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Roctool LIT: 汽车与航空应用行业的高性能高性价比的解决方案

Roctool LIT: 汽车与航空应用行业的高性能高性价比的解决方案

介绍

复合材料行业每年呈指数增长的生产量,使人们对生产周期的目标要求更高,最终部件造价对于大多数应用来说都至关重要。为了达到这些要求,材料供应链开发了大量产品,如快速固化热固塑料及低成本热塑性材料等;同时也开发了越来越多的生产工艺,提高了生产效率,但部件质量仍良莠不齐。

在汽车制造业,集成复合材料生产线意味着一项巨大的投资,购买定制解决方案的风险在于,它可能不适用于未来应用,或不适应于不断革新的材料。这个问题对于大型产品或3D产品来说尤为现实,只能通过调整几个主要的确定程序来缓解购置带来的巨大压力。

在航空工业中,瓶颈常在于手工铺叠和热压罐的使用,他们代表着高运行成本和定期广泛维护的需求。替换的解决方案如冲压工艺,已经在小部件生产上实施,但在提高部件质量、尺寸和形状上仍十分有限。对于大型或3D产品,最大的挑战是找到一项可行的非热压罐解决方案以达到部件的更高性能。

对于此类应用,Roctool开发了LIT™(轻感应工艺)技术。这种制造单元更高效也更经济,可运用于广泛的复合材料加工,在缩短周期时间的同时更显著提高部件质量。这项整包解决方案针对大型部件生产,并证实在3D产品和复杂造型方面也十分高效。

1.高效工艺集成

Roctool LIT™现已作为商用独立解决方案用于复合材料部件生产之中。它可对生产参数进行全面而精确的控制,除温度和压力外,还包括真空处理复合材料。其自动化由特定控制单元实现,并能连接上下过程单元。

1.1 完整的自动化解决方案

LIT™ 代表轻感应加工,其对应的是塑型设计和Roctool感应技术在内的整合。这项解决方案可用于传统压塑和压热器上,如提高加热板热性能或加热双面复合材料等,由此带来对部件更好的热控,从而优化机械性能,降低孔隙量和内应力。

Roctool为航空项目实施了一项研究,旨在比较夹心板中复合材料版的热力坡度。左边显示的是压热器坡度,由模具带来大量热能,A面保持在一个较低温度,通过材料可观察到一个 143°C的温度差。使用Roctool达到8°C /分钟的目标加热速率,这个梯度梯度降低到4°C 以下。

LIT™已被拓展作为非热压罐解决方案,可严格控制温度与压力。新的技术革命并可用做完整的生产解决方案,被嵌入简单而稳健的全自动体系中,推进了大型压机投资。它的自动化也以全自动模式和行业4.0标准被开发集成到生产线上。

1.2 感应加热成型技术

Roctool的专利技术包括,把称之为“电感器”的技术要素,实现为用于加热的金属模具。这些感应器可灵活可运用于加工复杂的3D造型,并可达到客户理想要求用以广泛集成。LIT™使用新专利的相同技术,与薄壳模具集成一体,达到温度分布更精确,尺寸更稳定,加热更快,同时也更加节能。

大型部件模具投资非常高额,Roctool一体化已完成标准化,较其它标准工艺而言,可为您节约高达40%的资本投资。

1.3 可互换模具系统

在更短的冷热周期下,LIT™更加优化地满足了温度和压力的控制难度需求,达到每年超过5万件的生产需求。 如果在大型生产中考虑较小生产,可为模具装配Roctool最新便捷接头,以在单支撑结构中达到高效转变。

这项系统于2018年年初投入生产线,可手动或自动连接至模具。不同的模具参考可于机器外单独存放,独立的二维码可加快新的生产速度并避免操作错误。同样的,塑型加工前后的更多自动化都能够简单地适用于LIT™工艺解决方案。

2. 优化适用各类复合材料

Roctool LIT™适用于不同材料需求,并能转换全系列复合材料。它可以更短的周期时间和更大的热耗加工热塑性塑料,也能达到性能材料的高温需求。对热固性塑料而言,关注的焦点则是预设加热爬坡以及加工过程中的热量控制。

2.1 加热更快更精准

对于使用热塑性材料的复合生产而言,减少加热步骤至关重要,因为材料在达到足够高的温度后才开始固化。以150°C/分钟的速率快速加热模具,不仅可以缩短周期时间,更能使复合材料在更高温度下更好地固化。部件性能和质量因此得到彻底提高。

对于挑战性的材料,塑型的表面温度分布的均匀性则是关键。Roctool工程团队对所有外来应用进行有限元分析,以优化客户的需求。在最高加热比率下,我们可做到塑型表面5°C以下的温度差别,而在保持阶段可将此降至2°C。周期时间和模具材料特性都会影响这些数值。

