Трансферное формование

Manufacturing process in which casting material is forced into a mold

Трансферное формование ( BrE : трансферное формование ) — это производственный процесс, в котором литой материал принудительно вдавливается в форму . Трансферное формование отличается от компрессионного формования тем, что форма закрыта ^[1] , а не открыта для заполняющего плунжера , что приводит к более высоким размерным допускам и меньшему воздействию на окружающую среду . ^[2] По сравнению с литьем под давлением , трансферное формование использует более высокие давления для равномерного заполнения полости формы. Это позволяет более толстым матрицам армирующих волокон быть более полно пропитанными смолой . ^[2] Кроме того, в отличие от литья под давлением, литой материал трансферной формы может начать процесс как твердое тело . Это может снизить затраты на оборудование и зависимость от времени . Процесс переноса может иметь более медленную скорость заполнения, чем эквивалентный процесс литья под давлением . ^[2]

Процесс

Внутренние поверхности формы могут быть покрыты гелем . При желании форма сначала предварительно загружается армирующей волокнистой матрицей или заготовкой. ^[2] Содержание волокон в композите, формованном методом трансферного формования, может достигать 60% по объему . Материал наполнителя может быть предварительно нагретым твердым веществом или жидкостью . Он загружается в камеру, известную как горшок. Таран или плунжер выдавливает материал из горшка в нагретую полость формы. Если исходное сырье изначально твердое, давление нагнетания и температура формы расплавляют его. Могут использоваться стандартные элементы формы, такие как литниковые каналы, затвор потока и выталкивающие штифты. Нагретая форма гарантирует, что поток остается жидким для полного заполнения. После заполнения форму можно охлаждать с контролируемой скоростью для оптимального отверждения термореактивного материала.

Вариации

В отрасли выделяют множество процессов в категории трансферного формования. Существуют области совпадения, и различия между каждым методом могут быть нечетко определены.

Трансферное формование смолы

При литье под давлением (RTM) используется жидкая термореактивная смола для пропитки волокнистой заготовки, помещенной в закрытую форму. Процесс универсален и позволяет изготавливать изделия с внедренными объектами, такими как пенопластовые сердечники или другие компоненты в дополнение к волокнистой заготовке. ^[3]

Вакуумное трансферное формование смолы

Вакуумное трансферное формование (VARTM) использует частичный вакуум на одной стороне волокнистого мата для втягивания смолы для полного насыщения. VARTM использует меньшие усилия плунжера, что позволяет выполнять формование с использованием более дешевого оборудования . Использование вакуума может позволить смоле адекватно течь и/или отверждаться без нагрева. ^[4] Эта температурная независимость позволяет изготавливать более толстые волокнистые заготовки и более крупные геометрические формы изделий, что делает их экономичными . VARTM может производить детали с меньшей пористостью , чем обычное трансферное формование, с пропорциональным увеличением прочности литья. ^[1]

Микротрансферное формование

Микротрансферное формование, также называемое трансферным микроформованием, представляет собой процесс, в котором используется форма для формирования трансферных структур размером до 30 нм на тонких пленках и микросхемах. ^[5] В отличие от обычного масштабного трансферного формования, микроформование может использоваться и используется как с металлами, так и с неметаллами. ^[6]

Дефекты

Ограничение дефектов является ключевым моментом при коммерческом производстве любого вида материала. Трансферное формование не является исключением. Например, пустоты в деталях, полученных трансферным формованием, значительно снижают прочность и модуль. ^[7] Также могут быть дефекты, когда волокна используются вокруг острых углов. Поток смолы может создавать зоны, богатые смолой, на внешней стороне этих углов. ^[8]

Распределение давления

Существует несколько факторов, способствующих образованию пустот в конечном продукте трансферного формования. Один из них — неравномерное распределение давления между материалом, вдавливаемым в форму. В этом случае материал складывается сам по себе и образует пустоты. Другой — пустоты в смоле, предварительно вдавливаемой в форму. Это может быть очевидно, но это основной фактор. Чтобы ограничить образование этих форм, необходимо вдавливать смолу под высоким давлением, поддерживать равномерное распределение волокон и использовать высококачественную, правильно дегазированную базовую смолу.

