Лучшие материалы для строительства пресс-форм в приложениях для литья под смолу

Смолоду для переноса смолы (RTM) - это процесс с закрытой формой, который производит высокопроизводительные композиционные детали с отличной точностью размеров и отделкой поверхности. Сама форма является сердцем операции - она определяет геометрию деталей, контролирует теплообмен и должна выдерживать повторяющиеся циклы впрыска под давлением. Поэтому выбор правильного материала формы является одним из наиболее важных решений в конструкции инструментов RTM. Эта статья обеспечивает углубленный взгляд на лучшие материалы для строительства формы в приложениях RTM, охватывающих ключевые критерии выбора, общие и передовые материалы, обработку поверхности, соображения стоимости и пошаговое руководство по выбору правильного выбора для ваших производственных потребностей.

Ключевые факторы при выборе материалов для пресс-формы для RTM

Каждая форма RTM должна удовлетворять сочетанию механических, термических и химических требований. Понимание этих факторов имеет важное значение перед сравнением конкретных материалов.

Термическая стабильность и коэффициент теплового расширения (CTE)

Плесень должна выдерживать экзотермическое тепло, выделяемое во время отверждения смолы, часто достигающее 120°C до 200°C, в зависимости от смоловой системы. Низкое тепловое расширение имеет решающее значение для поддержания допусков деталей и предотвращения деформации. Материалы с CTE близки к CTE композитного (обычно 10-30 ppm/°C для стекла/эпоксидной кислоты, 0-5 ppm/°C для углерода/эпоксидной кислоты) минимизируют остаточные напряжения. Алюминий, например, имеет CTE ~23 ppm/°C, в то время как сталь ~11-13 ppm/°C.

Химическая устойчивость

Смолы RTM — эпоксидные, полиэфирные, виниловые эфиры, фенольные и полиуретановые — содержат реактивные компоненты, катализаторы, растворители и агенты высвобождения. Поверхность формы должна противостоять химической атаке и отеку. Нержавеющие стали и сплавы на основе никеля обеспечивают отличную коррозионную стойкость, в то время как алюминий может потребовать защитных покрытий для агрессивных систем смолы.

Surface Finish и Release Properties

Качество поверхности детали непосредственно отражает поверхность формы. Для автомобильной или аэрокосмической отделки формы должна быть отполирована до зеркальной отделки (обычно <0,2 мкм Ра). Некоторые материалы, такие как закаленная сталь, полируются лучше, чем литый алюминий. Кроме того, форма должна принимать агенты для выпуска формы или обрабатываться постоянными покрытиями для выпуска, чтобы обеспечить легкое удаление детали без повреждения поверхности.

Толерантность к давлению и механическая сила

Давление впрыска RTM колеблется от 30 пси (RTM низкого давления) до более 100 пси (RTM высокого давления). Плесень должна противостоять отклонению и поддерживать силу закрытия, чтобы предотвратить утечку смолы. Стальные формы могут выдерживать более высокие давления и менее склонны к царапинам или вмятины во время обработки. Для больших тонких форм важно соотношение жесткости к весу.

Простота изготовления и время выполнения

Для прототипов или производства малообъемного материала скорость изготовления пресс-форм часто перевешивает стоимость материала. Алюминий может быть быстро обработан с ЧПУ, в то время как сталь требует больше времени и более жестких инструментов. Композитные формы (например, эпоксидная плита) могут быть измельчены или ручной работы очень быстро, но они имеют ограниченный срок службы.

Стоимость и объем производства

Связь между стоимостью материала пресс-формы и стоимостью деталей изменяется с объемом. Для менее чем 100 деталей дешевые формы (эпоксидные композиты, кирксит) могут быть экономичными. Для более 1000 деталей стальные или никельные пресс-формы амортизируют более высокие первоначальные инвестиции в течение многих циклов. Для очень больших объемов или экстремальных тепловых циклов может быть оправдана передовая керамика или титан.

Обычные материалы, используемые в конструкции RTM Mold

Следующие материалы представляют собой рабочие лошадки инструментов RTM. Каждый из них предлагает определенный баланс производительности, стоимости и долговечности.

