กระบวนการ LFT-D ทำงานอย่างไร และเหตุใดจึงแทนที่ GMT ในคอมโพสิตยานยนต์

LFT-D — เทอร์โมพลาสติกแบบไฟเบอร์ยาวโดยตรง — เป็นหนึ่งในนวัตกรรมกระบวนการที่สำคัญที่สุดในการผลิตคอมโพสิตยานยนต์ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา ช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนเทอร์โมพลาสติกคอมโพสิทขนาดใหญ่ที่มีโครงสร้างได้ ณ รอบเวลาและระดับต้นทุนที่เข้ากันได้กับการผลิตยานยนต์ปริมาณมาก และกำลังค่อยๆ แทนที่เทอร์โมพลาสติกแผ่นแก้ว (GMT) เพื่อเป็นส่วนประกอบเชิงโครงสร้างสำหรับการใช้งานด้านโครงสร้างใต้ท้องรถ กึ่งโครงสร้าง และโครงสร้างภายในของยานยนต์ สำหรับวิศวกรและทีมจัดซื้อที่ประเมินกระบวนการผลิตเทอร์โมพลาสติกคอมโพสิต การทำความเข้าใจวิธีการทำงานของ LFT-D และสิ่งที่แตกต่างจาก GMT และกระบวนการอื่นๆ ถือเป็นรากฐานในการลงทุนด้านเทคโนโลยีที่เหมาะสม

LFT-D คืออะไร และแตกต่างจาก LFT มาตรฐานอย่างไร

LFT (เทอร์โมพลาสติกไฟเบอร์ยาว) เป็นวัสดุคอมโพสิตประเภทกว้างๆ ซึ่งมีแก้วยาวหรือเส้นใยคาร์บอน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะมีความยาว 10–25 มม. ในชิ้นงานสำเร็จรูป ถูกรวมเข้ากับเมทริกซ์โพลีเมอร์เทอร์โมพลาสติก (โพลีโพรพีลีน โพลีเอไมด์ หรือ PET เป็นส่วนใหญ่) การเสริมแรงด้วยเส้นใยยาวยังคงรักษาประสิทธิภาพเชิงกลได้ดีกว่าเส้นใยสั้น (ต่ำกว่า 1 มม.) ในเทอร์โมพลาสติกที่เติมด้วยแก้วแบบฉีดขึ้นรูปมาตรฐาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านความต้านทานแรงกระแทก ความต้านทานการคืบคลาน และความแข็งของโครงสร้าง

LFT-D หมายถึงกระบวนการผสมแบบอินไลน์โดยตรง: เทอร์โมพลาสติกเมทริกซ์และการเสริมใยแก้วจะถูกผสมเข้าด้วยกันทันทีก่อนการขึ้นรูป ในกระบวนการต่อเนื่องในสายการผลิตเดียวกัน นี่คือความแตกต่างที่ชัดเจนจาก LFT ที่เป็นเม็ด (หรือที่เรียกว่า G-LFT หรือ LFT pellets) โดยที่วัสดุคอมโพสิตจะถูกผสมในการทำงานแยกกัน อัดเป็นก้อน จัดเก็บ และนำกลับมาผ่านกระบวนการให้ความร้อนครั้งที่สองที่เครื่องอัด ใน LFT-D วัสดุถูกผลิตและขึ้นรูปด้วยวัฏจักรความร้อนเดียว เส้นใยและเมทริกซ์จะไม่ปล่อยให้เย็นลงและแข็งตัวระหว่างการผสมและการอัดขึ้นรูป การประมวลผลแบบรอบเดียวนี้รักษาความยาวเส้นใยสูงสุดไว้ในชิ้นส่วนที่เสร็จแล้ว ซึ่งเป็นเหตุผลหลักที่ LFT-D สร้างคุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ LFT ที่ใช้เม็ดเทียบเท่าซึ่งประมวลผลผ่านขั้นตอนการขึ้นรูปแบบอัดแบบธรรมดา

สายการผลิต LFT-D ทำงานอย่างไร

ขั้นตอนที่ 1: การทำให้เป็นพลาสติกเรซิน

เทอร์โมพลาสติกเรซิน ซึ่งโดยทั่วไปคือโพลีโพรพีลีน (PP) ในเกรดที่มีอัตราการหลอมละลายสูงซึ่งจัดทำขึ้นเพื่อการชุบเส้นใย จะถูกป้อนเป็นเม็ดเข้าไปในเครื่องอัดรีดแบบสกรูคู่ เครื่องอัดรีดจะละลายและทำให้เรซินเป็นเนื้อเดียวกันด้วยสารเติมแต่งใดๆ: สารเชื่อมต่อที่ปรับปรุงการยึดเกาะของเส้นใย-เมทริกซ์ สารเพิ่มความคงตัวของรังสียูวี สารหน่วงการติดไฟ สารให้สี และตัวปรับแรงกระแทก อุณหภูมิหลอมเหลวจะคงอยู่ในช่วง 180–240°C ขึ้นอยู่กับระบบเรซิน