2.2 高温性能

越来越多的应用要求高机械性能,高玻璃化转变温度或防火性能。使用复合材料是基于高度工程化的热塑性塑料,这要求很高的加热能力来使其固化。Roctool LIT™可在不同标准配置下达到400°C高温,使任何热塑性复合材料的转化成为可能。

以航空工业达到高温过程的温度剖面图为例。这个配置定义是双面加热,很好地保持了温度的均匀性。对于没有停留时间需求的产品来说是必要的,但考虑到大多数材料的热性与外观来说,这并不常见。

为了达到最终产品的优质性能,当使用高温半结晶树脂如PPEK、PEKK和PPS时,更好的控制冷却速度可使之获得更高的结晶度。下表显示了几个持续冷却效果,以及在达到目标温度后在不同温度下在模具中保持5分钟的状态。

一种非传统的冷却步骤,可用以优化此类材料的周期时间。先快速降至目标温度,模具在之后一段时间内保持恒温,或选择较慢冷却速率,再以较快冷却速率速率结束周期——从而确保了高性能与短周期兼得。

2.3 可控分段加热/冷却

很多行业仍在使用热感性原料,特别是在航空和汽车领域,碳钎维和环氧树脂预浸料的使用仍占主导地位。一般来说,供应商设定了高精度的加热爬坡,建议以不同的保持阶段使之流动并网状通过复合材料。

Roctool LIT™已经大量快速固化预浸带测试,这是为更好地评估机械性能与提高周期之间的比率实施的实验设计。在此配置下,当可再用薄膜或传统耗材在B面时,可真空通过模具。

结果不仅显示复合材料极佳的固化效果带来了部件的优质性能,同时达到了卓越的表面质量。这项研究的目的是对比Roctool LIT™与现有技术,并评估潜在的涂料支出节约;同时进行了偏折与光泽单位测量,部分结果已于上文标出。

3. 致力于大型部件生产

如果您想利用,Roctool LIT™进行小型部件生产,需要调整的工艺参数十分复杂,因为它就是为大型部件生产优化而生的。在生产中型尺寸部件时,该工艺可满足大部分性能需求,且经济可行;而在加工巨型层压材料时,Roctool LIT™可被视做复合材料唯一的生产解决方案。

3.1 模具设计要求

LIT™解决方案可用于加工各等级材料,在温度与投资的限制下,一般有以下特定应用:

  • 镍合金:标准镍一般硬度较低,而镍/钴合金在更大压力下,则可以达到更高稳定性。温度依次可达到 220°C或250°C,因而适于汽车行业热固性材料,TPO表层和一些PP或PET基复合材料。 这种材料可通过电成型 – 一种附加生产工艺来制造。
  • 合金钢:Roctool可广泛用于各类合金钢材料,无论硬度高低,导电性强弱。温度可高达400°C ,可为您制造任何TP基复合材料,且有效控制投资成本与标准模具制造设备。
  • 因瓦合金:适用范围广泛。其低热膨胀系数,使其尺寸稳定,尤因此尤其适用于生产大型航空部件。每个等级都有特定的居里温度,在此之上金属不再有磁性,因此需要在此定义温度上下做好热调节。因瓦合金一般比传统钢材昂贵。

3.2 低能耗

模具的设计和构造是为了将其厚度降到最低以得到更高热能。这也直接影响了热力爬坡和温度均匀性分布能力,同时为模具带来了大量热能,通过厚度来完全加热模具让塑型更加稳定。事实上,如果温度坡度通过模具厚度来呈现,那么Z方向的变形会影响部件质量并降低模具寿命。

在使用低热能模具时,用于加热预定温度的能源消耗显然也是最低的。LIT™参数设定与高能效Roctool发电机相连,可在一个800 x 450毫米的面板上,计算不同TP基复合材料的全球能耗。这项研究表明,LIT™技术不仅可控制投资成本,同时也大大降低了运行支出。

3.3 分区加热

一些加热策略可能需要对模具的不同分区单独加热。这可以通过双区发电机系统来实现,每个分区都配有一个感应电路,并连接到热电偶上进行控制。

如果分区数量很多,可以使用不同的发电机系统,全部由中央软件控制,一次可有12个系统同时使用。

这项功能也可以用作3D模具,以实现卓越的塑型表面温度均匀分部效果,也可用做模具固化不同厚度的热固性压层材料。在后一种情况使用时,加热策略可重点预加热压层材料较厚部位或在此部位增加热能,以使材料获得均匀的温度。作为一项非热压罐解决方案,这个功能可更精确的控制固化过程并缩短周期时间。

4.适用于3D几何形状

每个行业都有3D几何形状部件的需求,或是以生产尺寸较大的形状更复杂的部件,以最大程度减少小型部件的组装工作。如果以传统加工方法实施高温和压力梯度,来加工盒状、锐角、局部凹槽和深度刻画等工序时,其成品质量堪忧。

