压缩成型 101

一个介绍

压缩成型是热固性塑料、热塑性塑料以及弹性体和天然橡胶的常见聚合物制造工艺。 它可以生产大批量、尺寸精确、高强度、耐高温且具有良好表面质量的零件。 与替代制造工艺相比,可以以更好的单件成本生产各种长度、厚度和复杂性的零件。

在压缩成型工艺中制造的零件重量从 1 盎司到 100 多磅不等,可以模仿金属的强度和复杂的几何形状,具有防腐蚀和电绝缘特性。 产品有多种形式,从薄壁容器到厚实的形状,包括厨具、电气外壳、头盔以及飞机和汽车部件。

热固性塑料和热塑性塑料有多种材料可供选择,它们的价格和性能各不相同。 因此,在压缩成型过程中使用的树脂和纤维的压缩成型示例:

热固性树脂: SMC、BMC、TMC、环氧树脂、酚醛树脂、三聚氰胺和尿素。

热塑性树脂:聚丙烯、尼龙、UHMWPE、HDPE,以及PEEK、PEKK、PAEK等耐高温材料。

纤维种类:玻璃纤维、芳纶、标准模量碳纤维,以及其他等级的碳纤维。

(16) Macrodyne 100 吨高级复合成型单元,配有模具加热/冷却套件(带多区加热控制)和高速数据采集系统。 冲压单元用于制造航空发动机部件。

材料的性能如何与它们的组合方式以及所使用的纤维与树脂的比例直接相关,这会导致不同的拉伸强度。 例如,片状模塑料 (SMC) 和块状模塑料 (BMC) 等热固性塑料之间的区别在于纤维被切碎并与树脂混合的方式以及所用每种材料的比例。

在确定压缩成型的工艺参数时,材料成分是最重要的。 除了零件形状和厚度外,材料选择还将决定所需的预热温度、成型温度、成型压力、保压时间、冷却速度、排气压力、排气时间和压边力。

热固性塑料和热塑性塑料的不同之处在于它们的玻璃化转变温度 (Tg),即聚合物在光泽态和橡胶态之间可逆转变的温度。 弹性体的 Tg 低于环境温度,而热固性塑料和热塑性塑料的玻璃化转变温度高于环境温度。

除了温度和压力等工艺参数之外,材料成分也会影响材料的流动。 增强纤维的浸渍效果将对所制造零件的机械性能和质量产生影响。 玻璃含量较多的材料需要更大的压力。 几何形状越平坦和简单,成型部件所需的时间和压力就越少。

例如,运行 17% 至 20% 的玻璃含量与 40% 至 50% 的玻璃含量将需要较小的压力来促进材料流动。 高玻璃含量材料可以通过加入覆盖范围更大的电荷来抵消,从而使工艺更接近冲压。

工程师可以确定工艺参数,包括生产所需零件所需的适当材料量、加热材料所需的最少时间和能量、适当的加热技术以及优化工艺和输出所需的力,尽管有一些可以遵循的准则。

3500吨模压机

作为计算所需吨位的一般经验法则:

宽” x 长” x PSI x 0.00046 = 吨

宽度(英寸)X 长度(英寸)X 2000 磅/平方英寸 X 0.00046 = 所需吨位

过程控制也应该与增量能力进行设计和集成,以允许过程在不同位置进入不同的吨位,特别是在涉及复杂几何形状的情况下。 最好在控件中包含至少五种不同的设置。 成型商可以确定这些参数。

压缩成型工艺

压缩成型需要一个模具,该模具由钢或铝加工而成,旨在满足尺寸和吨位要求。 如简介中所述,计算所需吨位的一般经验法则是使用以下公式:宽度(英寸)X 长度(英寸)X 2000 磅/平方英寸 X 0.00046 = 所需吨位

由于材料特性在压缩成型工艺和工艺参数的确定中非常重要,因此热固性塑料和热塑性塑料的工艺相似,但在重要方面也有所不同。

热固性塑料的压缩成型工艺:

  1. 由型腔和型芯组成的模具或金属工具安装在压力机中,并且可能具有整体加热功能,以在整个过程中控制温度。 温度也可以通过液压机的压板进行控制。
  2. 安装并加热工具后,将纤维增强树脂材料或装料放入工具中。 聚合物装料的尺寸、重量和取向将在完成后对部件的性能产生影响。 在某些情况下,装料是预先成型或预热的。
  3. 一旦材料进入模具的加热型腔,压力机就会以设定的速度和压力关闭。 当两个半模合在一起时,它们迫使材料通过整个模腔以生产零件。 根据材料的工艺要求,该工具将在压力下保持关闭状态一段预定的时间,导致发生不可逆的化学交联,从而形成固化部件。
  4. 零件固化后,释放压力,然后将零件从工具中取出。 可能有少量树脂毛边需要去除。
  5. 热固性塑料需要更严格的温度控制以防止缺陷和翘曲。 如果材料在加热的模具中停留时间过长,那么快速的循环时间可以防止材料出现与预固化相关的风险。
压缩成型工艺