Острые углы

Острые углы являются проблемой для всех формовочных производств, включая литье. В частности, при трансферном формовании углы могут сломать волокна, которые были помещены в форму, и могут создать пустоты на внутренней стороне углов. Этот эффект продемонстрирован на рисунке 3 справа. Ограничивающим фактором в этих конструкциях является внутренний радиус угла. ^[8] Этот предел внутреннего радиуса варьируется в зависимости от выбора смолы и волокна, но эмпирическое правило заключается в том, что радиус должен быть в 3–5 раз больше толщины ламината. ^[8]

Материалы

Материалом, наиболее часто используемым для трансферного формования, является термореактивный полимер. Этот тип полимера легко формовать и манипулировать, но после отверждения он затвердевает в постоянную форму. ^[9] Для простых однородных трансферных формованных деталей деталь просто изготавливается из этой пластиковой подложки. С другой стороны, трансферное формование смолы позволяет изготавливать композитный материал, помещая волокно в форму и затем впрыскивая термореактивный полимер. ^[10]

Дефекты, известные как пустоты и сухая смола (в случае литья под давлением смолы), возможны при литье под давлением и часто усугубляются материалами с высокой вязкостью. Это происходит потому, что высоковязкий пластик, протекающий через тонкую форму, может пропустить целые освободившиеся области, оставляя воздушные карманы. Когда воздушные карманы остаются в присутствии волокна, это создает «сухую» область, которая препятствует передаче нагрузки через волокна в сухой области.

Материалы, используемые для пластика, часто представляют собой полиуретаны или эпоксидные смолы. Оба они мягкие и податливые до затвердевания, становясь намного тверже после застывания. Материалы, используемые для волокон, сильно различаются, хотя распространенным выбором являются углеродные или кевларовые волокна, а также органические волокна, такие как пенька. ^[11]

Ссылки

^ ab Hayward, JS; Harris, B. (1 сентября 1990 г.). «Эффект вакуумной поддержки при литье под давлением смолы». Composites Manufacturing . 1 (3): 161– 166. doi :10.1016/0956-7143(90)90163-Q.
^ abcd Орнаги, Эйтор Луис; Болнер, Александр Сонаглио; Фиорио, Рудиней; Заттера, Адемир Хосе; Амико, Сандро Кампос (15 октября 2010 г.). «Механический и динамический механический анализ гибридных композитов, формованных методом трансферного формования смолы». Журнал прикладной полимерной науки . 118 (2): 887– 896. doi :10.1002/app.32388. ISSN 1097-4628.
^ Кендалл, К. Н.; Радд, К. Д.; Оуэн, М. Дж.; Миддлтон, В. (1 января 1992 г.). «Характеристика процесса трансферного формования смол». Производство композитов . 3 (4): 235– 249. doi :10.1016/0956-7143(92)90111-7.
^ Heider, Dirk; Graf, A.; Fink, Bruce K.; Gillespie, Jr., John W. (1 января 1999 г.). «Управление обратной связью процесса вакуумного трансферного формования смолы (VARTM)». Process Control and Sensors for Manufacturing II. 3589 : 133– 141. Bibcode :1999SPIE.3589..133H. doi :10.1117/12.339956. S2CID 110793448. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ Каваллини, Массимилиано; Мурджиа, Мауро; Бискарини, Фабио (2 января 2002 г.). «Прямое формирование рисунка тонкой пленки трис-(8-гидроксихинолин)-алюминия (III) в субмикронном масштабе с помощью модифицированного микротрансферного формования». Материалы Науки и инженерия: C. Современные тенденции в нанотехнологиях: от материалов к системам, Труды симпозиума S, Весенняя встреча EMRS 2001 г., Страсбург, Франция. 19 ( 1– 2): 275– 278. doi :10.1016/S0928-4931(01)00398-8.
^ Чой, Сонг-О; Раджараман, Сваминатан; Юн, Ён-Кю; Ву, Сяосонг; Аллен, Марк Г. (2006). "3-D patterned microstructures using tilt UV Exposure and Metal Transfer Micromolding" (PDF) . Proc. Solid State Sensors, Actuators and Microsystems Workshop (Хилтон-Хед, Южная Каролина) . Получено 8 марта 2016 г. .
^ Кан, Мун Ку; Ли, Ву Иль; Хан, Х. Томас (1 сентября 2000 г.). «Формирование микропустот во время процесса литья под давлением». Composites Science and Technology . 60 ( 12– 13): 2427– 2434. doi :10.1016/S0266-3538(00)00036-1.
^ abc Holmberg, JA; Berglund, LA (1 января 1997 г.). «Производство и эксплуатационные характеристики U-образных балок RTM». Композиты. Часть A: Прикладная наука и производство . 28 (6): 513– 521. doi :10.1016/S1359-835X(97)00001-8.
^ Паско, Жан-Пьер; Сотеро, Генри; Верду, Жак; Уильямс, Роберто Джей-Джей (20 февраля 2002 г.). Термореактивные полимеры. ЦРК Пресс. ISBN 9780824744052.
↑ III, Уильям Х. Зееманн (20 февраля 1990 г.), Методы литья пластмасс под давлением для производства армированных волокном пластиковых конструкций , получено 8 марта 2016 г.
^ Руисон, Дэвид; Сайн, Мохини; Кутюрье, М. (1 июня 2006 г.). «Формование композитов из конопляного волокна методом переноса смолы: оптимизация процесса и механических свойств материалов». Composites Science and Technology . 66 ( 7–8 ): 895–906 . doi :10.1016/j.compscitech.2005.07.040.

