열가소성 복합 재료의 열성형 문제 해결

참고:이 문서의 정보 및 이미지 열가소성 복합 재료 연구 센터(TPRC)에서 진행하는 "열가소성 복합 재료의 고급 성형" 과정에서 얻은 정보입니다.

열가소성 복합 재료(TPC)는 항공 우주 및 기타 경량 응용 분야에서 더 빠른 생산 속도에 대한 수요로 인해 처음으로 이점을 얻었습니다. 몇 분 만에 부품을 생산함으로써 열성형(스탬핑이라고도 함)이 가장 일반적인 열가소성 복합 재료 공정이자 최초로 플라잉 부품을 대량 생산할 수 있었습니다("열가소성 복합 재료 핫베드 내부" 및 "열가소성 복합 재료 클립 시간 ..." 참조).

공정은 블랭크(필수 플라이 방향을 가진 사전 통합된 열가소성 복합 라미네이트)로 시작하며 다음 단계로 구성됩니다(그림 1):블랭크 준비(절단 및 고정), 블랭크 가열, 금형으로 이동, 블랭크 위치 지정, 성형, 냉각, 부품 탈형 및 트리밍/마무리. 열성형 공정은 간단한 개념이지만 반복 가능한 고품질 복합 부품을 얻기 위해 해결해야 하는 복잡성과 문제가 있습니다.

주름 방지

주름은 시각적인 및 기능적 결함. 재료의 평면 외 굽힘으로 설명할 수 있습니다. 주요 원인은 가공 중 중간 슬립 및 내부 전단과 같은 불충분한 전단 변형입니다. 주름은 주로 이중 곡면에서 발생합니다. 주름을 최소화하려면 다음 조치를 고려하십시오.

충분한 예열 및 빠른 전달. 블랭크를 형성하는 동안 온도는 용융 온도(T_m ) TPC 매트릭스의 전단 변형을 허용합니다. 예열 단계에서 금형으로 이동하는 동안 온도가 3초 안에 40-50°C까지 크게 떨어질 수 있다는 점을 고려하십시오. 따라서 예열은 폴리머가 T_m 이상으로 유지될 만큼 충분히 높아야 합니다. — 또는 유리 전이 온도(T_g ) 비정질 폴리머의 경우 - 전사 후 및 성형 중. 콜드 블랭크는 제대로 변형되지 않고 주름이 생깁니다. 그러나 폴리머 분해를 방지하기 위해 블랭크를 과열하지 않도록 주의하십시오.

직물 직조 스타일 및 레이업 하네스 새틴(HS) 원단은 면내 전단 변형이 더 쉬워 드레이프성이 좋아 주름 방지에 도움이 됩니다. 직물의 드레이프성은 최고에서 최저로 다음과 같습니다. 8HS> 5HS> 2 x 2 능직> 평직. 5HS 패브릭은 드레이프성과 기계적 성능의 균형을 유지하기 때문에 좋은 출발점이 되는 경우가 많습니다. 단방향(UD) 보강재를 사용하여 만든 블랭크는 면내 전단에 저항하는 섬유 사이의 높은 마찰로 인해 HS 직물보다 더 많이 구겨지는 경향이 있습니다. 면내 전단을 허용하는 것은 특히 이중 곡면에서 UD 블랭크 형성의 성공 비결입니다.

[0, 90, ±45]_s와 같은 플라이 방향 준 등방성 레이업에서 발견되는 전단 변형을 억제하여 주름을 개선할 수 있습니다. 또는 교차 플라이(예:[0, 90]) 레이업은 전단력이 다른 플라이에 의해 제한되지 않기 때문에 주름을 방지하는 데 도움이 됩니다.

그림. 2. 주름 및 뒤틀림 방지
반구형 부분은 UD 블랭크를 사용하여 크고 작은 주름을 많이 보여줍니다 (왼쪽) , 8HS 공백 (오른쪽)을 사용하여 큰 주름만 볼 수 있습니다. . 이 복합 스파의 뒤틀림은 플랜지의 도구 플라이 마찰로 인한 섬유 방향 변경으로 인해 발생했습니다. 사진 제공:"열가소성 복합 재료의 한계 형성", D.J. Wolthuizen, et. 알. (왼쪽 ) 및 Tjitse K. Slange(right)의 "자동 레이업 및 스탬프 성형을 통한 맞춤형 열가소성 복합재의 신속한 제조" ).