ขั้นตอนที่ 2: การทำให้มีไฟเบอร์และการผสม

ใยแก้วจะถูกป้อนโดยตรงจากแท่งเข้าไปในเครื่องอัดรีดที่บริเวณปลายน้ำ ซึ่งเรซินที่หลอมละลายจะทำให้มัดเส้นใยเปียกภายใต้แรงเฉือนที่ควบคุม รูปทรงของสกรูอัดรีดในบริเวณการชุบได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อกระจายและทำให้เส้นใยเปียกโดยไม่มีแรงเฉือนสูงซึ่งจะทำให้เส้นใยแตกเป็นความยาวสั้น ปริมาณไฟเบอร์ในชิ้นส่วน LFT-D โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 30% ถึง 50% โดยน้ำหนัก ปริมาณเส้นใยที่สูงขึ้นจำเป็นต้องมีการออกแบบเครื่องอัดรีดอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้การชุบที่สมบูรณ์โดยไม่ต้องรวมกลุ่มของเส้นใยแห้ง

ขั้นที่ 3: การก่อตัวของประจุ

การอัดรีดอย่างต่อเนื่องจะออกจากแม่พิมพ์ของเครื่องอัดรีดในลักษณะเชือกหรือโปรไฟล์แบนของวัสดุหลอมที่เสริมด้วยเส้นใย ระบบการจัดการแบบหุ่นยนต์หรือแบบอัตโนมัติจะตัดอัดรีดออกเป็นชิ้นชาร์จตามน้ำหนักที่ต้องการ และวางลงบนเครื่องมือแม่พิมพ์ด้านล่างในรูปแบบการชาร์จที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ขั้นตอนนี้ต้องการการควบคุมน้ำหนักที่แม่นยำและการจัดวางที่สม่ำเสมอเพื่อให้เกิดความสม่ำเสมอของมิติชิ้นส่วนต่อชิ้นส่วนและการกระจายเส้นใยที่สม่ำเสมอในชิ้นส่วนที่ขึ้นรูป ประจุจะอยู่ที่อุณหภูมิหลอมละลายเมื่อโหลดเข้าไปในเครื่องอัด — โดยทั่วไปคือ 180–220°C — และตัวอัดจะต้องปิดอย่างรวดเร็วเพื่อจับประจุก่อนที่อุณหภูมิจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

ขั้นตอนที่ 4: การอัดขึ้นรูป

ที่ กด LFT-D ปิดอย่างรวดเร็ว โดยบีบอัดประจุเทอร์โมพลาสติกร้อนกับพื้นผิวแม่พิมพ์ที่ควบคุมอุณหภูมิ แม่พิมพ์ใน LFT-D จะถูกระบายความร้อน ซึ่งแตกต่างจากการขึ้นรูปด้วยเทอร์โมเซต SMC โดยอุณหภูมิของแม่พิมพ์โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 40–80°C ซึ่งต่ำกว่าอุณหภูมิการตกผลึกของเมทริกซ์ PP มาก ในขณะที่เครื่องอัดกดค้างไว้ที่ความดันในการขึ้นรูป ความร้อนจะไหลจากประจุเข้าสู่ผิวหน้าของแม่พิมพ์ และเมทริกซ์ PP จะตกผลึกและแข็งตัว สามารถถอดชิ้นส่วนออกได้ทันทีที่อุณหภูมิแกนกลางลดลงต่ำกว่าจุดอ่อนตัว โดยทั่วไปจะใช้เวลา 60–90 วินาทีหลังจากการกดปิดสำหรับชิ้นส่วนที่มีความหนาของผนังมาตรฐาน 3–4 มม. ซึ่งเร็วกว่าเวลาการแข็งตัวของเทอร์โมเซ็ต SMC อย่างมาก