工艺参数 – 热固性材料:

夹钳吨位
1000 – 2500 psi 在零件的成型表面区域

合模速度
500 – 1200 英寸/分钟

压制速度
0 – 35 英寸/分钟

温度
290 至 400°F

热塑性塑料的压缩成型工艺:

对于热塑性塑料,该过程相对相同。 主要区别在于,在热塑性塑料的情况下,温度受控的冷却模具用于促进材料的硬化。 一旦硬化,它可以从模具中取出。 该过程也因所选材料而异

工艺参数——热塑性塑料:

合模速度:合模速度可高达每分钟 1,900 英寸。 速度高于热固性材料所需的速度,因为压力机必须以防止预冷或预固化的速度下降到材料上。 预热和预测量可减少多余的闪光,但也有助于防止预固化。

夹具吨位:确保足够的夹具吨位将通过减少零件缺陷和机器过早故障来提高产量,从而节省过程中的资金。 如果您的工艺需要 200 吨的锁模力,那么 400 吨的机器就过大了。 为您的材料和工艺确定一台功能强大的机器以及具有工程专业知识的压力机制造商,以设计出性能卓越的压力机,这一点很重要。

压制速度:热塑性塑料需要更大范围的压制速度。 该循环可以持续几分钟到一个小时,具体取决于所选材料、装料大小以及冷却和固化所需的时间。 快速压制循环,压制速度高达每分钟 190 英寸,可促进最佳生产输出并防止零件中出现任何可能导致翘曲、疲劳和开裂的残余应力积聚。

温度:当压缩成型热塑性塑料时,工具被加热到 95 到 180°F 之间。 材料将在 450 至 550°F 的温度下从压机中出来。 与热固性部件不同,热塑性部件不会交联,因此它们可以在不改变材料化学成分的情况下重新熔化和重复使用。 它们在熔融状态下加工,冷却过程建立内部结构和形状

新闻特点

模压机具有增强功能和过程控制功能,例如温度补偿可调导向、零件处理、进料和模具自动化、型芯和顶出器包、压板锁定装置、模具和压板加热包、直接或蓄能器液压驱动、智能压板、平行度和真空包装。

智能调平系统以及平行度对于包括模内涂层或偏心负载情况的工艺尤其重要。 伺服比例控制的调平油缸、动力调平主轴和相关的电子控制包可以内置到压力机中,以确保压板平行度,并最终最大限度地提高性能和产量。 如果材料中出现气体问题,真空包装会减少空隙含量,从而导致成型零件中出现空隙。

同样,精确的压板控制对于零件生产的可重复成功至关重要。 平滑的压制循环和可调的压制速度控制了型腔中的材料流动速率,并防止最终产品中出现任何颗粒。

压缩成型过程中的热固性材料

热固性复合材料是压缩成型工艺中最常用的材料类型。 热固性树脂包括电木、聚酯、聚氨酯、脲醛以及三聚氰胺、环氧树脂和醇酸树脂。

热固性材料的选择基于其特性、应用和相关成本。 例如,乙烯基酯树脂用于耐腐蚀应用,而环氧树脂满足高强度应用的设计要求,通常出于成本和性能因素选择聚酯树脂。

在压缩成型中使用热固性材料使制造商能够获得复杂的几何形状和零件,模仿金属的特性,并具有一些额外的优势。 它提供的强度重量比非常适合汽车部件等应用,因为它们生产的部件更轻、更耐用,不会显着增加车辆的重量和性能。

(4) 4000 吨压力机

虽然强度和结构完整性无疑是热固性塑料的竞争优势,但它的缺点包括弹性和伸长率差。 它的低初始粘度会导致毛边和二次加工操作的需要。 表面光洁度也往往更难。 同样,高含量的某些填料会导致过度的工具磨损。

成型时,材料的最终结构是高度交联的,由高度支化的分子组成,化学键可提高机械和物理性能。 因此,它不能像热塑性塑料一样被回收。 在部件的强度和质量取决于发生的交联度的情况下选择热固性塑料。

热固性聚合物经历三个不同的阶段:

第一阶段:在第一阶段,也称为甲阶酚醛树脂,树脂仍可熔可溶。

第二阶段:在第二阶段,热固性塑料几乎不溶但具有热塑性。 由于促进材料流动的温度会导致交联,因此它们只会在这种熔融状态下停留很短的时间。

第三阶段:聚合的最后阶段是在受控的热量和压力影响下发生交联反应的地方。

通常选择热固性塑料是因为其材料特性。 它不易溶胀,并且在大多数有机溶剂的存在下不溶。 它还具有高抗蠕变性、低热导率、微波透明性和出色的介电强度,以及模内公差、颜色和表面光洁度种类的选择。

由于材料中使用的化合物是反应性系统,它们会影响材料的保质期,并可能导致批次过程中批次间一致性的变化。 热固性塑料需要温控储存,这是材料选择过程中的一个额外考虑因素

其他影响热固性塑料在压缩成型过程中的机械性能和性能的工艺参数是压缩温度、压缩过程中的压力、保压时间、冷却速度和开模温度,以及预热温度、排气温度和压力。

当热固性塑料压缩成型中的工艺和材料选择理想时,它以良好的价格点促进功能设计性、简单制造、快速加工和高性价比。

常用热固性材料

环氧树脂、酚醛和不饱和聚酯树脂、不饱和聚酯、乙烯基酯、聚氨酯和厌氧粘合剂都是压缩成型过程中常用的热固性树脂的例子。

下面,两张照片突出了预成型环氧树脂材料和酚醛材料之间的区别:

图 1:预制环氧树脂材料
图 2:酚醛材料

片状模塑料 (SMC)

片状模塑料 (SMC) 是一种纤维增强的热固性材料(聚合物树脂、惰性填料、纤维、催化剂、颜料、稳定剂、脱模剂和增稠剂的组合),通常用于需要更高机械强度的较大部件。 玻璃纤维增强率介于 10% 和 60% 之间,纤维长度略长于块状模塑料 (BMC),介于 ½ 英寸和 1 英寸之间。

SMC 的制造过程是一个连续的在线过程,其中材料的顶部和底部都用聚乙烯或尼龙塑料薄膜包裹以防止自粘。 将糊状物均匀地铺在底膜上,将短切纤维以随机方式添加到糊状物上,然后将顶膜引入该过程,卷成预定厚度并放置 48 小时使其成熟。

SMC 满足生产具有 A 级光洁度的外观关键部件的应用,但它也是需要强度和刚度但不是外观关键美学的涂装和结构应用的理想选择。

块状模塑料 (BMC)

块状模塑料 (BMC) 是一种类似于 SMC 的热固性塑料树脂,但纤维和树脂的结合方式不同。 它仍然是惰性填料、纤维增强剂、催化剂、稳定剂和颜料的混合物,但它们形成了粘性腻子。 该材料使用短玻璃纤维进行高度增强,玻璃增强率为 10% 到 30%,长度在 1/32 英寸和 ½ 英寸之间。

除了提高机械性能、最小化收缩能力和颜色稳定性之外,BMC 还将实现紧密的尺寸控制、阻燃和耐轨道性、电绝缘性、耐腐蚀性和耐污性,使其成为需要精确细节、尺寸和性能的应用的理想选择。 它还可以耐受粉末涂料和水性涂料。

图 3:蓝色 BMC
BMC挤压

通常,热固性塑料具有出色的火焰、烟雾和毒性特性。 一个很好的例子是氰酸酯,它具有极低的放气特性。 它们还具有低密度、耐腐蚀性和介电特性。 它们具有成本效益,并提供许多项目渴望的设计灵活性。

复合材料

复合材料,例如层压塑料,也是用于压缩成型工艺的热固性材料。 层压塑料是一种特殊形式的聚合物基复合材料,由多层纤维增强材料组成,这些材料浸渍有热固性树脂(通常为酚醛树脂),通过加热和加压粘合在一起。 材料浸渍和干燥后,将其切成薄片,堆叠在一起,然后使用高压和指定温度(270° 至 350°F)压制。 这导致层压复合材料的范围可以从硬材料到较软的增塑等级,具体取决于应用。

图 2:复合成型工艺

层压热固性材料具有高机械强度、尺寸稳定性、刚性、高强度重量比以及良好的电气、防潮和耐热性。 在这些多层材料的生产过程中,重要的是用树脂彻底润湿纤维,去除多余的树脂。

