Детальне пояснення швидкості усадки форм із композитного матеріалу SMC

Швидкість усадки форм із композитного матеріалу SMC (Sheet Molding Compound) є основним технічним параметром при проектуванні прес-форм і масовому виробництві виробів, безпосередньо визначаючи точність розмірів, якість поверхні та сумісність складання виробів. По суті, це відношення різниці між кінцевим розміром виробу та розміром порожнини форми при кімнатній температурі до розміру порожнини форми при кімнатній температурі після того, як матеріал SMC охолоне від температури формування. Точний контроль цього параметра є ключовою передумовою для досягнення точного формування продуктів SMC та забезпечення стабільності виробництва.

I. Основне визначення та метод розрахунку швидкості усадки форми з композитного матеріалу SMC

Швидкість усадки форми для композиційних матеріалів SMC (зазвичай відноситься до лінійної швидкості усадки в промислових сценаріях) визначається як відсоток різниці між розміром порожнини форми при кімнатній температурі та фактичним розміром виробу до розміру порожнини форми при кімнатній температурі. Основна логіка розрахунку обертається навколо закону зміни об’єму матеріалу під час змін температури та реакцій затвердіння, і її можна окремо розділити на два сценарії застосування: теоретичний розрахунок і фактичне вимірювання формування.

1.Теоретична формула розрахунку:Швидкість усадки=(c - b) / c × 100%, де c означає розмір порожнини прес-форми за кімнатної температури (мм), а b означає фактичний розмір виробу за кімнатної температури (мм).

2. Розрахунок фактичної усадки при формуванні:Необхідно враховувати ефект зміни розмірів при температурі пресування, тобто=(a - b) / a × 100%, де a — розмір порожнини прес-форми або виробу при температурі пресування (мм). Цей метод розрахунку більше відповідає фактичним коливанням температури в процесах масового виробництва та має вищу довідкову величину для результатів розрахунку.

Важливо зазначити, що усадка SMC-продуктів складається з двох основних частин: одна – це структурна усадка, спричинена ущільненням молекулярного перехресного -зв’язування під час реакції затвердіння смоли(необоротний),а інший - термічна усадка від температури формування до кімнатної температури після формування(оборотний).Серед них вплив термічної усадки на кінцеву швидкість усадки зазвичай більший, ніж вплив структурної усадки, а її зміна тісно пов’язана з типом смоляної системи, типом і дозуванням добавок із низькою усадкою.

II. Типовий діапазон швидкості усадки композитних форм SMC

Швидкість усадки при затвердінні звичайної ненасиченої поліефірної смоли -SMC може сягати 7% до 10%, але за допомогою додавання добавок із низькою усадкою (таких як ПВХ, PS, PE тощо) можна суттєво відрегулювати фактичну усадку при формуванні до розумного діапазону. У сценаріях промислового масового виробництва швидкість усадки при формуванні звичайних виробів з SMC зазвичай контролюється на рівні 0,03% до 0,1%, тоді як SMC з низькою усадкою (LS-SMC) може досягти майже-нульової усадки (нижче 0,01%), відповідаючи вимогам до високо-прецизійних виробів.

Швидкість усадки SMC матеріалів з різними рецептурами значно відрізняється. Наприклад, коефіцієнт усадки SMC-матеріалів, спеціально розроблених для електричних компонентів (таких як RL-SMC-6006), може становити лише 0,03 ± 0,03%, тоді як у SMC-матеріалів загального призначення – від 0,07% до 0,08%. У практичних застосуваннях технічні параметри, надані постачальником матеріалу, слід приймати як базове посилання, щоб уникнути відхилень у розмірах, викликаних відмінностями рецептури.

III. Ключові фактори, що впливають на швидкість усадки композитних форм SMC

Швидкість усадки композитних форм SMC не є постійною константою, а залежить від багатьох факторів, таких як склад сировини, структури форм, форми виробів і процеси формування. Серед них характеристики сировини та параметри процесу є основними змінними для контролю швидкості усадки та потребують пильної уваги:

1. Вплив складів сировини

Основними факторами, що визначають швидкість усадки, є склад сировини. Відмінності в їх компонентах можуть призвести до кардинальних змін усадочних характеристик. Конкретні впливи такі:

1.Система смол:Швидкість усадки SMC на основі епоксидної смоли значно нижча, ніж у SMC на основі фенольної смоли та ненасиченої поліефірної смоли. Основна причина полягає в тому, що щільність епоксидної смоли є відносно високою перед затвердінням, і під час процесу затвердіння не виділяються речовини з малими молекулами; тоді як фенольна смола вивільняє молекули води під час затвердіння, а молекулярний відстань стирольного зшиваючого агента в ненасиченій поліефірній смолі значно змінюється під час затвердіння та супроводжується частковим випаровуванням, що призводить до збільшення швидкості усадки.