Алюминиевые сплавы

Алюминий является наиболее широко используемым материалом формы RTM для производства среднего объема. Общие марки включают 6061-T6 и 7075-T6 . Алюминиевые формы имеют легкий вес (приблизительно треть веса стали), имеют отличную теплопроводность (167 Вт / м·К) и просты в обработке. Алюминий подходит для температур до 200°С при правильной термообработке. Однако он относительно мягкий и склонен к забиванию и дентингу. Для абразивных арматуры, таких как углеродное волокно, часто применяется твердое анодирование или безэлектролизное никельное покрытие. Типичный срок службы формы: 500-3000 частей, в зависимости от обслуживания.

Стальные сплавы

Стальные формы являются стандартом для производства RTM большого объема. Обычные инструментальные стали включают P20 H13 (горячая рабочая сталь для высокотемпературных применений) и S7 (ударопрочность). Нержавеющие стали, такие как 420 и 17-4 PH предлагают коррозионную стойкость для фенольных или полиуретановых смол. Сталь обеспечивает высокую прочность, отличную износостойкость и длительный срок службы (10 000 + частей). компромиссы - более высокая стоимость материала, более длительное время обработки и больший вес. Сталь часто является выбором для автомобильных конструктивных деталей и аэрокосмических компонентов.

Эпоксидная и полиэстерная композитная плесень

Композитные формы изготавливаются путем наслоения стекла или ткани из углеродного волокна эпоксидной или полиэфирной смолой по основной модели. Они быстро изготавливаются и недороги, что делает их идеальными для прототипов, деталей небольшого объема или больших форм, где сталь будет непомерно дорогой. Поверхностная отделка хороша, но может потребовать гелеобразного покрытия для гладкости. Композитные формы имеют более низкую теплопроводность, более длительный цикл и ограниченный срок службы (50-500 частей). Они также подвержены поглощению влаги и атаке растворителя. Для повышения долговечности эпоксидная доска для инструментов (например, RenShape) может быть обработана с ЧПУ в форму.

Никельная молда (Nickel Electrodeposition)

Никелевые оболочки изготавливаются электроформирующим никелем на нитреле или мастер-образце. Полученная форма имеет твердую, коррозионно-стойкую поверхность с отличной репликацией мелких деталей. Никелевые оболочки могут быть объединены с заполненным металлом эпоксидным или алюминиевым засыпкой для обеспечения жесткости при сохранении веса на низком уровне. Теплопроводность умеренная (70-90 Вт / м·К). Никелевые оболочки используются в аэрокосмической, медицинской и высокопроизводительной автомобильной промышленности, где поверхность отделки и химическая стойкость имеют решающее значение. Плесневая жизнь обычно составляет 1000-5000 частей.

Кирксит (Zinc Alloy)

Кирксит представляет собой сплав на основе цинка (приблизительно 4% Al, 3% Cu, баланс Zn), который может быть отлит до почти нетто-формы, что сокращает время обработки. Он имеет низкую температуру плавления (~380°C), что позволяет легко отливать при низкой стоимости. Киркситовые формы часто используются для прототипа инструментов RTM или коротких производственных пробегов (100-1000 деталей). Они имеют хорошую теплопроводность, но относительно мягкие и склонны к тепловой усталости, если цикл слишком быстро.

Инвар (железно-никелевый сплав)

Invar (64% Fe, 36% Ni) имеет чрезвычайно низкий CTE (приблизительно 1,2 ppm / ° C), близко соответствующий композитам из углеродного волокна. Он используется для высокоточных форм RTM в аэрокосмической, спутниковой и оптической областях, где стабильность размеров над температурой имеет первостепенное значение. Invar является дорогим, трудным для машин и тяжелым, поэтому он обычно зарезервирован для специализированных, малообъемных дорогостоящих деталей.

Продвинутые материалы для специализированных применений

Для экстремальных технологических условий — высокой температуры, теплового цикла или агрессивных химических сред — передовые материалы обеспечивают решения, выходящие за рамки обычных металлов и композитов.

