Подробно обяснение на степента на свиване на формите от композитен материал SMC

Степента на свиване на формите от композитни материали SMC (Sheet Molding Compound) е основен технически параметър при проектирането на матрици и масовото производство на продукти, определящ директно точността на размерите, качеството на повърхността и съвместимостта на сглобяването на продуктите. По същество това е съотношението на разликата между крайния размер на продукта и размера на кухината на формата при стайна температура към размера на кухината на матрицата при стайна температура, след като SMC материалът се охлади от температурата на формоване. Прецизното контролиране на този параметър е ключова предпоставка за постигане на прецизно формоване на SMC продуктите и осигуряване на стабилност на производството.

I. Дефиниция на сърцевината и метод за изчисляване на степента на свиване на матрицата от композитен материал SMC

Степента на свиване на матрицата на SMC композитни материали (обикновено се отнася до линейна скорост на свиване в индустриални сценарии) се определя като процент на разликата между размера на кухината на матрицата при стайна температура и действителния размер на продукта спрямо размера на кухината на матрицата при стайна температура. Основната изчислителна логика се върти около закона за промяна на обема на материала по време на температурни промени и реакции на втвърдяване и може да бъде конкретно разделена на два сценария на приложение: теоретично изчисление и действително измерване на формоването.

1.Формула за теоретично изчисление:Степен на свиване=(c - b) / c × 100%, където c представлява размера на кухината на формата при стайна температура (mm), а b представлява действителния размер на продукта при стайна температура (mm).

2. Изчисляване на действителното свиване при формоване:Ефектът от промяна на размерите при температурата на пресоване трябва да бъде включен, т.е.=(a - b) / a × 100%, където a е размерът на кухината на формата или продукта при температурата на пресоване (mm). Този метод на изчисление е в съответствие с действителните температурни колебания в процесите на масово производство и има по-висока референтна стойност за резултатите от изчислението.

Важно е да се отбележи, че свиването на SMC продуктите се състои от две основни части: едната е структурното свиване, причинено от уплътняването на молекулярното кръстосано -свързване по време на реакцията на втвърдяване на смолата(необратимо),а другият е термичното свиване от температурата на формоване до стайна температура след формоване(обратимо).Сред тях влиянието на термичното свиване върху крайната скорост на свиване обикновено е по-голямо от това на структурното свиване и неговият модел на вариация е тясно свързан с вида на системата от смола, вида и дозировката на добавките с ниско свиване.

II. Типичен диапазон на степен на свиване на SMC композитни форми

Степента на свиване при втвърдяване на SMC на базата на обикновена ненаситена полиестерна смола- може да достигне 7% до 10%, но чрез добавяне на добавки с ниско свиване (като PVC, PS, PE и др. термопластични смоли), действителната скорост на свиване при формоване може значително да се регулира до разумен диапазон. При сценарии за индустриално масово производство степента на свиване при формоване на конвенционалните SMC продукти обикновено се контролира от 0,03% до 0,1%, докато SMC с ниско свиване (LS-SMC) може да постигне почти-нулево свиване (под 0,01%), отговаряйки на изискванията за високо-прецизни продукти.

Степента на свиване на SMC материали с различни формули варира значително. Например степента на свиване на SMC материалите, специално проектирани за електрически компоненти (като RL-SMC-6006), може да бъде толкова ниска, колкото 0,03 ± 0,03%, докато тази на SMC материалите с общо предназначение обикновено попада в диапазона от 0,07% до 0,08%. При практически приложения техническите параметри, предоставени от доставчика на материала, трябва да се приемат като основна референция, за да се избегнат отклонения в размерите, причинени от разлики във формулите.

III. Ключови фактори, влияещи върху степента на свиване на SMC композитни форми

Степента на свиване на SMC композитните форми не е фиксирана константа, а се влияе от множество фактори като състав на суровините, структури на матрицата, форми на продукта и процеси на формоване. Сред тях характеристиките на суровините и параметрите на процеса са основните променливи за контролиране на скоростта на свиване и изискват специално внимание:

1. Въздействието на съставите на суровините

Съставите на суровините са основните фактори, определящи степента на свиване. Разликите в техните компоненти могат да доведат до фундаментални промени в характеристиките на свиване. Конкретните въздействия са както следва:

1.Система от смола:Скоростта на свиване на SMC на базата на епоксидна смола е много по-ниска от тази на SMC на базата на фенолна смола и ненаситена полиестерна смола. Основната причина е, че плътността на епоксидната смола е относително висока преди втвърдяване и по време на процеса на втвърдяване не се отделят вещества с малка молекула; докато фенолната смола освобождава водни молекули по време на втвърдяването, а молекулярното разстояние на стиреновия омрежващ агент в ненаситената полиестерна смола се променя значително по време на втвърдяването и е придружено от частично изпаряване, като и двете водят до увеличаване на степента на свиване.