层压板需要加固到一定的厚度,并排出所有滞留的空气、水分和溶剂,以避免材料中出现孔隙。 固化时间是必不可少的,以确保材料既不会过度固化,也不会固化不足。

这些层压复合材料的应用包括配电盘面板和接线板、起动机/发电机/电视绝缘材料、垫圈、垫圈、齿轮或任何其他存在高进给和切割速度的产品。

固化层压板,也称为高压层压板,按照美国电气制造商协会 (NEMA) 的规范生产 70 多种标准等级。 在模压层压板和模压浸渍部件中可以找到相同的基材,其中模具成本由生产数量证明是合理的,而从平面层压板加工是不经济的。

压缩成型过程中的热塑性塑料

就像它的热固性对应物一样,热塑性塑料为需要腐蚀的金属部件提供了一个很好的替代品。 与替代材料相比,它可以承受恶劣甚至有毒的环境,并提供更好的表面处理,以降低相关成本。

有两类热塑性聚合物:无定形和半结晶。 无定形热塑性塑料不形成晶体结构。 高于玻璃化转变温度 (Tg),聚合物模块是固体,并且存在足够的能量来促进分子之间的相对运动,从而能够在这些温度下进行成型。

聚醚酰亚胺 (PEI) 是无定形热塑性聚合物的一个例子。 其 Tg 为 423°F,其工艺温度范围在 575° 至 625°F 之间。 尼龙可以是无定形的或半结晶的。 与半结晶聚合物不同,无定形热塑性聚合物可以在接近其 Tg 的温度下成型。

半结晶聚合物具有聚合物紧密堆积在一起并形成晶格的区域,以及无定形的区域。 特定部件的结晶度取决于聚合物类型和冷却速度。 聚醚醚酮 (PEEK)、聚醚酮酮 (PEKK) 和聚苯硫醚 (PPS) 都是半结晶热塑性聚合物。

PEEK:Tg – 290°F,过程温度范围 – 715°F 至 740°F。

PEKK:Tg – 312°F,过程温度 – 645°F 至 690°F。

PPS:Tg – 192°F,过程温度 – 550°F 至 620°F。

除了它们的分类之外,热塑性塑料以三种材料形式存在。 第一种是织物预浸料,它采用普通的碳纤维或玻璃纤维编织材料,在织物中加入热塑性树脂。

它们也被称为半浸料,因为在引入高温以启动浸渍过程之前,树脂大部分都在表面上。 这些适应性材料主要用于大型连续结构。

第二种材料形式是指增强型热塑性层压板 (RTL),多层定向层压板,其使用的材料和形成的层数以及宽度和长度各不相同,并根据以下分类进行分类等级、等级、树脂和方向。

RTL 经历了高压、高温热成型过程,以实现热塑性树脂的最佳纤维束浸渍。 鉴于 RTL 能够快速加热和加工,它被用于短周期热成型工艺。

热塑性塑料存在的第三种材料形式是宽度不等的热塑性塑料单带,包括短切模塑料级或八分之一英寸的切割带。 当使用自动铺带和纤维铺放设备以及现有的各种自动化解决方案时,这种形式的优势是效率。

与热固性塑料相比,热塑性塑料的初始原材料成本高于热固性塑料,并且由于需要更高的加工温度而增加了模具成本。 与需要冷藏和冷藏运输的热固性塑料不同,热塑性塑料没有化学反应,因此它们可以在室温下储存而不会降低其性能。

热塑性塑料的其他优点包括高强度、抗收缩性和柔韧性。 热塑性塑料适用于低应力应用或高应力机械部件。 热塑性塑料的重量性能比、多功能性和可回收性使其成为大批量、精密应用的理想选择。 与热固性塑料不同,它的固化过程是可逆的,因为不会发生化学键合。 当回收和改造时,其物理特性不会受到影响。

使用热塑性塑料代替金属等材料的主要缺点是它们的熔点相对较低。 某些类型的低质量热塑性塑料在长时间暴露在阳光下时会熔化。 一些热塑性塑料对有机溶剂和碳氢化合物的耐受性也很差。

热塑性塑料的另一个缺点是它们容易蠕变,当材料在长期应力负荷下拉伸和减弱时就会发生蠕变。 材料的较低熔化温度进一步加剧了蠕变敏感性。 其他类型的热塑性塑料,例如复合材料,在高应力条件下会断裂而不是变形。

常用热塑性塑料

常用的热塑性塑料包括聚乙烯 (PE)、聚氯乙烯 (PVC) 和聚苯乙烯 (PS),以及丙烯酸树脂、含氟聚合物、聚酯、聚酰亚胺和尼龙。 它们用于许多应用,从塑料容器到瓶子、塑料袋、绳索、皮带、航空航天应用组件、医疗设备等等。