Керамические композиты (кислород, оксид алюминия)

Керамические формы обладают выдающимся термическим сопротивлением (до 1200°C) и очень низким CTE. Они используются для высокотемпературных смол RTM, таких как бисмалеймид (ИМТ) или полиимиды, или для составных частей, которые требуют отверждения после прессования при повышенных температурах. Керамика хрупкая, поэтому они требуют тщательной обработки и обычно используются в качестве вставок или льняных поверхностей. Они также дороги и сложны в обработке, часто требуя шлифования алмазов.

Титановые сплавы

Титан (например, Ti-6Al-4V) предлагает лучшее соотношение прочности к весу среди обычных материалов пресс-формы, отличную коррозионную стойкость и CTE, близкий к углероду / эпоксидной смоле (приблизительно 8,6 ppm / ° C). Титановые формы используются в аэрокосмической промышленности и производстве медицинских устройств, где снижение веса в самой пресс-форме имеет решающее значение (например, для роботизированной обработки). Высокая стоимость и сложная обработка (требует медленных скоростей, тяжелой охлаждающей жидкости) ограничивают титан специализированными, малообъемными приложениями.

Углеродные волокна-укрепленные композитные формы

Использование препрег-углеродного волокна/эпоксидного в качестве материала плесени сочетает в себе низкий CTE, высокую жесткость и легкий вес. Такие формы часто изготавливаются в качестве укладки над мастером, а затем отверждаются в автоклаве. Их можно использовать с процессами инфузии смолы (варианты RTM) и предлагают отличную отделку поверхности. Однако они не подходят для высоких температур (обычно ограничены 180°C) и имеют ограниченный срок службы (сотни деталей). Иногда их используют в качестве мастер-форм для производства композитных форм.

Техника проектирования и строительства плесени

Помимо сырья, способ изготовления формы сильно влияет на производительность.

Монолит против встроенных форм

Монолитические формы обрабатываются из одного блока материала. Они обеспечивают лучшую точность размеров и тепловую однородность, но являются дорогостоящими для больших деталей. Настраиваемые формы состоят из стальной или алюминиевой рамы со сменными вставками (для зон износа) или с композитной / никелевой поверхностью оболочки. Настраиваемые конструкции снижают стоимость материала и позволяют локально усиливать.

Термическое управление (отопление)

Большинство форм RTM требуют нагрева для ускорения отверждения смолы. Внутренние каналы для масляных, водяных или электрических нагревателей должны быть спроектированы для обеспечения равномерной температуры по поверхности формы. Материалы с более высокой теплопроводностью (алюминий, медные сплавы) требуют меньше каналов нагрева и дают более быстрые циклы. Стальные формы нуждаются в более тщательной конструкции, чтобы избежать горячих точек.

Поверхностные покрытия и обработка

Чтобы продлить жизнь плесени и улучшить высвобождение части, несколько поверхностных процедур являются общими:

• Твердое анодирование: повышает твердость поверхности алюминия (500-600 Вт) и сопротивляется износу и коррозии.
• Бесэлектронное никельное покрытие : обеспечивает однородный, твердый, коррозионно-стойкий слой (800-1000 HV) на алюминии или стали.
• Хромовое покрытие : Жесткий хром (1000+ HV) используется на стальных пресс-формах для абразивных смоловых систем.
• Постоянные покрытия для высвобождения плесени : Покрытия на основе фторполимера (PTFE) или силикона уменьшают необходимость применения агента высвобождения в каждом цикле.
• Бриллиантово-подобные углеродные (DLC) покрытия : для экстремальной износостойкости и высвобождения в высокотемпературном RTM.

Сравнение затрат и экономические соображения

Выбор правильного материала формы требует анализа не только стоимости инструмента, но и общей стоимости на деталь в течение ожидаемого производственного цикла.

Для типичной автомобильной детали (например, 1 м2 кузовной панели), алюминиевая форма может стоить 15 000-30 000 долларов США и последние 2000 циклов. Стальная форма может стоить 40 000-70 000 долларов США, но последние 10 000 циклов. Если вам нужно 8 000 деталей, сталь дает более низкую стоимость комплектации на деталь; если вам нужно 1000, алюминий лучше. Всегда включайте стоимость запасных форм для производства большого объема, так как простои для ремонта формы могут быть дорогими.

