Введение в формование смолы при производстве автомобилей

Литье под давлением смолы (RTM) стало краеугольным камнем для производства легких, высокопрочных композитных компонентов в автомобильной промышленности. Поскольку производители транспортных средств сталкиваются с растущим давлением для сокращения выбросов и повышения эффективности использования топлива, каждый килограмм, сэкономленный в весе компонентов, непосредственно способствует повышению производительности и снижению воздействия на окружающую среду. RTM поставляет детали, которые на 30-50% легче, чем эквивалентные стальные или алюминиевые компоненты, сохраняя при этом механические свойства, необходимые для структурных и косметических применений.

Процесс значительно созрел с момента его раннего внедрения в аэрокосмической и морской промышленности. Сегодня автопроизводители полагаются на RTM для производства, начиная от малообъемных специализированных транспортных средств до платформ большого объема, благодаря достижениям в области химии смолы, преформирования волокна и автоматизированного оборудования для впрыска. Это руководство дает всеобъемлющий взгляд на то, как работает RTM, почему он превосходит автомобильные приложения и какие тенденции формируют его будущее.

Что такое пересадка смолы?

Формование смолы представляет собой технологию производства композитов с закрытой формой, в которой армирование сухих волокон расположено внутри жесткой полости плесени. Термореактивная смола - обычно катализированная эпоксидная, полиэстерная или виниловый эфир - затем вводится под низким и умеренным давлением (обычно 2-10 бар) для пропитки волокон. После отверждения смолы форма открывается, чтобы выявить композиционную деталь в форме почти сетки, которая требует минимальной вторичной отделки.

В отличие от процессов с открытой формой, таких как ручная укладка или распыление, RTM заключает обе стороны детали в герметичную полость. Это создает детали с гладкими поверхностями на обеих гранях, плотными размерными допусками и согласованными фракциями объема волокна (обычно 45-60%). Закрытая система также значительно снижает выбросы летучих органических соединений (ЛОС), что делает RTM более экологически совместимым, чем альтернативы с открытой формой.

Технология может быть далее подразделена на Высокое давление RTM (HP-RTM), которая использует давление инъекций выше 10 бар и высокореактивные системы смолы, и Низкое давление RTM (LP-RTM), которая работает ниже 10 бар с более длительными циклами инъекций и отверждений. HP-RTM все более и более пользуется популярностью в автомобилестроении, поскольку он достигает времени цикла менее пяти минут, что позволяет производить продукцию среднего и высокого объема.

Ключевые этапы процесса RTM

Понимание каждой фазы цикла RTM имеет решающее значение для оптимизации качества деталей и эффективности производства. Следующие подразделы разбивают процесс от подготовки формы до окончательной проверки.

1. Подготовка плесени и цоколя

Форма состоит из двух совпадающих половин — полости и сердечника — обычно обработанных из стали, алюминия или никель-оболочек композитов для больших объемов прогонов. Перед каждым циклом поверхности формы очищаются и для облегчения демольдинга применяется агент высвобождения. Для структурных частей инструмент может нагреваться для ускорения отверждения смолы и обеспечения равномерного теплового распределения. Каналы нагрева или электрические нагреватели картриджей интегрированы в конструкцию инструмента.

Стоимость пресс-формы является значительным вложением; стальная форма производственного класса для сложной автомобильной панели может превышать 250 000 долларов США. Однако стоимость на одну деталь становится конкурентоспособной при амортизации более десятков тысяч единиц, особенно в сочетании с быстрым временем цикла.

2. Волоконная прокладка и преформирование

Сухие арматуры — нарезанные пряди, плетеные ткани или неконкретные ткани (NCF) — разрезаются, складываются и формируются в преформу, которая соответствует полости плесени. Для сложных геометрий автоматизированные методы преформирования, такие как Размещение волокна (AFP) или 3D плетение используются для уменьшения трудозатрат и улучшения повторяемости. Преформа может включать связующие волокна или клещи, которые удерживают слои вместе во время обработки и инъекции.

Размещение преформы в форму является критическим шагом. Любое перемещение, морщины или зазоры могут создавать богатые смолой или голодающие смолой зоны, которые ставят под угрозу механические характеристики. В высокопроизводительных средах роботизированные системы выбора и размещения позиционируют преформу с точностью, обеспечивая ориентацию волокна, соответствующую путям нагрузки конечного компонента.