PEEK 是一种高性能、半结晶、有机热塑性聚合物,用于多种工程应用。 它是无色有机物,属于聚芳醚酮 (PAEK) 家族的一部分。 作为一种先进的生物材料,PEEK 具有优异的机械和热性能、耐高温蠕变、低可燃性和耐腐蚀性能。

PEEK 的机械和耐化学性能在高温、有机和水性环境中保持不变,使其成为轴承、活塞部件、泵、压缩机板阀、电缆绝缘等应用的理想选择,用于汽车、航空航天、化学加工和许多其他领域应用程序。 它还用于生产医疗器械和植入物。

由于 PEEK 会在相对较高的温度下熔化,因此部件具有耐热性和电绝缘性和热绝缘性。 与其他半结晶材料一样,它在结晶时会发生尺寸变化和收缩,但在此过程中很容易解决。

PAEK 系列中的另一种材料是 PEKK。 也被认为是一种高性能半结晶热塑性聚合物,它还具有强度、耐热性和耐化学性以及低易燃性,非常适合要求苛刻的应用。 虽然 PEKK 与 PEEK 相似,但前者取代了材料成分中的一个柔性醚键,使其成为更刚性的酮产品。

PEI 是一种无定形热塑性塑料,具有高机械、热和电性能、强度和刚度。 当用玻璃纤维增强时,它提供更大的拉伸强度、刚度和改进的尺寸稳定性。

作为一种塑料,它具有与聚芳基砜(PSU、PPSU)相似的特性,但其优点相似。 它在很宽的温度范围内提供抗蠕变、水解和在高永久工作温度下的尺寸稳定性,以及电绝缘性、抗辐射性、耐氯和其他腐蚀性清洁剂等化学品。

高密度聚乙烯 (HDPE) 是另一种常用的热塑性塑料。 它源自天然气乙烷,当加热到 1500°F 时,其分子会分解。 分离的分子之一是气体乙烯,它在聚合过程中变成树脂并生产聚乙烯。 聚乙烯用于制造多种不同类型的塑料,包括低密度聚乙烯 (LDPE) 和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET 或 PETE)。

HDPE 的特性使其能够耐受多种溶剂、抗冲击和耐候性,它具有高密度强度比,这意味着它重量轻且强度高,是回收和再利用的理想选择,这就是为什么它经常成为首选材料的原因用于瓶子或袋子,以及玩具、管道、木材和烟花。

直接长纤维热塑性塑料 (DLFT) 本质上是直接复合形式的长纤维热塑性塑料 (LFT)。 它是一种复合材料,其中使用热塑性聚合物,与纤维增强材料和其他添加剂混合,在压力下成型和固化,以生产出具有几何灵活性和更快循环时间的坚固材料。

在 DLFT 的情况下,大小很重要。 它是大型汽车零件的理想选择,因为最小的零件应至少重 2 磅,但最好重 4 磅或更大。 它可用于需要减轻重量和提高性能的材料特性。 它可用于生产具有纹理的装饰表面,需要最少的精加工。

而 DFLT 可以回收和再利用,而不会影响其性能。 与热固性材料相比,缺点包括较高的模具成本、有限的耐热性、有限的真正 A 级能力和较弱的尺寸稳定性。

如上所述,有无数的树脂和纤维组合可产生多种材料和材料特性,可用于压缩成型过程,这就是为什么利用专家的知识和支持很重要的原因,他们可以引导您完成整个过程工艺和材料决策,以确保您的应用和输出以最佳方式运行并产生所需的结果。

压缩成型的优缺点

压缩成型生产的复合部件具有不同的复杂性,可与金属制造的部件相媲美。 它们提供相同的强度和机械性能,但在重量性能比、抗腐蚀和电绝缘性能方面优于金属,并且需要更少的后加工加工来满足几何规格。

压缩成型工艺的最大优势之一是可以在成型时轻松加入肋条和其他嵌件,从而减少或完全消除了对二次加工的需求。 通过一种工艺,它可以用一个复杂的压缩成型零件代替多个组装零件。

合并二次加工的能力减少了对劳动力和零件库存的需求,并最大限度地减少了材料报废和检查时间。 另一个好处是工具成本低,需要成本较低的资本设备,以及它适用于自动化的事实。 所有这些都可以在不影响性能、质量和产量的情况下节省成本。

压缩成型的不足之处在于,该工艺不适用于非常复杂的零件或包含底切、侧拉或小孔的零件,因为它存在因工艺流程和压力而产生小变形或断裂的风险。 从工艺角度来看,压缩成型在大多数方面都可以与注塑成型相媲美,但由于加热和冷却过程而导致的循环时间更长,在压缩成型过程中使用热固性塑料和热塑性塑料时,这对零件性能和质量至关重要。