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用熱塑性復(fù)合材料3D打印用于模壓成型SMC的模具

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2022-05-09  來源:PEGGY MALNATI  瀏覽次數(shù):428
核心提示:初步的IACMI/ORNL研究,評估了采用熱塑性聚合物3D打印模壓成型SMC用模具的可行性。為了能夠在不影響關(guān)鍵性能的前提下,以更低的
 
 初步的IACMI/ORNL研究,評估了采用熱塑性聚合物3D打印模壓成型SMC用模具的可行性。
 
    為了能夠在不影響關(guān)鍵性能的前提下,以更低的成本將零部件更快地推向市場,OEMs及復(fù)合材料供應(yīng)鏈的成員們正在不斷尋求新的方法。隨著模擬工具的日益精確以及材料成型速度的日益加快,最終限制新產(chǎn)品上市速度的重要一步,就是部件成型所需的高成本、長交貨期的金屬模具的制造過程。為了縮短這一步驟,人們將更多的注意力集中到了增材制造技術(shù)上,希望通過對聚合物和金屬的3D打印來制造可行的模具,以化解這一關(guān)鍵步驟帶來的瓶頸。
 
    采用傳統(tǒng)的“減材”制造方法,如研磨、切割、鉆削和電火花加工等,制造一副用于模壓或注射成型的P20鋼大型汽車模具,可能需要24 周的時間,相比之下,增材制造能將模具的制造周期從幾個月縮短到幾周甚至幾天,同時還能降低成本和重量,重量的減輕則有助于減少模具制造帶來的碳足跡。
 
    作為美國能源部(簡稱DOE)先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所(簡稱IACMI)支持的一個大型研究項目的一部分,美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗室(簡稱ORNL)所屬的制造示范工廠(簡稱MDF)開展了一項初步研究——用熱塑性復(fù)合材料3D打印用于模壓成型片狀模塑料(SMC)的模具,如圖1所示。
圖1 由ORNL和IACMI 聯(lián)合開展的一項研究,嘗試采用耐高溫的碳纖增強(qiáng)熱塑性塑料,在大型增材制造系統(tǒng)上3D打印出用于產(chǎn)品開發(fā)的SMC模壓成型模具。雖然還有更多的工作要做,但這項研究表明,此概念是可行的,它為那些準(zhǔn)備開發(fā)新的復(fù)合材料部件的制造商提供了除依靠模擬或者花費(fèi)大量的時間和成本制造硬模具之外的第三種方案(圖片來自O(shè)RNL)
 
工程項目范圍
 
    該項目是作為一個更大的、多年期的IACMI項目的一部分而開始的,參與IACMI項目的成員包括一家歐洲的汽車制造商,以及代表汽車復(fù)合材料供應(yīng)鏈的IACMI組織的成員。
 
    “我們這個項目的OEM合作伙伴想要了解有關(guān)SMC的知識,所以我們設(shè)計了一系列的試驗來探索什么是可行的,同時保持開放的心態(tài)。”位于田納西大學(xué)諾克斯維爾分校的、由ORNL主管的IACMI的所長兼首席技術(shù)官Uday Vaidya回憶說,“我們的研究需要解決的一個問題是,看看能否3D打印出用于成型SMC的復(fù)合材料模具。”
 
   “從一開始我們就知道,我們制造的模具不夠耐用,無法用于商業(yè)生產(chǎn)。”ORNL的復(fù)合材料創(chuàng)新集團(tuán)制造科學(xué)部研發(fā)專職科學(xué)家Ahmed Arabi Hassen補(bǔ)充道,“但是,快速、低成本地制造原型模具的前景,為我們提供了一個探索未知的機(jī)遇,因為這能夠為制造商提供一種新的方法,以取代單純依靠模擬或者耗費(fèi)時間和成本來制造硬模具的方法。”
 
    研究人員們首先定義了用于成型SMC的模壓模具對性能的要求,包括能夠耐受130~150℃的模溫以及13.8 MPa的成型壓力。
 
    從修邊模具到耐高溫、耐高壓的熱壓罐模具,ORNL的團(tuán)隊曾經(jīng)對3D打印聚合物和金屬的模具作過研究。該項目則是ORNL第一次嘗試采用3D打印的方法來制造一種用于模壓成型SMC的聚合物模具,這可能也是在全球開展的第一個這樣的研究工作。ORNL的MDF采用的大型增材制造(BAAM)打印機(jī)由美國辛辛那提公司和ORNL共同開發(fā),這臺擠出(熔絲制造類型)打印機(jī)裝有大型噴嘴(直徑10.16 mm),沉積速度45kg/h,能采用粒料形式的聚合物原料打印出長6m、寬2.5m以及高1.8m的部件。BAAM打印機(jī)能夠快速打印出大型部件的代價是打印的分辨率低,同時會產(chǎn)生凹凸不平的表面,因此需要后續(xù)加工。為了確保在打印及清理完畢后獲得正確的尺寸,打印的模具路徑會略有增大。
 