3. Инъекция смолы и импрегнация

После того, как форма закрыта и зажата (обычно с гидравлическим прессом), смола вводится через один или несколько входных портов. Смола смешивается дегазируется перед инъекцией, чтобы минимизировать пустоты. Давление инъекций, скорость потока и температура точно контролируются, чтобы избежать вытеснения предварительной формы волокна или создания сухих пятен.

Для больших или толстых частей распространены множественные точки инъекции и вакуумная помощь. Вакуумное переливание смолы (VARTM) применяет отрицательное давление вниз по течению для протягивания смолы через армирование, улучшая влажность волокна и уменьшая содержание пустоты до уровня ниже 1%. После инъекции смоле разрешается вылечивать - обычно при повышенной температуре (80-150 °C) для эпоксидных систем - до тех пор, пока она не достигнет достаточной плотности сшивания, чтобы противостоять силам демодлинга.

4. Лечение и пост-лечение

Время обработки зависит от химии смолы и толщины деталей. Быстроотверждающиеся полиуретановые или акриловые смолы могут достигать времени цикла менее трех минут, в то время как стандартные эпоксидные системы могут требовать 10-30 минут. Некоторые применения требуют послелекарственного этапа после лечения вне формы при более высоких температурах для завершения сшивания и достижения максимальной температуры стеклования (Tg). Послелечебные циклы 2-4 часа при 120-180 °C типичны для конструкционных автомобильных деталей.

5. Демодификация и отделка

После отверждения форма открывается, и деталь выбрасывается с помощью пневматических или механических штифтов. Избыток материала — вспышка смолы вокруг линии разъема и впрыскивания — обрезается с помощью гидроструйной или станков с ЧПУ. В зависимости от применения могут быть просверлены отверстия, добавлены вставки или нанесены поверхностные покрытия. Контроль качества включает в себя измерение, ультразвуковое сканирование пустот и механическое тестирование купонов свидетелей.

Преимущества RTM для автомобильных компонентов

RTM предлагает уникальное сочетание преимуществ, которые согласуются с стремлением автомобильной промышленности к облегчению, консолидации и устойчивости.

  • Структурный облегчающий вес: Части, весящие на 50-60% меньше, чем стальные штамповки, и на 30-40% меньше, чем алюминиевые отливки, непосредственно улучшающие диапазон транспортных средств в электромобилях или экономию топлива в транспортных средствах ICE.
  • Отличная отделка поверхности: Закрытая форма производит поверхности класса А с обеих сторон, устраняя необходимость в косметических наполнителях во многих наружных панелях.
  • Высоковолокнистый объемный коэффициент: Нагрузки на волокна в 50-60% по объему обеспечивают удельную жесткость и прочность, сопоставимую с композитами аэрокосмического класса.
  • Потенциал повторения и автоматизации: С роботизированной обработкой предварительной формы и автоматизированными станциями впрыска RTM снижает вариации цикла к циклу и стоимость рабочей силы.
  • Материальная версатичность: Широкий спектр волоконных систем (стекло, углерод, арамида, базальт) и смолы (эпоксидная, полиуретановая, виниловый эфир, акриловая) может быть выбран для достижения конкретных целей производительности и стоимости.
  • Сокращение отходов материалов: Процесс закрытой формы производит минимальный лом — обычно менее 5% — по сравнению с 30-50 % отходов при традиционной металлической штамповке.
  • Интеграция вставок и основных материалов: Пенопорные сердечники, сотовые или металлические вставки могут быть помещены в предварительную форму для создания сэндвич-структур или локальных несущих точек.

Материалы, используемые в RTM для автомобильных применений

Выбор правильной комбинации волокна, смолы и основного материала имеет важное значение для достижения необходимых механических, термических и косметических свойств.