2.Добавки з низькою усадкою:Вид і дозування добавок істотно впливають на швидкість усадки. Наприклад, коли дозування добавок, таких як сополімер хлорованого вінілацетату та полістиролу, збільшується з 15 частин до 30 частин, швидкість лінійної усадки може бути зменшена з 0,25% до 0,01%. Однак слід зазначити, що надмірна кількість добавок подовжить цикл затвердіння та знизить механічну міцність виробу. У промисловому масовому виробництві дозування зазвичай контролюється приблизно на рівні 5%.

3.Волокна та наповнювачі:Швидкість усадки неорганічних наповнювачів, таких як скловолокно та карбонат кальцію, набагато нижча, ніж у смоляної матриці. Збільшення їх вмісту може ефективно пригнічувати загальну швидкість усадки. Наприклад, коли масовий вміст скловолокна підвищується з 15% до 30%, швидкість усадки може бути зменшена більш ніж на 30%. Однак необхідно збалансувати довжину волокон і текучість матеріалу, щоб уникнути негативного впливу занадто довгих волокон на ефект заповнення порожнини форми.

4.Летючий вміст:Чим вищий вміст летючих речовин, таких як стирол, у SMC-матеріалах, тим більше пустот залишається після виходу летких речовин під час процесу формування, і відповідно збільшується швидкість усадки. Тому в промисловому виробництві необхідно суворо контролювати вміст летючих речовин у формувальній масі, щоб уникнути перевищення критичного значення 5%.

2. Вплив структури форми та форми продукту

1.Жорсткість форми:Коли жорсткість прес-форми є недостатньою, пружна деформація схильна до виникнення під час процесу пресування, що призводить до збільшення розмірів продукту та опосередкованого зменшення виміряного

швидкість усадки. Особливо для тонкостінних виробів вплив жорсткості форми є більш помітним. Жорсткість можна покращити, збільшивши товщину стінки форми або використовуючи високо-матеріали, такі як сталь P20.

2.Складність конструкції продукту:Швидкість усадки товстостінних-виробів зазвичай вища, ніж тонкостінних-виробів. Основна причина полягає в тому, що смола в товстостінних -ділянках твердне та повільно розсіює тепло, що призводить до більшої структурної усадки. Вироби зі складними порожнинами, галтелями або ребрами схильні до нерівномірної усадки, причому локальні відхилення швидкості усадки можуть перевищувати 10%. Локальну компенсацію усадки слід передбачити на етапі проектування форми.

3.Різниця напрямків потоку:Під час потоку матеріалу SMC у порожнині форми волокна вирівнюються вздовж напрямку потоку, що призводить до того, що швидкість усадки в напрямку потоку зазвичай є вищою, ніж у напрямку, перпендикулярному до потоку. Ця анізотропія більш виражена у великих виробах. Стан текучості слід збалансувати шляхом оптимізації положення затвора форми, щоб зменшити різницю в усадці.

3. Вплив параметрів процесу формування

Параметри процесу формування безпосередньо впливають на кінцеву швидкість усадки, регулюючи процес реакції затвердіння та ступінь ущільнення матеріалу. Серед них температура, тиск і час витримки є основними контрольними точками, які необхідно точно узгоджувати з властивостями матеріалу.

1.Температура пресування форми:У звичайному діапазоні температур формування (135~155 градусів) підвищення температури призводить до збільшення швидкості усадки. Основна причина полягає в тому, що чим вища температура, тим більший об’єм теплового розширення матеріалу, і величина теплового стиснення при охолодженні до кімнатної температури також відповідно збільшується; тим часом високі температури прискорюють реакцію твердіння, що може призвести до недостатнього структурного скорочення, але в цілому ефект термічного скорочення є домінуючим.

2.Тиск формування:У розумному діапазоні підвищення тиску формування (зазвичай від 10 МПа до 30 МПа) може зменшити швидкість усадки, оскільки високий тиск може зробити продукт більш компактним і мінімізувати порожнечі, що утворюються під час затвердіння смоли. Застосування дво-системи стиснення «високий-тиск заповнення + низький-тиск затвердіння» може додатково оптимізувати швидкість усадки. Крім того, чим менший тиск на другому етапі і чим довший час витримки на першому етапі, тим кращий ефект контролю усадки.