    “因為我們之前已經(jīng)探索過所有容易實(shí)現(xiàn)的目標(biāo), 比如3D打印鋪層模具和熱壓罐模具,所以我們已經(jīng)篩選出了可以在BAAM機(jī)器上打印的各種熱塑性塑料。”Hassen繼續(xù)說道,“我們已經(jīng)確定了3種耐高溫的碳纖維增強(qiáng)材料,它們具有成型SMC所需的熱性能和力學(xué)性能。”
 
    這3種材料包括兩種無定形熱塑性塑料,即碳纖增強(qiáng)聚苯砜(CF/PPSU)和碳纖增強(qiáng)聚醚砜(CF/PES或CF/PESU),以及一種半結(jié)晶材料,即碳纖增強(qiáng)聚苯硫醚(CF/PPS)。鑒于通常在BAAM機(jī)器上打印的部件尺寸很大,研究人員們選用了碳纖維而不是玻璃纖維增強(qiáng)的聚合物來為模具提供必要的剛度和強(qiáng)度以及實(shí)現(xiàn)減重。此前,MDF團(tuán)隊已經(jīng)為每種聚合物確定了碳纖增強(qiáng)材料的使用比例,比如,可以在半結(jié)晶PPS中添加40%~60%重量百分比(FWF)的碳纖維,50%被認(rèn)為是最佳比例。“我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)碳纖含量低于50%時,性能還有待提高,但高于60%卻出現(xiàn)了干纖維束。”Hassen補(bǔ)充道。
 
    由于PES和PPSU是無定形的,它們的粘度在潤濕或成型溫度下會更高,因此很難擁有高重量百分比的纖維,通常擁有的比重是20%~35%,其中25%被認(rèn)為是最佳比例。“雖然我們可以在PPS中添加更高比例的纖維,以獲得更高的力學(xué)性能,但是在打印某些形狀時,這種材料更容易變形和開裂,因為模具溫度和壓力會上下循環(huán)變動。”Hassen表示。
 
概念驗證: 飾板
 
    研究人員們首先采用碳纖增強(qiáng)PPS打印了一副正方形的飾板模具(如圖2所示),其最終的外形尺寸是355.6mm×355.6mm×3.2mm,要求該模具要能夠承受1.03MPa的成型壓力和130~150℃的成型溫度。為了便于打印,他們改變了模具中凸起部分的角度(90°)并垂直打印了最長的一面(在Z軸上)。此外,為了防止冷卻過程中熱的熱塑性塑料在凸起區(qū)域坍塌,他們添加了可移動的45°倒角支撐,隨即會在打印完成后用機(jī)加工方式將其去掉。模具的芯模和型腔側(cè)面在BAAM機(jī)器中被并行打印出來,整合到打印中的其他特征還包括插槽,它被打印在陰模的背面,用來容納頂出銷(如圖3所示)。鑒于打印后需要加工,以使成型表面獲得可接受的光潔度,他們將尺寸加大了5.08mm。打印后,將模具內(nèi)表面加工光滑,并在容納4個頂出銷的位置上進(jìn)行鉆孔,以將一個氣動頂出銷系統(tǒng)安裝到模具中。
圖2為飾板模具而設(shè)計的芯模和型腔,在BAAM 設(shè)備上采用碳纖增強(qiáng)PPS材料將其打印出來(圖片來自O(shè)RNL)
圖3 打印且加工后的模具兩個半模,包括用于容納試驗用的氣動頂出銷系統(tǒng)的插槽(圖片來自O(shè)RNL)
 
    接著,將模具安裝到一臺模壓機(jī)中,利用壓機(jī)模板(將其溫度設(shè)置在190℃)對該模具間接或被動加熱12小時,使其達(dá)到180℃的溫度。如此長的加熱時間是必要的,這是因為打印該模具采用的是一種熱導(dǎo)率很低的熱塑性塑料,雖然其中含有50% FWF的碳纖維(碳纖維本身的熱導(dǎo)率很高)。研究人員們通過嵌入式傳感器來監(jiān)測成型表面的溫度,他們發(fā)現(xiàn),每次打開壓機(jī)、取出部件然后放入新的SMC時,溫度都會降低15~20℃,因此,有必要在打開壓機(jī)、放入材料開始下一成型周期之前,先取出部件,然后閉合壓機(jī)并等待模溫的再次升高。
 
    為了減少熱損耗,防止模具表面溫度降到150℃以下,他們在模具周圍放置了額外的隔熱材料,然后直接將SMC鋪放到復(fù)合材料的模具表面,采用150℃的成型溫度和10t的鎖模力成型并固化,停留時間為5min.。他們總共生產(chǎn)了12個部件,整體效果良好,如圖4所示。材料完全固化后,可以毫無問題地從CF/PPS模具表面(偶爾會向該表面噴脫模劑)脫離。此外,頂出銷系統(tǒng)運(yùn)行良好,成型過程中材料沒有在頂出銷的縫隙之間流動。
圖4 采用CF/PPS飾板模具成功地成型出了SMC的飾板(圖片來自O(shè)RNL)
 
