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拉挤空心型材的无皱成型

来源:国际塑料商情 发布时间:2021-03-08 791
化工塑料橡胶塑料加工设备模具及零件材料处理、计量与检测原料及混合物添加剂及母粒其他增强塑料 技术前沿
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纤维增强复合结构的拉挤型材价格低廉、性能稳定并且是一维的 , 对成本敏感行业(例如汽车行业)是一项很好的选择,而局部拉伸弯曲是得到无皱热塑性拉挤空心型材的一种新方法。

拉挤成型是一种成本低廉的纤维增强复合结构生产工艺。因此,对成本敏感的行业(例如汽车行业)有着利用拉挤型材局部加固结构部件的强烈动机。在某些情况下,也可以考虑用拉挤型材组装结构部件。但是,拉挤型材传统的一维几何结构通常需要用到复杂的连接元件或在部件设计中做些妥协。热塑性基体材料的使用(例如:通过熔融拉挤成型或反应型热塑性拉挤成型)实现了拉挤型材的后续成型。它能够克服上述障碍,因此有助于扩大拉挤型材的应用范围。但是,目前尚缺乏在满足基本质量要求的同时实现型材局部柔性成型的制造工艺。


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标题图 通过局部拉伸弯曲(上)生产的试样和通过拉延弯曲(下)生产的试样的纤维起皱情况比 较 © Fraunhofer IC


在Unist-HIM项目的框架里,弗劳恩霍夫化学技术研究所(FraunhoferICT)与位于蔚山国立科学技术学院的复合材料项目研发中心(FPC@Unist)以及其他韩国合作伙伴LargeCo.Ltd.、LGHausysLtd.、Katech、SKC和Dyetec正在开发用于热塑性浸渍半成品复合产品成型的制造工艺。这些产品可以是空心中间材料(HIM),也可以是夹心中间材料(SIM)。FraunhoferICT的重心是具有单向(UD)纤维取向的拉挤管材的成型,这种拉挤管具有较高的截面模量和刚度,并且重量轻,材料投入少。局部拉伸弯曲的目的是通过型材的局部柔性成形将这一优势与几何结构的灵活性相结合。


局部拉伸弯曲的原理


局部拉伸弯曲方法的发展基于对型材成形或弯曲过程中产生的机械应力的分析——外半径上的拉应力和内半径上的压应力。后者通常会导致起皱,而这会对型材的机械和光学性能产生负面影响。在局部拉伸弯曲过程中(图1),这些压应力可通过在成型过程中对内半径上的连续纤维进行选择性地预拉伸来消除。因此,在加热型材之前,用专用夹具将纤维局部夹紧并拉伸。只有在整个成型过程中(加热、成型、冷却)都保持这种拉伸载荷才能使连续纤维在内半径处始终张紧并避免起皱。在成型过程中,其他未预拉伸的连续纤维由型芯和包套(每一个都是柔性的金属弯曲弹簧)引导,从而避免其他典型的损伤机制,例如:型材断面塌陷和基体失效。由于连续纤维的长度是恒定的,它们必须在成型过程中互相滑动,才能使型材的端部在成型后成一定角度露出来。


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图1 局部拉伸弯曲的概念图(来源:Fraunhofer ICT;图片 © Hanser)


方法验证和工艺参数研究


在初步测试过程中,上述方法的有效性通过自动试验台上的弯曲实验进行了证明。此处,拉挤管材的长度为330mm,外径为20mm,壁厚为3mm,由60wt.%UD玻璃纤维增强的PETg基质组成,通过局部拉伸弯曲成型。弯曲半径为93mm时,型材几乎可以在毫不起皱的情况下弯曲,最大内角可达约130°(图2)。型芯和包套的使用还避免了断面塌陷和基体失效的风险。因成型工艺产生的倾斜端部随后被去除。由于内半径上的连续纤维的机械夹紧,型材端部的壁厚产生了变化。但是,它们不会延伸到整个型材上,而是到距型材末端40-50mm处就不再出现。


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图2 通过局部拉伸弯曲生产的空心型材 © Fraunhofer ICT