공백 준비 및 고정 그리퍼와 텐셔너는 면외 굽힘이 발생하기 쉬운 영역에서 블랭크를 장력으로 유지하는 데 사용할 수 있습니다. 최적화된 구성을 찾는 것은 여러 번 반복해야 하는 시간 소모적일 수 있지만 프로세스 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면 도움이 됩니다. 적절한 블랭크 장력은 또한 블랭크가 처지는 것을 방지하여 전사 및 성형 중에 문제를 일으킬 수 있습니다. 이러한 문제에는 블랭크가 금형에 너무 빨리 닿아 드레이핑이 발생하기 전에 금형에 너무 많은 재료가 배치되어 좌굴 및 주름이 발생할 수 있습니다. 또한 블랭크가 처지고 히터에 닿아 블랭크가 손상되거나 공정이 중단될 수 있습니다.

블랭크의 최종 형상을 최적화하고 그물에 가까운 모양으로 절단하면 주름을 방지하고 스크랩을 줄일 수 있습니다. 절단 및 다트는 섬유 응력을 줄여 더 나은 성형을 허용함으로써 평면 외 굽힘을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

금형 설계로 어려움 극복

열성형 및 이와 유사한 성형 공정 중에 금형 자체가 문제를 일으킬 수 있습니다. 적절한 금형 설계는 금형 비용, 가열, 부품 결함 및 이형과 관련된 문제를 예방하는 데 도움이 됩니다.

금형 도구 재료 열성형 도구에 적합한 재료를 선택하려면 최종 부품에 사용된 재료를 고려하십시오. 이러한 재료는 필요한 금형 온도(T_mold ). 예를 들어, T_금형의 법칙을 따르면 <서브> =(T_m +T_g )/2 , 강화 PPS(폴리페닐렌 설파이드 T_m =280°C) T_금형 필요 약 180°C. (비정질 및 반결정질 열가소성 중합체는 T_g , 그러나 반결정질 중합체도 T_m .) 따라서 금형은 가열된 프레스의 압반 또는 부품 성형을 위한 가열된 도구로부터 충분한 열을 전도하는 데 필요합니다. 효율적인 부품 냉각을 위해서는 전도도 필요합니다. 그러나 T_g가 훨씬 낮은 강화 PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트)를 사용하여 만든 부품의 경우 (~100°C), 목재 또는 에폭시 도구는 실온에서 충분할 수 있습니다.

기타 고려 사항에는 현재 개발 단계와 가용 예산뿐 아니라 도구에서 제조할 부품 수도 포함됩니다. 가공 중 금형 도구는 마찰, 고온 및 압력에 노출됩니다. 목재와 에폭시는 금속에 비해 내열성과 내하중이 낮기 때문에 이러한 재료로 만든 금형은 수명이 짧고 소량 생산에 더 적합하며 금속 도구는 대량 생산에 선호됩니다.

공구에 대해 고려해야 할 또 다른 재료 시스템은 금속 고무입니다. , 일치하는 세트의 절반은 금속이고 다른 절반은 고무입니다. 이것은 생산 유연성을 허용하고 더 큰 공차를 가진 부품에 사용할 수 있습니다. 금속-고무 도구는 또한 균일한 정수압을 제공하여 플랜지 영역과 여러 UD 플라이로 만든 맞춤형 블랭크의 일반적인 두께 변화가 있는 블랭크에서 유용합니다.

이러한 고유한 정수압 적용은 동일한 부품이 여러 다른 두께로 생산될 때 이점이 있어 각 두께에 대해 별도의 금형 비용이 필요하지 않습니다. 금속-고무 도구를 설계할 때 다음과 같은 단점과 과제도 고려하는 것이 중요합니다.

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공구의 금속 면이 고무보다 더 매끄럽게 마무리됩니다.

금속 고무 도구는 전체 금속 도구에 비해 열팽창 계수(CTE)가 훨씬 더 높습니다.

금속에 비해 열전도율이 낮기 때문에 냉각 시간이 조금 더 오래 걸리고 온도 제어 응답에 더 많은 지연이 발생합니다.

마모 및 노후화로 인해 전체 금속 도구에 비해 서비스 수명이 단축됩니다.

성형 및 탈형 적절한 금형 설계는 충분한 압력, 최적의 드레이핑을 보장하고 결함을 방지하고 안전한 부품 제거를 촉진합니다. 성형 및 탈형과 관련하여 많은 문제가 있지만 가장 중요한 몇 가지는 다음과 같습니다.

<울>

압박 열성형 중 압력이 낮으면 통합 불량, 기계적 특성 감소 및 허용 오차를 벗어난 부품 치수가 발생할 수 있습니다. 일치하는 금속-금속 도구의 경우 엔드 스톱을 제거하여 라미네이트에 대한 지속적인 압력이 엔드 스톱이 생성하는 간격에 의해 방지되지 않도록 합니다.