座椅靠背示范件
 
    接下來,研究人員們擴(kuò)大了這項技術(shù)的應(yīng)用范圍,打印了一副更大、更復(fù)雜的汽車座椅靠背模具,尺寸是812.8mm×685.8mm×304.8mm。為了便于打印,這次他們再次改變了形狀,同時在凸起區(qū)域增加了可移動的支撐結(jié)構(gòu),如圖5所示。這次采用的打印材料是25% FWF CF/PPSU,芯模和型腔半模分開打印,每一半都在4h內(nèi)打印完畢。和上次一樣,打印后利用機(jī)加工來清理表面。由于該模具很淺,所以無需頂出銷就能確保部件脫模。
 
圖5 采用CF/PPSU 材料打印的(上)及機(jī)加工后的(下)座椅靠背模具半模(圖片來自O(shè)RNL)
 
    和上次一樣,他們將該模具安裝到模壓機(jī)上,利用壓機(jī)模板(該模板同樣保持190℃的溫度)加熱12h,如圖6所示。由于這種打印材料的熱導(dǎo)率更低(因為碳纖維的含量更低),所以模具表面只達(dá)到了105℃,這一溫度太低而無法固化SMC。和上次一樣,他們在模具周圍放置了隔熱材料以便更好地保溫。然而,再次加熱12小時后,整個成型表面的內(nèi)部溫度也只達(dá)到120~125℃。為確定此溫度是否足以固化SMC,他們將一塊坯料放入模具中,并施加30t的鎖模力,結(jié)果發(fā)現(xiàn),每一次開、合模后,模具的表面溫度會降低10~15℃,表明它無法維持SMC正常固化所需的溫度。為彌補(bǔ)溫度的降低,研究人員們討論了將溫度提高10~15℃的方法,但是,由于加熱模具需要的時間很長,所以他們認(rèn)為這不切實(shí)際。因此,他們只成功地生產(chǎn)出了兩個部件,一個部件完全固化,另一個部件存在固化不良的部分,如圖7所示。
 
圖6 安裝在壓機(jī)上準(zhǔn)備用于生產(chǎn)部件的汽車座椅靠背模具半模(圖片來自O(shè)RNL)
 
圖7 對更大更復(fù)雜的汽車座椅靠背模具進(jìn)行加熱和保溫都有難度,導(dǎo)致模具不均勻的加熱和變形,從而在部件中表現(xiàn)出固化不良(a)和開裂(b)問題(圖片來自O(shè)RNL)
 
問題管理及下一步措施
 
 
研究人員們審查了項目成果,并確定了未決問題。
 
    好的一面是,模具在幾天之內(nèi)就能被打印、加工和安裝好。雖然使用的材料成本要高得多,但依然比傳統(tǒng)的金屬模具省時省錢。此外,打印的模具能夠承受成型SMC所需的溫度和壓力,而且加工后成型表面的光潔度足以生產(chǎn)出表面光潔的部件,雖然不能達(dá)到汽車的A級表面質(zhì)量。
 
    另一方面,模具低的熱導(dǎo)率導(dǎo)致來自壓機(jī)熱模板的熱傳遞非常緩慢而令人無法接受,而且每次壓機(jī)打開時都會快速散熱。此外,兩副模具都擁有非均勻的結(jié)構(gòu)(由打印方向和纖維排列所致)和非均勻的熱剖面,這會導(dǎo)致PPS模具在延長的加熱周期中出現(xiàn)翹曲和裂縫,以及SMC 部件的薄段在PPSU模具中固化不一致。
 
    研究人員們得出結(jié)論,只是利用壓機(jī)模板的熱傳導(dǎo)來被動加熱模具的方法是低效的。所以,為了找到更快的模具加熱方法,他們進(jìn)行了頭腦風(fēng)暴:采用感應(yīng)加熱模具的方法所帶來的模具改裝成本和復(fù)雜性會超出這項短期研究的范圍,而使用熱導(dǎo)率更高的替代材料也是如此,因此,他們考慮將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到開發(fā)更有效的主動加熱方法上。他們提出并評估了幾個方案,包括將電阻加熱織物和電熱絲集成到模具表面。
 
    “雖然我們發(fā)現(xiàn)了一些技術(shù)問題并需要去解決,比如,采用某種形式的綜合主動加熱方法來達(dá)到并保持SMC的成型溫度,但讓我們高興的是,我們對打印模壓成型用模具的瘋狂想法卻奏效了。”Hassen說道,“自從該項目結(jié)束后,它已被證明是更多研究項目的核心。”
 
 
 
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