为了更好地了解局部拉伸弯曲的过程,他们通过DoE(实验设计)研究对某些主要工艺参数对弯曲结果的影响进行了分析。为此,他们以不同的工艺参数生产了上述试样(弯曲半径:93mm,内角:130°)。除了工艺温度(成型工艺开始时的型材温度),他们还对成型运动进行了研究。通过初步测试可知,与连续成型运动相比,逐步成型运动可实现更稳定的工艺并显著减少起皱。连续纤维可控的滑动只能通过逐步成型实现。因此,工序长度(每个成型工序的进给路径)、成型速度(成型工序的执行速度)和保压时间(两个连续的成型工序之间的时滞)也会发生变化。


纤维起皱被认为是成型型材最重要的质量特征之一。为了无损地定量,试样在恒定的照明条件下从不同的限定角度进行拍摄。起皱的表面与光滑的表面反射的光不同。这种效果被用于通过图像处理软件计算起皱表面占型材总表面的比例。以这种方式确定的值被称为“起皱指数”并以百分比表示。0%对应理想的无皱型材,而100%则对应每个测量点都起皱的型材。除了纤维起皱,试样的截面变形和机械性能也被视作更进一步的质量特征。


DoE研究结果(图3)为如何减少上述PETg/GF60UD管的起皱提供了明确的建议。最佳工艺温度位于所记录的温度范围(110–150°C)的下限。但是,在这种情况下需要注意的是,在较低的工艺温度条件下发现了试样的某些几何损伤。特别是,130°的内角在这些条件下通常无法获得,因为“冷弯”型材较高的断面模量抵消了成型运动。一个折衷的方法是在约130°C时获得。此外,由许多小工序和较短的保压时间组成的成型运动也有利于减少起皱。最低的起皱指数在最短的保压时间(1s)和最小的工序长度(25mm)条件下获得。后者需要相应的大量成型工序。理想的情况是成型速度位于所测速度设定值的中上部分,约为60mm/s。


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图3 DoE研究的等高线图:工艺参数对纤维起皱的影响(来源:Fraunhofer ICT;图形 © Hanser)


所研究的工艺参数对型材的截面变形没有显著影响,因为它在很大程度上受到了型芯和包套的阻碍。


纤维起皱的机械影响


对于试样的机械性能而言,工艺参数具有一定的影响。例如:可确保最低程度起皱的参数设置也会带来极高的机械承载能力。起皱指数为40%-45%的试样在三点弯曲试验中的断裂力(图4)比起皱指数为10%的试样低6.1%。


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图4成型试样进行三点弯曲测试的装置 © Fraunhofer ICT


将局部拉伸弯曲与拉延弯曲相比较时,纤维起皱对机械性能的影响更加明显,尤其是对金属管材而言。后者在本次研究中与可商购的曲型(型号:581240,制造商:REMSGmbH&CoKG,德国威布林根)一起使用。但是,与金属管材的常规方法相比,拉延弯曲并不是作为冷成型工艺执行的,而是在130°C的工艺温度条件下进行。该工艺有时会产生深层褶皱(标题图),而这无法在局部拉伸弯曲过程中观察到。在这一点上,起皱指数的比较没有任何意义,因为它只会记录褶皱的分布情况(起皱表面的比例)而不是它们的深度。由于存在这种深层褶皱,拉延弯曲生产的型材在三点弯曲试验中的断裂强度比局部拉伸弯曲生产的试样低20.5%(图5)。


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图5 三点弯曲试验的测量数据:纤维起皱对成型型材机械性能的影响 (来源:Fraunhofer ICT;图形 © Hanser)


结语


局部拉伸弯曲是热塑性UD空心型材局部无皱成型的一种新方法。在当前的开发状态下,应用范围仅限于简单几何规格的小型成型操作。未来,工艺控制和夹持系统以及适配材料系统的优化将有助于更复杂几何的生产和实心型材的加工。




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本文翻译自KUNSTSTOFFEINTERNATIONAL杂志


作者:JonathanHaas,BernardBose


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