2.Добавки за ниско свиване:Видът и дозировката на добавките оказват значително влияние върху степента на свиване. Например, когато дозата на добавки като хлориран винилацетатен съполимер и полистирен се увеличи от 15 части на 30 части, линейната скорост на свиване може да бъде намалена от 0,25% на 0,01%. Все пак трябва да се отбележи, че прекомерните добавки ще удължат цикъла на втвърдяване и ще намалят механичната якост на продукта. В индустриалното масово производство дозировката обикновено се контролира на около 5%.

3.Влакна и пълнители:Скоростта на свиване на неорганичните пълнители като стъклени влакна и калциев карбонат е много по-ниска от тази на смолистата матрица. Увеличаването на тяхното съдържание може ефективно да потисне общата скорост на свиване. Например, когато масовото съдържание на стъклени влакна се повиши от 15% на 30%, степента на свиване може да бъде намалена с повече от 30%. Въпреки това е необходимо да се балансира дължината на влакното и течливостта на материала, за да се избегне отрицателното въздействие на прекалено дългите влакна върху ефекта на запълване на кухината на формата.

4.Летливо съдържание:Колкото по-високо е съдържанието на летливи вещества като стирен в SMC материалите, толкова повече кухини остават, след като летливите вещества излязат по време на процеса на формоване, и степента на свиване се увеличава съответно. Следователно, в промишленото производство летливото съдържание на формовъчната маса трябва да бъде строго контролирано, за да се избегне надвишаване на критичната стойност от 5%.

2. Влиянието на структурата на матрицата и формата на продукта

1.Коравина на мухъл:Когато твърдостта на матрицата е недостатъчна, по време на процеса на пресоване е склонна да възникне еластична деформация, което води до по-големи размери на продукта и индиректно намаляване на измерените

скорост на свиване. Особено при продукти с тънки-стени влиянието на твърдостта на формата е по-забележимо. Твърдината може да се подобри чрез увеличаване на дебелината на стената на матрицата или използване на материали с висока -якост като стомана P20.

2.Сложност на продуктовата структура:Степента на свиване на продуктите с дебели-стени обикновено е по-висока от тази на продуктите с тънки-стени. Основната причина е, че смолата в области с дебели-стени втвърдява и разсейва топлината бавно, което води до по-задълбочено структурно свиване. Продукти със сложни кухини, филета или ребра са склонни към неравномерно свиване, като местните отклонения в степента на свиване е възможно да надхвърлят 10%. Локалното компенсиране на свиването трябва да бъде насочено по време на етапа на проектиране на формата.

3.Разлика в посоката на потока:По време на потока на SMC материал в кухината на формата влакната се подреждат по посока на потока, което води до обикновено по-висока скорост на свиване в посоката на потока от тази в посока, перпендикулярна на потока. Тази анизотропия е по-изразена при големи продукти. Състоянието на потока трябва да се балансира чрез оптимизиране на позицията на затвора на формата, за да се намалят разликите в свиването.

3. Влиянието на параметрите на процеса на формоване

Параметрите на процеса на формоване директно влияят върху крайната степен на свиване чрез регулиране на процеса на реакция на втвърдяване и степента на уплътняване на материала. Сред тях температурата, налягането и времето на задържане са основните контролни точки, които трябва да бъдат точно съгласувани със свойствата на материала.

1.Температура на пресоване на матрицата:В рамките на конвенционалния температурен диапазон на формоване (135~155 градуса), повишаването на температурата води до увеличаване на степента на свиване. Основната причина е, че колкото по-висока е температурата, толкова по-голям е обемът на термичното разширение на материала и количеството на термичното свиване при охлаждане до стайна температура също се увеличава съответно; междувременно високите температури ускоряват реакцията на втвърдяване, което може да доведе до недостатъчно структурно свиване, но като цяло ефектът от термичното свиване е доминиращ.

2.Налягане на формоване:В рамките на разумен диапазон, увеличаването на налягането на формоване (обикновено от 10 MPa до 30 MPa) може да намали степента на свиване, тъй като високото налягане може да направи продукта по-компактен и да минимизира кухините, образувани по време на втвърдяването на смолата. Приемането на дву-система за компресиране на „пълнеж при високо-налягане + втвърдяване под ниско-налягане“ може допълнително да оптимизира скоростта на свиване. Освен това, колкото по-малко е налягането във втория етап и колкото по-дълго е времето на задържане в първия етап, толкова по-добър е ефектът на контрол на свиването.