Волоконные подкрепления

  • Стекловолокно: Низкая стоимость, хорошая прочность на растяжение и высокая ударопрочность.Обычны в неструктурной внутренней отделке, щитах под днищем и подвесных рычагах (с использованием стекла / эпоксидной жидкости).
  • Углеродное волокно: Превосходное соотношение жесткости к весу, утомляемость и низкое тепловое расширение. Предпочтительно для структурных компонентов, таких как напольные сковородки, B-столбы, рамы крыши и монококовые конструкции в высококлассных электромобилях.
  • Арамида (Kevlar®): Отличная прочность и баллистическое сопротивление, используемое в аварийных конструкциях или корпусах батарей, где сопротивление проникновению имеет решающее значение.
  • Природные волокна: Льня, конопля или сизаль появляются для недорогих, устойчивых внутренних панелей, где достаточно умеренной прочности.

Системы Resin

  • Эпокси: Отличные механические и клеевые свойства, высокая Тг (120—200 °C) и хорошая химическая стойкость. Используется для несущих конструкционных деталей. Высокая вязкость требует тщательного контроля температуры во время инъекции.
  • Полиэфиры и виниловые эфиры: Более низкая стоимость, более быстрое излечение, но более низкая механическая производительность и более высокая усадка. Подходит для косметических панелей и некритических конструкций.
  • Полиуретаны: Низкая вязкость, очень быстрое излечение (менее 2 минут), хорошая прочность и отличное качество поверхности. Все чаще применяются для автомобильных наружных панелей большого объема.
  • Акриловая (например, Elium®): Термопластическая матрица, которая может быть переработана или переработана. Предлагает высокую ударную прочность и может быть сформирована после получения тяги для устойчивых автомобильных компонентов.

Основные материалы и вставки

Сэндвич-конструкции с использованием пенопластовых сердечников (полиуретан, ПВХ, ПЭТ) или древесины бальзы уменьшают вес при увеличении жесткости изгиба. Металлические вставки - нити втулок, скобки или крепежи - могут быть переформованы или размещены в преформе, чтобы обеспечить сборку без вторичного сверления.

Применение RTM в автомобильной промышленности

RTM используется в широком спектре компонентов автомобиля, от видимых панелей кузова до скрытых структурных элементов.

  • Панели кузова: Капюшоны, палитры, двери, крылья и панели крыши. Панели крыши из углеродного волокна для спортивных автомобилей и роскошных седанов часто производятся через HP-RTM, экономя 15-20 кг на транспортное средство.
  • Структурные компоненты: Передние конструкции, боковые подоконники, B-столбы, крестовики и напольные сковородки. BMW i-серии впервые использовала пассажирские ячейки из углеродного волокна RTM в крупносерийном производстве.
  • Поглотители энергии крушения: Коробки для крушения и дробильные рельсы, изготовленные из углеродного или стеклянного волокна / эпоксидной кислоты, обеспечивают превосходное поглощение энергии на единицу массы по сравнению со сталью.
  • Ограждения для аккумуляторов для электромобилей: Поддонные аккумуляторные лотки требуют легких, электроизоляционных и огнестойких свойств. RTM позволяет интегрировать каналы охлаждения и точки крепления в единый формовочный материал.
  • Хассис и подвеска: Руки управления, рессоры листьев и подрамники были продемонстрированы в прототипах транспортных средств с использованием укладок RTM, адаптированных к конкретным дорожкам нагрузки.
  • Внутренние и внутренние: Носители приборных панелей, конструкции сидений и крышки двигателя выигрывают от способности RTM формировать сложную геометрию и включать металлические вставки.

RTM vs. Другие композитные процессы формования

Выбор правильного композитного процесса зависит от геометрии деталей, объема производства, механических требований и ограничений затрат. Ниже приведены сравнения с наиболее распространенными альтернативами.

Сжатие формования

В формовке для сжатия предварительно нагреваемый заряд (компонент формования листа или сыпучий формовочный состав) помещается в форму, и давление применяется для формирования и отверждения материала. Компрессионное формование обеспечивает более быстрое время цикла (менее 60 секунд для SMC) и более низкую стоимость инструмента, чем HP-RTM, но обычно оно производит детали с более низкой фракцией объема волокна (20-35%) и меньшей свободой конструкции для локального усиления. RTM предпочтительнее, когда сила направления имеет решающее значение.

Литье под давлением

Термопластичное литье под давлением является сверхбыстрым (с циклом менее 30 секунд) и высоко автоматизированным, но оно ограничено коротковолоконными усиленными термопластиками с изотропными свойствами. Впрыск длинноволоконного материала может производить детали с умеренной прочностью, но для непрерывного укрепления волокна (что максимизирует жесткость) RTM остается эталоном.