[Hayward-1] Hayward, JS; Harris, B. (1 сентября 1990 г.). «Эффект вакуумной поддержки при литье под давлением смолы». Composites Manufacturing . 1 (3): 161– 166. doi :10.1016/0956-7143(90)90163-Q.

[Ornaghi-2] Орнаги, Эйтор Луис; Болнер, Александр Сонаглио; Фиорио, Рудиней; Заттера, Адемир Хосе; Амико, Сандро Кампос (15 октября 2010 г.). «Механический и динамический механический анализ гибридных композитов, формованных методом трансферного формования смолы». Журнал прикладной полимерной науки . 118 (2): 887– 896. doi :10.1002/app.32388. ISSN 1097-4628.

[3] Кендалл, К. Н.; Радд, К. Д.; Оуэн, М. Дж.; Миддлтон, В. (1 января 1992 г.). «Характеристика процесса трансферного формования смол». Производство композитов . 3 (4): 235– 249. doi :10.1016/0956-7143(92)90111-7.

[4] Heider, Dirk; Graf, A.; Fink, Bruce K.; Gillespie, Jr., John W. (1 января 1999 г.). «Управление обратной связью процесса вакуумного трансферного формования смолы (VARTM)». Process Control and Sensors for Manufacturing II. 3589 : 133– 141. Bibcode :1999SPIE.3589..133H. doi :10.1117/12.339956. S2CID 110793448. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )CS1 maint: multiple names: authors list (link)

[5] Каваллини, Массимилиано; Мурджиа, Мауро; Бискарини, Фабио (2 января 2002 г.). «Прямое формирование рисунка тонкой пленки трис-(8-гидроксихинолин)-алюминия (III) в субмикронном масштабе с помощью модифицированного микротрансферного формования». Материалы Науки и инженерия: C. Современные тенденции в нанотехнологиях: от материалов к системам, Труды симпозиума S, Весенняя встреча EMRS 2001 г., Страсбург, Франция. 19 ( 1– 2): 275– 278. doi :10.1016/S0928-4931(01)00398-8.

[6] Чой, Сонг-О; Раджараман, Сваминатан; Юн, Ён-Кю; Ву, Сяосонг; Аллен, Марк Г. (2006). "3-D patterned microstructures using tilt UV Exposure and Metal Transfer Micromolding" (PDF) . Proc. Solid State Sensors, Actuators and Microsystems Workshop (Хилтон-Хед, Южная Каролина) . Получено 8 марта 2016 г. .

[7] Кан, Мун Ку; Ли, Ву Иль; Хан, Х. Томас (1 сентября 2000 г.). «Формирование микропустот во время процесса литья под давлением». Composites Science and Technology . 60 ( 12– 13): 2427– 2434. doi :10.1016/S0266-3538(00)00036-1.

[Holmberg-8] Holmberg, JA; Berglund, LA (1 января 1997 г.). «Производство и эксплуатационные характеристики U-образных балок RTM». Композиты. Часть A: Прикладная наука и производство . 28 (6): 513– 521. doi :10.1016/S1359-835X(97)00001-8.

[9] Паско, Жан-Пьер; Сотеро, Генри; Верду, Жак; Уильямс, Роберто Джей-Джей (20 февраля 2002 г.). Термореактивные полимеры. ЦРК Пресс. ISBN 9780824744052.

[10] III, Уильям Х. Зееманн (20 февраля 1990 г.), Методы литья пластмасс под давлением для производства армированных волокном пластиковых конструкций , получено 8 марта 2016 г.

[11] Руисон, Дэвид; Сайн, Мохини; Кутюрье, М. (1 июня 2006 г.). «Формование композитов из конопляного волокна методом переноса смолы: оптимизация процесса и механических свойств материалов». Composites Science and Technology . 66 ( 7–8 ): 895–906 . doi :10.1016/j.compscitech.2005.07.040.