتریس ترموست شبکه متقابل استفاده می کند. پس از پخت، رزین را نمی توان به سادگی به همان روشی که پلی پروپیلن، نایلون یا ترموپلاستیک دیگر گرم کرد و دوباره ذوب کرد.

بازیافت مکانیکی یک مسیر عملی برای برخی از جریان‌های زباله SMC تمیز است. ضایعات ممکن است آسیاب شده و مجدداً به عنوان پرکننده یا تقویت کننده در کاربردهای کامپوزیت انتخاب شده استفاده شود. عملیات حرارتی و تجزیه در اثر حرارت نیز ممکن است از نظر فنی امکان پذیر باشد، به ویژه در جایی که می توان تقویت کننده های ارزشمند را بازیابی کرد، اگرچه اقتصاد و زیرساخت های محلی همچنان محدودیت های مهمی هستند.

برخی از ضایعات کامپوزیت را می توان برای پردازش مشترک صنعتی که در آن هر دو بخش آلی و معدنی ارزش دارند، ارزیابی کرد.

برای تأسیسات تولید ایالات متحده، الزامات زیست محیطی به سیستم واقعی رزین و فرآیند تولید بستگی دارد. تولید کامپوزیت پلاستیکی تقویت‌شده ممکن است تحت قوانین فدرال، ایالتی و محلی قابل اعمال حاکم بر آلاینده‌های خطرناک هوا، اجزای فرار، پوشش‌ها و زباله‌های صنعتی باشد. بنابراین، تسهیلات باید انطباق را بر اساس فرمول و فرآیند SMC خاص خود ارزیابی کنند نه اینکه فرض کنند که یک قانون به طور یکسان برای هر عملیاتی اعمال می شود.

سوالات متداول