3.Час витримки тиску та збереження тепла:Збільшення часу утримання тиску та збереження тепла може збільшити щільність зшивання смоли, зменшити коефіцієнт лінійного розширення та, таким чином, знизити швидкість усадки. За звичайних обставин, коли час збереження тепла та тиску подовжено з 5 хвилин до 15 хвилин, швидкість усадки може бути зменшена на 20% до 30%. Однак необхідно уникати надмірного розширення, яке може призвести до зниження ефективності виробництва. Час слід розумно встановлювати в поєднанні з товщиною виробу і характеристиками матеріалу.

4.Метод деформування:Швидкість усадки при холодному вийманні (вийманні з форми при охолодженні до температури нижче 60 градусів) нижча, ніж при гарячому вийманні (вийманні з форми при температурі понад 100 градусів), оскільки холодне виймання може зменшити вторинну усадку продукту при охолодженні після виймання з форми; однак холодне виймання з форми подовжить виробничий цикл, і вибір слід робити на основі повного балансу вимог до точності продукту та цілей ефективності виробництва.

IV. Методи контролю за швидкістю усадки композитних форм із SMC та ключові моменти конструкції прес-форм

Щоб забезпечити точність розмірів виробів, необхідно комплексно контролювати швидкість усадки з трьох аспектів: склад матеріалу, оптимізація процесу та конструкція форми. Серед них компенсація усадки на етапі проектування форми є вирішальним кроком для гарантування точності масового виробництва:

1. Оптимізаційний контроль рецептури матеріалу

Переважно використовуйте системи смол із низькою-усадкою (наприклад, смолу з вінілового ефіру) або додайте від 5% до 8% добавок із низькою -усадкою (наприклад, сополімер вінілацетату), щоб підтримувати базову швидкість усадки нижче 0,05%, тим самим зменшуючи ризик коливань усадки від джерела.

Розумно регулюючи вміст скловолокна (від 25% до 30% за масовою часткою) і його довжину (3-6 мм), можна зменшити швидкість усадки, забезпечуючи при цьому механічну міцність виробу. Крім того, можна додати від 10% до 20% неорганічних наповнювачів (таких як тальк) для подальшого посилення ефекту інгібування усадки.

1. Суворо контролюйте вміст летючих речовин у формувальній суміші, середовище та час її зберігання, щоб уникнути аномального збільшення швидкості усадки через випаровування стиролу та забезпечити стабільність характеристик матеріалу.

2. Оптимізаційний контроль процесу формування

Використовуйте дво{0}}систему стиснення: на першому етапі використовується високий тиск (20~25 МПа) для заповнення порожнини форми, щоб забезпечити повне заповнення матеріалу; на другому етапі тиск знижується до низького тиску (5~10 МПа) для затвердіння, зменшуючи структурну усадкову напругу, що може знизити швидкість усадки на 15%~25% і покращити стабільність усадки.

Оптимізуйте криву контролю температури: застосуйте режим градієнтного нагрівання (спочатку попередньо нагрійте при 135 градусах протягом 5 хвилин, потім підвищте температуру до 150 градусів для затвердіння), щоб уникнути локального перегріву, що спричиняє нерівномірну усадку; після затвердіння використовуйте метод повільного охолодження, щоб зменшити градієнт термічної усадки та мінімізувати стрес усадки.

Точне узгодження часу витримки тиску та збереження тепла: різні налаштування встановлюються залежно від товщини виробу. Для тонкостінних-продуктів (<5mm), the pressure holding time is 5 to 8 minutes, and for thick-walled products (>10 мм), це від 12 до 15 хвилин. Це забезпечує повне затвердіння смоли та зменшує коливання усадки на наступній стадії.

3. Ключові моменти компенсації усадки в конструкції форми

Принцип вибору швидкості усадки: при проектуванні прес-форми швидкість компенсаційної усадки повинна визначатися в поєднанні з параметрами формули матеріалу, характеристиками структури продукту та умовами процесу формування. Як правило, до виміряної швидкості усадки додається запас від 10% до 20%. Для виробів зі складною-структурою слід проводити цілеспрямовану локальну компенсацію відповідно до різниці усадки в різних частинах (наприклад, рівень компенсації на товстостінних ділянках можна збільшити на 5%).