LFT-D เปรียบเทียบกับ GMT อย่างไร

ข้อมูลจำเพาะของสื่อ สำคัญสำหรับการขึ้นรูป LFT-D

ความเร็วการปิดและเวลาตอบสนอง

LFT-D เป็นกระบวนการที่มีความสำคัญด้านเวลา: ประจุจะอยู่ที่อุณหภูมิหลอมละลายเมื่อโหลด และความล่าช้าทุก ๆ วินาทีก่อนที่เครื่องอัดจะปิดแสดงถึงการสูญเสียความร้อนและความหนืดที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้การไหลและการกระจายตัวของเส้นใยในชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปลดลง การกด LFT-D จะต้องปิดสนิทจากตำแหน่งเปิดภายใน 3–5 วินาที ซึ่งเร็วกว่าการกด SMC หรือ GMT มาตรฐานที่ต้องการ สิ่งนี้ต้องการระบบไฮดรอลิกเจาะขนาดใหญ่ที่มีตัวสะสมการตอบสนองที่รวดเร็วและระบบควบคุมเซอร์โวที่สามารถดำเนินการการเปลี่ยนความเร็วปิดเร็วเป็นปิดช้าที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้าในขณะที่เครื่องกดสัมผัสกับประจุ

การควบคุมความเท่าเทียม

ชิ้นส่วน LFT-D มักมีพื้นที่ยื่นออกมาขนาดใหญ่ — มีแผ่นบังใต้ท้องรถขนาด 1.5–2.0 ตร.ม. เป็นเรื่องปกติ การรักษาความขนานของแท่นวางทั่วบริเวณนี้ภายใต้แรงกด 1,000–3,000 kN จำเป็นต้องมีการควบคุมการปรับระดับแบบแอคทีฟ เครื่องอัดที่ติดตั้งเซ็นเซอร์ตำแหน่งสี่มุมและการแก้ไขเซอร์โวกระบอกไฮดรอลิกแต่ละตัวสามารถรักษาความขนานที่ ±0.1 มม. ทั่วทั้งแท่น ซึ่งจำเป็นสำหรับความหนาของชิ้นส่วนที่สม่ำเสมอและการกระจายเส้นใยในชิ้นส่วน LFT-D ที่มีโครงสร้างขนาดใหญ่

การควบคุมอุณหภูมิแม่พิมพ์

ต้องรักษาอุณหภูมิแม่พิมพ์ LFT-D อย่างสม่ำเสมอในช่วง 40–80°C เพื่อให้จลนศาสตร์ของการตกผลึก PP เหมาะสม อุณหภูมิที่ต่ำเกินไปจะทำให้ผิวหนังแข็งตัวเร็วขึ้นก่อนที่ประจุจะไหลจนเต็ม ทำให้เกิดพื้นที่ที่ยังเหลืออยู่ อุณหภูมิที่สูงเกินไปจะทำให้รอบเวลายาวนานขึ้น และอาจทำให้เกิดข้อบกพร่องที่พื้นผิวเนื่องจากการตกผลึกล่าช้า วงจรควบคุมอุณหภูมิของน้ำแบบหลายโซน - ทำให้แม่พิมพ์เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเป้าหมายในขณะที่แยกความร้อนที่ถ่ายโอนจากประจุร้อนแต่ละครั้ง - ต้องใช้เครื่องอัดที่ออกแบบมาพร้อมการเชื่อมต่อการควบคุมอุณหภูมิของแม่พิมพ์ในตัวและการกำหนดเส้นทางการไหล

การออกแบบระบบดีดออก

โดยทั่วไปชิ้นส่วน LFT-D จะถูกถอดออกที่อุณหภูมิสูงกว่าสภาพแวดล้อม — แกนอาจยังคงอยู่ที่ 60–80°C เมื่อดีดออก — เพื่อรักษาเป้าหมายเวลารอบการผลิต ชิ้นส่วนที่อุณหภูมินี้ไวต่อการบิดเบี้ยวจากแรงดีดออกที่ไม่สม่ำเสมอมากกว่า ระบบการดีดออกของแรงกดจะต้องให้แรงดีดออกที่สม่ำเสมอและควบคุมได้ทั่วพื้นที่ชิ้นส่วนทั้งหมด โดยมีรูปแบบหมุดดีดตัวที่ออกแบบตามรูปทรงของชิ้นส่วน สำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างขนาดใหญ่ การดีดออกโดยใช้หุ่นยนต์ช่วยและการวางตำแหน่งที่ควบคุมบนอุปกรณ์ทำความเย็นถือเป็นแนวปฏิบัติมาตรฐาน