재료 유입 허용 . 프레스(인입) 중 재료의 움직임을 차단할 수 있는 프레스(배럴링) 중 금형의 고무 면이 팽창하는 것을 방지하려면 성형 도구의 암 쪽에 고무를 놓습니다(그림 3 참조). .

부품 제거 . L자형 부품의 경우 원하는 L 각도가 V로 기울어진 금형을 설계하면 공구와의 마찰이 줄어들고 부품을 쉽게 제거할 수 있습니다. 상자 모양 부품의 경우 각 측면에 대해 1-2도의 구배 각도를 사용합니다. 더 깊은 부품에는 더 높은 각도가 필요할 수 있습니다.

뒤틀림 및 스프링인

뒤틀림 및 스프링 인은 부품이 성형된 후 발생하는 이방성 재료 속성과 고르지 않은 수지 냉각으로 인해 발생하는 모양 왜곡으로, 부품 치수가 공차를 벗어날 수 있습니다. 조립에 문제가 발생하고 부품이 폐기됩니다. 변형은 부품 내의 높은 성형 응력 영역이 낮은 성형 응력 영역과 교차할 때 발생합니다. 이러한 응력 불균형은 고응력 영역이 저응력 영역을 왜곡함으로써 완화되어 라미네이트가 휘거나 뒤틀립니다.

스프링인은 성형 응력으로 인해 벽 단면이 설계된 각도보다 작은 각도로 안쪽으로 뒤틀릴 때 곡선 패널이나 모서리 단면이 있는 부품에서 발생합니다. 이는 섬유 강화 복합 재료의 이방성 특성으로 인해 종종 발생합니다. 부품 형상도 요인입니다. 평면 내(섬유 방향의 낮은 CTE)와 두께 관통(매트릭스의 높은 CTE) 사이의 수축 차이는 1-3도의 각도 감소를 유발할 수 있습니다.

모양 왜곡을 해결하는 것은 비용과 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 더 빠른 부품 개발을 위해 시뮬레이션 및 설계 도구를 사용하는 것이 좋습니다. 뒤틀림에 직면했을 때 다음과 같은 가능한 원인과 수정 사항을 찾으십시오.

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프로세스 매개변수 . 금형 온도는 휨에 영향을 줄 수 있는 결정화 및 점탄성 효과와 관련된 두께 특성에 영향을 미칩니다. 금형 온도를 낮추면 스프링 인이 줄어들 수 있지만 내부 응력이 증가하여 일단 해제되면 스프링 인이 발생할 수 있습니다. 이 불확실성을 주의 깊게 조사해야 합니다. 높은 압력과 성형 속도는 스프링 인을 감소시킬 수 있으며 인터플라이 슬립을 제한하여 반대 문제인 스프링 백을 촉진할 수도 있습니다. 체류 시간을 늘리면 매트릭스가 완전히 응고되고 잔류 열이 제거되어 부품 제거 후 수축이 감소하여 스프링이 발생합니다.

금형 디자인 . 스프링인 보상은 금형의 벽 각도를 변경하여 수행할 수 있습니다. 또한 언급한 바와 같이 금형은 보다 균일한 냉각을 촉진하고 특히 두꺼운 부품에서 뒤틀림 위험을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

레이업 대칭 레이업은 일반적으로 뒤틀림을 완화하는 데 사용되지만 열 성형 중에 섬유 방향이 변경되어 비대칭 및 뒤틀림이 발생할 수 있습니다. 비대칭의 또 다른 징후는 반경 형성(모서리 포함) 중 수지 이동입니다. 이는 섬유 재분배 및 섬유 부피 분율의 국부적 변화를 일으켜 이방성과 뒤틀림을 촉진합니다. 다른 레이업 및 레이업 시퀀스는 섬유가 응력에 반응하여 차례로 변형에 영향을 미치기 때문에 다르게 동작합니다. 시뮬레이션 및 예측 도구는 이러한 복잡한 물질 거동을 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

열성형/스탬핑 공정에는 여러 매개변수와 복잡한 재료 거동이 포함되지만 성공적인 개발을 안내할 수 있는 기본 원칙과 조치가 있습니다. 열성형 TPC 부품, 특히 UD 맞춤형 블랭크의 구현이 증가함에 따라 혁신적인 솔루션과 개선된 설계/시뮬레이션 도구로 새로운 과제가 해결되고 있습니다.