Влажная компрессия (Liquid Compression Molding)

Этот гибридный процесс впрыскивает смолу в форму, содержащую сухую предварительную форму, но форма закрывается во время инъекции, сочетая влажность волокна RTM с быстрым циклом компрессионного формования. Он может достигать времени цикла 2-4 минуты для деталей из углеродного волокна, что делает его подходящим для средних объемов, где формы HP-RTM слишком дороги.

Проблемы и решения в RTM

Несмотря на свои преимущества, RTM представляет собой несколько проблем, которые необходимо решать с помощью управления процессами и оптимизации дизайна.

  • Стоимость и время изготовления: Стальные формы дороги и занимают 12-20 недель для производства. Решения: Используйте алюминиевые или композиционные инструменты для прототипирования и низких объемов, и инвестируйте в сталь только для высокопроизводительных запусков.
  • Образование пустот: Воздушная ловушка приводит к пористости и нарушенным механическим свойствам.Решение: Вакуумная инъекция, оптимизированные пандусы давления инъекций и стратегическое размещение вентиляционных отверстий уменьшают пустоты до уровня ниже 1%.
  • Время цикла: Стандартный RTM может потребовать 10–30 минут на деталь, что является медленным по автомобильным стандартам. Решения: Системы быстрой отверждения смолы (например, полиуретаны, акриловые) и HP–RTM с быстрым нагреванием/охлаждением инструментами могут сократить время цикла до 2–5 минут.
  • Высокая скорость впрыска может вытеснить волокна.Решение: Более низкие скорости впрыска, использование каналов потока смолы и связующих клещей, которые стабилизируют преформу.
  • Масштабируемость: Переход от прототипа к массовому производству требует надежного мониторинга процесса. Решения: Внедрение в пресс-форму датчиков (давление, температура, диэлектрик) и систем впрыска замкнутого цикла для обеспечения повторяемости.

Будущие тенденции в автомобильной RTM

Несколько новых технологий готовы расширить роль RTM в автомобильном производстве.

  • Автоматизированное преформирование и обработка: Роботизированный выбор и место сухих тканей, автоматизированное размещение волокон и 3D-ткань уменьшат содержание труда и увеличат повторяемость для сложных геометрий.
  • Быстропротекающие смолы: Новые системы смолы со временем отверждения менее 60 секунд при умеренных температурах позволяют RTM конкурировать с штамповкой листового металла во времени цикла.
  • Гибридные структуры: Переформовка термопластичного переформования на композиты RTM сочетает в себе прочность термопластов с жесткостью термореактивных композитов — например, рельс с углеродным волокнами с интегрированными точками крепления с инжекторной формовкой.
  • Переработка и устойчивость: Био-смолы (например, эпоксидные масла растительного происхождения) и термопластичные системы RTM (например, акриловый Элий®) позволяют перерабатывать матрицы. Производители также разрабатывают методы утилизации углеродных волокон из преформ лома.
  • Цифровое моделирование двойников и процессов: Расширенное моделирование потока смолы, кинетика лечения и нагревание инструментов позволяет создавать виртуальные прототипы, уменьшая пробные ошибки при проектировании формы и настройке процесса. Это снижает затраты на разработку до 40%.

Заключение

Литье под давлением смолы превратилось из нишевой аэрокосмической технологии в основной производственный процесс для легких автомобильных компонентов. Его способность производить прочные, легкие детали с отличным качеством поверхности и повторяемыми механическими свойствами делает его незаменимым для достижения целей экономии топлива и расширения диапазона электромобилей. Тщательно выбирая материалы, оптимизируя параметры процесса и охватывая автоматизацию, производители могут преодолеть традиционные проблемы времени цикла и стоимости оснастки. С продолжающимися достижениями в быстроотверждающихся смолах, цифровом управлении процессом и устойчивых материалах, RTM будет играть все более центральную роль в следующем поколении транспортных средств.

Для дальнейшего чтения по композитному производству в автомобильном секторе, проконсультируйтесь с отраслевыми ресурсами, такими как техническая бумажная библиотека SAE и Автомобильный раздел CompositesWorld . Исследователи также могут изучить DOE Vehicle Technologies Office для финансируемых исследований по легким материалам.