Руководство по выбору: как выбрать лучший материал для вашей формы RTM

Следуйте этому четырехэтапному процессу принятия решений, чтобы сузить варианты:

1. Определение требований к деталям: Определение объема (годовой и общий), смолы (температура, коррозионная способность), допуски к деталям и отделка поверхности.
2. Оценить требования к температуре и давлению: Рассчитать максимальную температуру плесени, потребности в охлаждении и давление впрыска. Для высокотемпературных смол (>150°С) или агрессивного теплового цикла выберите сталь, никель или инвар.
3. Оценить бюджет и время выполнения: Если время короткое (<4 недели), используйте алюминиевые или композиционные формы. Если ограничение по стоимости плотное, композитный или кирксит для низких объемов; алюминий для средних объемов.
4. Рассматривать техническое обслуживание и долговечность: Для условий высокой износостойкости (абразивное углеродное волокно), выбирать сталь с твердой хромированной или никелевой оболочкой. Для коррозии (фенольные смолы), использовать нержавеющую сталь или никель.

Примеры конкретных случаев и примеры применения

Автомобильные панели Carbon Fiber Hood

Поставщик Tier 1, выпускающий 5000 вытяжек из углеродного волокна в год, выбрал стальные формы P20 с безэлектронным никелевым покрытием. Высокий объем оправдывал стоимость оснастки, а сталь обеспечивала размерную стабильность поверхностей краски класса А. Нагретые масляные каналы были рассчитаны на равномерное отверждение при 120°С, достигая 12-минутного цикла.

Аэрокосмическая отрасль: структурные проекты

Для аэрокосмической промышленности требовалось 200 деталей воздуховодов из смолы ИМТ (лекарство при 200 °C). Они выбрали никель-оболочные формы (электроформированный никель), снабженные алюминиевой эпоксидной кислотой. Это дало отличную отделку поверхности, химическую стойкость и легкий вес для ручной обработки, с сроком службы формы более 1000 циклов.

Оригинальное название: Boat Hulls

Для испытаний прототипа компании по производству морских композитов требовалось 20 больших половин корпуса. Они использовали обработанную эпоксидную пресс-форму. Плесень была изготовлена за две недели по низкой цене, а после 20 деталей, форма по-прежнему использовалась для дополнительных прототипов. Для производственных запусков они позже перешли на никельную пресс-форму.

Будущие тенденции в материалах для пресс-формы RTM

Аддитивное производство начинает влиять на инструментальную обработку RTM. 3D-печатные металлические формы (с использованием DMLS или струйной связки) могут включать конформные охлаждающие каналы, которые резко сокращают время цикла. Песчаные или полимерные формы могут служить недорогими, одноразовыми или краткосрочными инструментами для сложных геометрий. Гибридные формы - объединение печатного ядра с обработанной стальной или алюминиевой поверхностью - появляются как способ сбалансировать стоимость и производительность.

Другая тенденция - использование сплава 718 (сверхсплава никеля-хрома) для очень высокотемпературных процессов RTM, превышающих 300 °C. Такие материалы, как нитрид кремния керамика, прототипируются для экстремальных условий износа.

Заключение

Выбор лучшего материала для изготовления пресс-форм в приложениях RTM является многовариантным решением, включающим объем производства, сложность деталей, тепловые и химические требования, бюджет и время выполнения. Алюминий и сталь остаются наиболее универсальными и широко используемыми вариантами, охватывающими подавляющее большинство применений от среднего объема автомобилей до аэрокосмической промышленности большого объема. Композитные формы служат прототипу и нишам с низким объемом, в то время как современные материалы, такие как никель, интвар и титан, зарезервированы для специализированных высокопроизводительных потребностей. Тщательно оценивая факторы выбора и соответствуя им вашему конкретному процессу, вы можете достичь эффективного производства, длительного срока службы пресс-формы и согласованных высококачественных композитных деталей.