3.Време за задържане на налягането и запазване на топлината:Удължаването на времето за задържане на налягането и запазване на топлината може да увеличи плътността на омрежване на смолата, да намали коефициента на линейно разширение и по този начин да намали скоростта на свиване. При нормални обстоятелства, когато запазването на топлината и времето за задържане на налягането се удължи от 5 минути на 15 минути, скоростта на свиване може да бъде намалена с 20% до 30%. Въпреки това е необходимо да се избягва прекомерното удължаване, което може да доведе до спад в ефективността на производството. Времето трябва да бъде разумно определено в комбинация с дебелината на продукта и характеристиките на материала.

4.Метод на деформиране:Степента на свиване при студено изваждане от формата (изваждане от формата при охлаждане до под 60 градуса) е по-ниска от тази при горещо изваждане от формата (изваждане от формата при над 100 градуса), тъй като студеното изваждане от формата може да намали вторичното охлаждане на свиването на продукта след изваждане от формата; студеното изваждане обаче ще удължи производствения цикъл и изборът трябва да бъде направен въз основа на цялостен баланс на изискванията за прецизност на продукта и целите за ефективност на производството.

IV. Методи за контрол на степента на свиване на SMC композитни форми и ключови точки от дизайна на матрицата

За да се гарантира точността на размерите на продуктите, степента на свиване трябва да се управлява цялостно от три аспекта: състав на материала, оптимизация на процеса и дизайн на формата. Сред тях, компенсирането на свиването в етапа на проектиране на формата е решаваща стъпка за гарантиране на прецизността на масовото производство:

1. Контрол на оптимизацията на състава на материала

За предпочитане използвайте системи от смоли с ниско{0}}свиване (като винилов естер) или добавете 5% до 8% добавки с ниско{3}}свиване (като съполимер на винил ацетат), за да поддържате основната степен на свиване под 0,05%, като по този начин намалявате риска от колебания на свиване от източника.

Чрез разумно регулиране на съдържанието на стъклени влакна (25% до 30% от масовата част) и тяхната дължина (3 до 6 mm), степента на свиване може да бъде намалена, като същевременно се гарантира механичната якост на продукта. Освен това, 10% до 20% неорганични пълнители (като талк на прах) могат да бъдат добавени за допълнително подобряване на ефекта на инхибиране на свиването.

1. Контролирайте стриктно летливото съдържание на формовъчната смес и нейната среда и време за съхранение, за да избегнете необичайно увеличаване на скоростта на свиване поради изпаряване на стирен и да осигурите стабилността на характеристиките на материала.

2. Оптимизиран контрол на процеса на формоване

Приемете дву-етапна система за компресиране: в първия етап се прилага високо налягане (20~25MPa) за запълване на кухината на формата, за да се осигури пълно запълване на материала; във втория етап налягането се намалява до ниско налягане (5~10MPa) за втвърдяване, намалявайки структурното напрежение на свиване, което може да намали скоростта на свиване с 15%~25% и да подобри стабилността на свиване.

Оптимизирайте кривата за контрол на температурата: приемете режим на градиентно нагряване (първо загрейте при 135 градуса за 5 минути, след това увеличете температурата до 150 градуса за втвърдяване), за да избегнете локално прегряване, причиняващо неравномерно свиване; след втвърдяване, използвайте метод на бавно охлаждане, за да намалите градиента на термично свиване и да минимизирате напрежението при свиване.

Прецизно съвпадение на времето за задържане на налягането и запазване на топлината: Правят се различни настройки в зависимост от дебелината на продукта. За продукти с тънки-стени (<5mm), the pressure holding time is 5 to 8 minutes, and for thick-walled products (>10 мм), това е 12 до 15 минути. Това гарантира, че смолата е напълно втвърдена и намалява колебанията на свиването в по-късен етап.

3. Ключови точки за компенсиране на свиването в дизайна на матрицата

Принцип на избор на степен на свиване: При проектирането на матрицата трябва да се определи степента на компенсационно свиване в комбинация с параметрите на формулата на материала, характеристиките на структурата на продукта и условията на процеса на формоване. Обикновено към измерената степен на свиване се добавя марж от 10% до 20%. За продукти със сложна -структура трябва да се направи целенасочена локална компенсация в зависимост от разликите в свиването в различните части (например степента на компенсация при области с дебели-стени може да се увеличи с 5%).