การใช้ LFT-D ในการผลิตยานยนต์

แผงป้องกันและแอโรไดนามิกใต้ท้องรถ

แผ่นปิดด้านล่างของเครื่องยนต์ ฝาครอบเกียร์ และแผงหน้าท้องตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่ผลิตใน LFT-D PP แทนที่การปั๊มเหล็กที่เทียบเท่ากันโดยมีน้ำหนักลดลง 30–40% ในขณะที่ตอบสนองแรงกระแทกของเศษหิน ทนต่ออุณหภูมิ (120°C ต่อเนื่อง สูงสุด 150°C สำหรับ LFT แบบ PP) และข้อกำหนดการหน่วง NVH (เสียงรบกวน การสั่นสะเทือน ความรุนแรง) ความสามารถในการรีไซเคิลของเมทริกซ์ PP เป็นข้อกำหนดของโปรแกรมที่เพิ่มขึ้นจากผู้ผลิตรถยนต์ในยุโรปที่มุ่งเป้าไปที่การปฏิบัติตามข้อกำหนดการรีไซเคิลยานพาหนะที่หมดอายุการใช้งาน

โครงสร้างพื้นบรรทุกและสินค้า

พื้นบรรทุกสัมภาระท้ายรถ พื้นห้องเก็บสัมภาระในรถ SUV และรถตู้เชิงพาณิชย์ และฝาครอบล้ออะไหล่เป็นการใช้งาน LFT-D ปริมาณมาก โดยอัตราส่วนความแข็งต่อน้ำหนักของวัสดุ ความคงตัวของขนาด และต้นทุนเครื่องมือต่ำเมื่อเทียบกับการปั๊มโลหะแผ่น ทำให้เกิดกรณีต้นทุนที่น่าสนใจ พื้นรับน้ำหนัก LFT-D สามารถรวมโครง จุดยึด และช่องเจาะเข้าบริการไว้ในแม่พิมพ์ชิ้นเดียว ช่วยลดความจำเป็นในการประกอบหลายชิ้นในโครงสร้างเหล็กที่เทียบเท่ากัน

ผู้ให้บริการโมดูลส่วนหน้า

โครงสร้างส่วนรองรับโมดูลส่วนหน้า (FEM) ซึ่งรองรับหม้อน้ำ ไฟหน้า และชุดกันชนหน้า ใน LFT-D PA (โพลีเอไมด์) หรือ PP ให้ความแม่นยำด้านมิติและความแข็งแกร่งของโครงสร้างที่จำเป็นสำหรับชุดประกอบที่มีตำแหน่งที่แม่นยำนี้ ในขณะเดียวกันก็ช่วยให้โครงที่ซับซ้อนและรูปทรงของบอสที่จำเป็นสำหรับการติดตั้งส่วนประกอบในชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปชิ้นเดียว LFT-D ที่ใช้ PA ให้ความทนทานต่ออุณหภูมิได้ดีกว่า PP สำหรับการใช้งานที่อยู่ติดกับเครื่องยนต์ ซึ่งคาดว่าจะมีอุณหภูมิคงที่สูงกว่า 120°C

คำถามที่พบบ่อย

LFT-D มีความยาวเส้นใยเท่าใดในชิ้นงานที่เสร็จแล้ว?

การผสมแบบอินไลน์ LFT-D จะรักษาความยาวของเส้นใยไว้ 10–25 มม. ในชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปเสร็จแล้ว เทียบกับ 0.2–0.5 มม. สำหรับเทอร์โมพลาสติกเสริมใยสั้นที่ฉีดขึ้นรูป ความยาวของเส้นใยในชิ้นส่วนที่เสร็จแล้วได้รับอิทธิพลจากการออกแบบสกรูของเครื่องอัดรีด การกำหนดค่าโซนการชุบ และการไหลที่เกิดขึ้นระหว่างการเติมแม่พิมพ์ — ความเร็วการไหลที่สูงขึ้นและรูปทรงแม่พิมพ์ที่ซับซ้อนมากขึ้นทำให้เกิดการแตกหักของเส้นใยมากขึ้นในระหว่างการขึ้นรูป การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ LFT-D เพื่อเพิ่มความยาวของเส้นใยที่คงไว้นั้นจำเป็นต้องมีการปรับสมดุลอย่างระมัดระวังของการตั้งค่าเครื่องอัดรีด รูปแบบการชาร์จ และความเร็วในการปิดการกด ซัพพลายเออร์ที่นำเสนอระบบการกด LFT-D ควรจัดเตรียมข้อมูลความยาวเส้นใยที่บันทึกไว้จากการผลิตชิ้นส่วนที่เป็นตัวแทน ไม่ใช่แค่เอาต์พุตเครื่องอัดรีดตามทฤษฎีเท่านั้น

LFT-D สามารถใช้กับคาร์บอนไฟเบอร์แทนใยแก้วได้หรือไม่?