Оптимізація структури прес-форми: підвищення загальної жорсткості форми для запобігання пружній деформації під час процесу пресування; встановіть витяжні канавки розумно (з контрольованою глибиною від 0,03 до 0,05 мм), щоб ефективно видаляти летючі речовини та повітря, зменшуючи усадочні пустоти; оптимізувати положення та кількість затворів для забезпечення рівномірного потоку матеріалу та мінімізації анізотропної усадки.

Подальші коригувальні заходи: Для високо-прецизійних виробів слід застосувати циклічний процес оптимізації «пробного формування - вимірювання розмірів - корекції форми». Фактична швидкість усадки визначається на основі відхилення розмірів першого виробу, а потім розміри порожнини прес-форми локально точно-регулюються за допомогою таких методів, як електроерозійна обробка, щоб забезпечити остаточну точність.

V. Відповідні стандарти та вимоги до тестування

Випробування та класифікація швидкості усадки форм із композитних матеріалів SMC повинні суворо відповідати національному стандарту GB/T 15568-2024 «Загальна листова формова суміш (SMC)» (цей стандарт замінив GB/T 15568-2008). Стандарт чітко визначає вимоги до класифікації показників усадки та відповідні методи випробувань:

1. Класифікація за показниками усадки: стандарт класифікує SMC на чотири класи, від S1 до S4, на основі їх показників усадки. Кожен сорт відповідає певному діапазону швидкості усадки. Під час фактичного вибору необхідно узгодити матеріал із відповідним класом на основі вимог до точності продукту, щоб уникнути відхилень у розмірах, спричинених неправильним вибором матеріалу.

2. Метод випробування: Пресування прес-форм здійснюється за допомогою зразків у формі диска. Швидкість лінійної усадки розраховується шляхом вимірювання різниці між діаметром порожнини форми та діаметром зразка при кімнатній температурі. У процесі тестування необхідно суворо контролювати умови тестування. Температура пресування прес-форми встановлена ​​на 141 градус, а час витримки становить 10 хвилин, щоб гарантувати порівняння результатів тесту з реальними сценаріями виробництва.

VI. Поширені проблеми та заходи протидії

Під час фактичного масового виробництва аномальна швидкість усадки може легко спричинити дефекти якості, такі як викривлення виробів, відхилення розмірів і поверхневі тріщини. Конкретні контрзаходи для поширених проблем такі:

Надмірна усадка призводить до зменшення розмірів. Основні контрзаходи включають: збільшення вмісту добавок із низькою{1}}усадкою з 5% до 8%, підвищення тиску формування на 5–10 МПа та подовження часу витримки на 3–5 хвилин. Якщо виявлено, що летючий вміст матеріалу перевищує стандарт, кваліфіковані формувальні матеріали слід своєчасно замінити, щоб вирішити проблему в її джерелі.

2. Нерівномірна усадка спричиняє деформацію викривлення: ключовими рішеннями є: утримання різниці температур між верхньою та нижньою формами в межах 5 градусів, використання охолоджувальних пристроїв для обмеження вільної деформації виробу після виймання з форми, оптимізація структури виробу (наприклад, додавання ребер для підвищення жорсткості) та регулювання положення затвора для забезпечення рівномірного потоку матеріалу та збалансування швидкості усадки кожної частини.

3. Анізотропна усадка викликає відхилення при складанні: рішення щодо оптимізації включають: коригування конструкції порожнини прес-форми, щоб напрямок потоку матеріалу відповідав базовому напрямку складання виробу; збільшення довжини волокна з 3 мм до 6 мм для зменшення ступеня орієнтації волокна; застосовуючи багато{3}}конструкцію воріт, щоб збалансувати стан потоку матеріалу в порожнині форми та зменшити різницю в усадці.

Резюме

Швидкість усадки форм із композитних матеріалів SMC є повним відображенням властивостей матеріалу, конструкції форми та процесів формування. Основна логіка керування така: зменшення базової швидкості усадки за допомогою формули низької-усадки, регулювання процесів затвердіння та термічної усадки шляхом оптимізації параметрів процесу та компенсація розмірних відхилень за допомогою компенсації усадки форми. У промисловому масовому виробництві необхідно точно визначити значення компенсації швидкості усадки на основі вимог до точності продукту, параметрів формули матеріалу та умов виробничого процесу, щоб досягти точного та стабільного виробництва продуктів SMC. Для високо-прецизійних виробів (допуск розмірів ±0,05 мм) рекомендується прийняти комбіноване рішення «індивідуальна формула матеріалу + дво-процес пресування + вторинна корекція прес-форми», щоб гарантувати, що швидкість усадки суворо контролюється нижче 0,03%.