Оптимизиране на структурата на матрицата: Подобрете цялостната твърдост на матрицата, за да предотвратите еластична деформация по време на процеса на пресоване; настройте изпускателните канали разумно (с дълбочина, контролирана между 0,03 и 0,05 mm), за да изгоните ефективно летливите вещества и въздуха, като намалите кухините при свиване; оптимизирайте позицията и броя на портите, за да осигурите равномерен поток на материала и минимизиране на анизотропното свиване.

Последващи коригиращи мерки: За високо-прецизни продукти трябва да се приеме цикличен процес на оптимизиране на „пробно формоване - измерване на размерите - корекция на матрицата“. Действителната скорост на свиване се извежда от отклонението в размерите на първото изделие и след това размерите на кухината на формата се локално фино-настройват чрез методи като електроерозионна обработка, за да се гарантира крайната прецизност.

V. Съответни стандарти и изисквания за изпитване

Тестването и класифицирането на степента на свиване на формите от композитен материал SMC трябва стриктно да се придържа към националния стандарт GB/T 15568-2024 „Обща формовъчна смес за листове (SMC)“ (този стандарт замени GB/T 15568-2008). Стандартът ясно определя изискванията за класификация за показателите на свиване и съответните методи за изпитване:

1. Класификация по показатели на свиване: Стандартът класифицира SMC в четири степени, S1 до S4, въз основа на техните показатели на свиване. Всеки клас съответства на определен диапазон от нива на свиване. Когато правите действителни селекции, е необходимо да съпоставите материала със съответния клас въз основа на изискванията за точност на продукта, за да избегнете отклонения в размерите, причинени от неправилен избор на материал.

2. Метод на изпитване: Пресоването на матрицата се извършва с помощта на образци с форма на диск-. Линейната скорост на свиване се изчислява чрез измерване на разликата между диаметъра на кухината на формата и диаметъра на образеца при стайна температура. По време на процеса на изпитване условията на изпитване трябва да бъдат строго контролирани. Температурата на пресоване на матрицата е зададена на 141 градуса и времето за задържане е 10 минути, за да се гарантира, че резултатите от теста са сравними с реалните производствени сценарии.

VI. Често срещани проблеми и мерки за противодействие

По време на действителното масово производство необичайните скорости на свиване могат лесно да причинят качествени дефекти като изкривяване на продуктите, отклонения в размерите и повърхностни пукнатини. Конкретните контрамерки за често срещани проблеми са следните:

Прекомерната степен на свиване води до по-малки размери. Основните контрамерки включват: увеличаване на съдържанието на добавки с ниско -свиване от 5% на 8%, повишаване на налягането на формоване с 5 до 10 MPa и удължаване на времето за задържане с 3 до 5 минути. Ако се установи, че летливото съдържание на материала надвишава стандарта, квалифицираните формовъчни материали трябва да бъдат заменени своевременно, за да се реши проблемът при неговия източник.

2. Неравномерното свиване причинява деформация на деформация: Ключовите решения са: поддържане на температурната разлика между горната и долната форма в рамките на 5 градуса, използване на охлаждащи устройства за ограничаване на свободната деформация на продукта след изваждане от формата, оптимизиране на структурата на продукта (като добавяне на ребра за подобряване на твърдостта) и регулиране на позицията на затвора, за да се осигури равномерен поток на материала и балансиране на степента на свиване на всяка част.

3. Анизотропното свиване причинява отклонение при сглобяване: Решенията за оптимизация включват: регулиране на дизайна на кухината на формата, за да се поддържа посоката на потока на материала в съответствие с референтната посока на сглобяване на продукта; увеличаване на дължината на влакното от 3 мм на 6 мм, за да се намали степента на ориентация на влакното; приемане на много{3}}точков дизайн на вратата за балансиране на състоянието на потока на материала в кухината на формата и намаляване на разликата в свиването.

Резюме

Скоростта на свиване на формите от композитен материал SMC е цялостно отражение на свойствата на материала, дизайна на матрицата и процесите на формоване. Основната контролна логика е следната: намаляване на основната степен на свиване чрез дизайн на формула за ниско-свиване, регулиране на процесите на втвърдяване и термично свиване чрез оптимизиране на параметрите на процеса и компенсиране на отклоненията в размерите чрез компенсиране на свиването на формата. При промишленото масово производство е необходимо точно да се определи компенсационната стойност на степента на свиване въз основа на изискванията за точност на продукта, параметрите на формулата на материала и условията на производствения процес, за да се постигне прецизно и стабилно производство на SMC продукти. За продукти с висока -прецизност (толеранс на размерите ±0,05 mm) се препоръчва да се приеме комбинирано решение от „персонализирана формула на материала + дву-процес на пресоване + вторична корекция на матрицата“, за да се гарантира, че степента на свиване е стриктно контролирана под 0,03%.