ใช่ — LFT-D ที่มีการเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (CF-LFT-D) มีความเป็นไปได้ทางเทคนิค และเป็นขอบเขตการพัฒนาสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแข็งจำเพาะสูงกว่าที่ใยแก้วให้ได้ คาร์บอนไฟเบอร์ LFT-D มีประสิทธิภาพด้านความแข็งต่อน้ำหนักสูงกว่าใยแก้ว LFT-D อย่างมีนัยสำคัญ แต่มีต้นทุนวัสดุที่สูงกว่า (คาร์บอนไฟเบอร์คือ 5–10 เท่าของต้นทุนของใยแก้วที่เทียบเท่ากัน) การใช้งานในปัจจุบันของ CF-LFT-D ส่วนใหญ่จะเน้นไปที่ส่วนประกอบโครงสร้างยานยนต์ระดับพรีเมี่ยม มอเตอร์สปอร์ต และการบินและอวกาศ โดยที่ระดับพรีเมี่ยมด้านประสิทธิภาพน้ำหนักนั้นมีความสมเหตุสมผลในเชิงเศรษฐกิจ การออกแบบโซนการอัดรีดและการทำให้มีขึ้นสำหรับคาร์บอนไฟเบอร์ต้องมีการปรับเปลี่ยนเฉพาะเมื่อเปรียบเทียบกับการประมวลผลด้วยใยแก้ว — โมดูลัสแรงดึงและความเปราะบางที่สูงกว่าของคาร์บอนไฟเบอร์ทำให้การเก็บรักษาเส้นใยในระหว่างการผสมมีความท้าทายมากขึ้น

รอบเวลาของ LFT-D เปรียบเทียบกับการฉีดขึ้นรูปเป็นอย่างไร

สำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างขนาดใหญ่ในช่วงน้ำหนัก 1-3 กก. การขึ้นรูปแบบอัด LFT-D จะมีรอบเวลา 60–120 วินาที ซึ่งเทียบได้กับหรือเร็วกว่าการฉีดขึ้นรูปที่ขนาดชิ้นส่วนเท่ากัน โดยไม่มีแรงดันประตูสูงของการฉีดขึ้นรูปที่จำกัดการรักษาความยาวของเส้นใย การฉีดขึ้นรูปชิ้นส่วนขนาดใหญ่ต้องใช้เวลาในการเติมนานขึ้นและแรงดันสูงในการฉีดซึ่งจะทำให้เส้นใยยาวแตกเป็นความยาวสั้น ซึ่งทำให้เสียเปรียบในการเสริมแรงทางโครงสร้าง สำหรับชิ้นส่วนที่มีคุณสมบัติทางโครงสร้างและขนาดชิ้นส่วนชอบ LFT-D รอบเวลาไม่ใช่ข้อเสียเมื่อเทียบกับทางเลือกในการฉีดขึ้นรูป

ระบบเรซินใดบ้างที่สามารถนำมาใช้ในการประมวลผล LFT-D ได้

โพลีโพรพีลีน (PP) เป็นเมทริกซ์เรซินที่โดดเด่นในกระบวนการผลิต LFT-D เนื่องจากมีความหนืดหลอมละลายต่ำ (ทำให้มีการชุบเส้นใยได้ดี) ต้นทุนต่ำ สามารถรีไซเคิลได้ และประสิทธิภาพที่เพียงพอสำหรับการใช้งานโครงสร้างส่วนล่างและภายในส่วนใหญ่ โพลีเอไมด์ 6 (PA6) และโพลีเอไมด์ 66 (PA66) ใช้สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่า — ส่วนประกอบห้องเครื่องยนต์ ชิ้นส่วนโครงสร้างที่รับความร้อน — โดยที่ขีดจำกัดอุณหภูมิต่อเนื่อง 120°C ของ PP นั้นไม่เพียงพอ LFT-D ที่ใช้ PET ใช้ในการใช้งานเฉพาะที่ต้องการความทนทานต่อสารเคมีหรือความเสถียรของมิติที่อุณหภูมิสูง ระบบเรซินแต่ละระบบต้องมีการกำหนดค่าเครื่องอัดรีดเฉพาะ ช่วงอุณหภูมิหลอมเหลว และการจัดการอุณหภูมิแม่พิมพ์เพื่อการประมวลผลที่ประสบความสำเร็จ

เครื่องอัดขึ้นรูปเซอร์โว LFT-D | GMT เซอร์โวปั้นกด | เครื่องอัดขึ้นรูปเซอร์โว SMC | โซลูชั่นอุตสาหกรรมยานยนต์ | ติดต่อเรา