4.1 通过有限元分析优化

每一个Roctool项目开始之前,我们都会以特定的有限元分析软件对其进行广泛分析。这项必要的步骤帮助资深工程师选择优化的LIT™模具参数集成冷热加工网络。通过该项分析,研究和测算关于感应、水流通道,以及模具厚度、构造和边缘细节等所有参数。

LIT™模具加工复杂部件时的流动分析,热力分析——两者皆为汽车工业应用

针对复杂部件的几何形状,冷却通道需要特定的流动分析以评估冷却路径的均衡性。另一方面,安装于模型中的Roctool感应软件可获得压缩循环阶段热力活动的表现。热力分析也可以通过热机械研究来获得,以评估潜在的变形和疲劳。所有的数据都会在现场安装时直接测量以进一步确认。

4.2 共形冷热处理

通过共形冷热网络可为热性能找到理想配置。在此配置下,感应和水流冷却通道可随着部件的几何形状而实施,模具厚度可保持相对稳定性。LIT™模具可做到不同模具制造技术的如下特征:

  • 外壳钎焊:这一系列包括制造一个背部有系列凹槽的模具,在钎焊前,板块成形于冷却通道之上使之防水。
  • 成形2D外壳:这种情况下加热和冷却通道分别从平的金属片中开槽和钻孔。2D外壳成型后使用特定设备以得到最终3D造型。
  • 附加生产:只适用于部分金属,由于其多功能性和高能力,它仍被看作制造极其复杂的几何造型时的理想选择。通过有限元分析优化剖面确保其在温度均匀性下的极高性能,由于复杂剖面的附加限制了其影响。

使用共形冷热处理模具的结果有两个:在带来压层材料极高机械性能的同时,也带来了光泽均匀的超高表层质量。使用LIT™时,几何上的限制与模具要求无关,而是取决于塑型的复合材料类型。

4.3 等向压力分布

大多数压缩工艺都倾向于使用压力机以施加所需压力。对于复杂的几何造型来说,通常建议使用高吨位压力机,施加巨大的向下推力,以足够的侧向力来固化垂直面。由于固化有不同的压力水平,因此部件材料特性是变化的,而水平区域通常会因为高压引起变形。

为了避免这一现象的发生,LIT™可被集成于一个灵活可再用的薄膜智商,以用来分散部件表面的压力。在此配置之下,从工业可能性来说,可承受高达25巴的压力,而薄膜则可生产数以千计的部件才需替换。它尤其适用于低温铸模,或是模具成本是投资重要环节的应用领域。

对材料的影响主要表现在机械性能和产品表面稳定性上。对于低粘度铸模,如热固性树脂而言,建议同时集成正空性能(通过在模具上增加风口和适应薄膜技术实现),以获得低孔隙率以达到产品理想性能。

5.结论

通过对工艺参数的精确控制,LIT™ 代表了高性能的生产解决方案。它使得广泛的复合材料转化成为可能,为部件带来了更高机械性能与更好的表面质量。它特定的模具集成包含了Roctool部分最新专利,它用途广泛,可适用于大部分大型部件和几何造型的加工;其工程模具设计匹配汽车与航天工业需求,推进了定制化工艺。

作为一项完整解决方案,LIT™可无缝集成于当下和未来的生产线上。它的控制完全可兼容生产过程中潜在的特定自动化,它的软件可通过迭代设计以输出质量控制数据,来优化产品率及提高产品性能。从全球范围看, LIT™解决方案通过降低能耗从而优化生产过程中的成本管理,哪怕高温复合材料也不在话下,与购置大型压热器或压力机相比,大大控制了资本投入。

通常而言,高绩效的转换工艺还不足够, LIT™尤其可与材料铺放设备组合。对于大型结构配件生产,ATL(自动铺带)或AFP(自动纤维铺放)可直接选悬挂于冷热加工模具之上,促进第一层附着并确保热力控制,以消除潜在的部件翘曲。部件的固化或共同固化可直接通过LIT™模具实施。

对于有机械和美学要求的复杂和3D部件,使用专用预加工品往往是首选方案。目前业界正在测试不同的可选方案,以提供更短的铺放时间,达到解决成本的目的,同时能够保持纤维连续性以体现角和肋骨等3D特征。这些备选方案是在多种专利条件下提出的:针织结构纱线、在背衬织物或薄膜上连续缝合纱线、焊接带层,或是更简单地依靠无纺布材料的高变形性。

 

By Lionel Schaal, Key Account Manager@ Roctool.

总体而言,材料供应链和所选工艺是紧密相关的,从而生产出符合OEM性能、质量和成本预期的产品。这项技术的复杂性使其需要定制安装,由此可能失去对其它产品或程序的通用性。因此,决策过程可能驱使您购置其它性能较低的设备,但是随着行业的全球增长,制造业的解决方案势必是产品质量与高效流程相结合的。

作者:Lionel Schaal,Roctool大客户经理

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