碳纖維SMC產(chǎn)品生產(chǎn)中常見問題及解決方案

1、什么是碳纖維SMC？

在碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域，碳纖維片狀模塑料（Carbon Fiber Reinforced Sheet Molding Compound，簡(jiǎn)稱CF-SMC），是由高強(qiáng)度碳纖維短切材料(12.5/25mm)浸漬各種樹脂基體后所形成的高性能薄片狀半成品。CF-SMC作為一種高性能的成型材料，正逐步在航空航天、汽車制造、風(fēng)電葉片及體育器材等多個(gè)行業(yè)展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，盡管CF-SMC具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，其生產(chǎn)過程中仍會(huì)面臨一系列常見問題。

基體樹脂、增稠劑、固化劑等混合好并鋪設(shè)到下方移動(dòng)載體膜上→切割好的碳纖維碎片隨機(jī)分布在帶有樹脂的載體上→將涂有樹脂漿料的上表面載體膜以朝下的方式放置在短切碳纖維上→短切碳纖維呈上下樹脂之間夾層狀態(tài)，再將空氣擠壓出，樹脂浸潤(rùn)到碳纖維中，形成CF-SMC。

 

2、碳纖維SMC的特性

材料融合了碳纖維的優(yōu)異性能和SMC的成型工藝特性，是一種高性能、高效率模壓成型材料。

與常規(guī)預(yù)浸料相比：SMC零件生產(chǎn)效率更高，制造成本更低；很容易加工制備肋骨和角撐板等結(jié)構(gòu)；能夠成型肋骨 、凸臺(tái)、厚度變化；可以包覆金屬件成型；可以制造具有混合結(jié)構(gòu)（如連續(xù)+不連續(xù)纖維）；尺寸穩(wěn)定性高制備成形狀較為復(fù)雜 、有較高尺寸精度要求的碳纖維復(fù)合材料零部件。

與玻纖SMC相比：不僅纖維含量高，還具有低密度和理想的力學(xué)性能。

 

3、碳纖維SMC的應(yīng)用領(lǐng)域

目前被用于大批量地制造交通運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)器材、醫(yī)療器械、電子設(shè)備、消費(fèi)品市場(chǎng)、特殊裝備等所需更高性能且輕質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料部件，以及需要新花紋的裝飾性部件。

 

4、一些常見問題及原因

產(chǎn)生原因：

1、材料 

• SMC樹脂流動(dòng)性差，材料內(nèi)部空氣無(wú)法逸出 

• 材料熟化不完全，含浸不佳，氣體無(wú)法逸出

2、工藝 

• 壓機(jī)無(wú)排氣功能，產(chǎn)品內(nèi)部氣體無(wú)法逸出 

• 模具無(wú)排氣槽，產(chǎn)品內(nèi)部氣體無(wú)法逸出 

• 模具溫度不均，影響樹脂流動(dòng)，氣體逸出不全 

• 合模速度過快，氣體來不急逸出 

• 投料面積過大， 中間區(qū)域氣體來不及逸出

產(chǎn)生原因：

1、材料 

• 樹脂浸潤(rùn)性、流動(dòng)性不佳 

• 樹脂含量不均，局部樹脂含量偏低
2、工藝 

• 壓力較低，樹脂未流動(dòng)或流動(dòng)不充分 

• 投料不足 

• 加壓時(shí)間過早或過晚錯(cuò)過較佳的加壓時(shí)間 

• 合模速度過快，部分殘留氣體懸浮在制品表面

產(chǎn)生原因： 

• 各個(gè)區(qū)域材料匯集，匯集處因樹脂粘度不一致或粘度過 高產(chǎn)生熔接痕 

• 成型時(shí)流動(dòng)過程中阻力不均纖維堆積產(chǎn)生熔接痕 

• 流動(dòng)距離過長(zhǎng)，樹脂粘度增大產(chǎn)生熔接痕 

• 模溫過高產(chǎn)生快速凝膠，而影響到材料較好地熔接

5、解決方案

原因分析：

碳纖維SMC制品的質(zhì)量受原材料影響大，如樹脂、纖維等材料質(zhì)量不佳，會(huì)導(dǎo)致制品性能下降。
設(shè)計(jì)：模具及產(chǎn)品設(shè)計(jì)

產(chǎn)品及摸具設(shè)計(jì)不合理，增加產(chǎn)品缺陷率，影響產(chǎn)品質(zhì)量。
工藝：生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)工藝控制不嚴(yán)，如溫度、壓力、時(shí)間等因素控制不當(dāng)，會(huì)影響制品的強(qiáng)度和耐久。

問題解決方案

材料,主要考慮以下3個(gè)方面： 

1.片材流動(dòng)性

• 提高樹脂與纖維復(fù)合后的流動(dòng)性，成型過程帶動(dòng)纖維一起流動(dòng)。流動(dòng)性高的材料成型過程種更容易填充模腔、制品表面的纖維與樹脂更均勻等

• 適當(dāng)提高樹脂粘度，成型過程中樹脂帶動(dòng)纖維一起流動(dòng)。

• 添加填料，增加片材成型過程的流動(dòng)性。
2.樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)性

• 提高樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)性，保證制品質(zhì)量（浸潤(rùn)性好的材料可以減少表面的氣泡及分層情況）

• 提高樹脂與纖維表面張力，減小樹脂對(duì)纖維的浸潤(rùn)角。 

• 提高纖維表面處理效果，增加樹脂與纖維的表面附著力。 

• 改進(jìn)纖維上漿劑，提升樹脂與纖維的接著力。
3.供應(yīng)商產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性（熟化度，面密度，樹脂含量等)。

設(shè)計(jì)—產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

好的產(chǎn)品從起跑線（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）開始，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定產(chǎn)品所能達(dá)到的高度，做CF-SMC產(chǎn)品滿足產(chǎn)品功能是基礎(chǔ)，工藝可行性是本源，滿足產(chǎn)品功能的同時(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要注意：

?產(chǎn)品線條流暢，避免應(yīng)力集中。 

?產(chǎn)品結(jié)構(gòu)避免＃型溝壑縱橫，影響SMC材料的流動(dòng)性。 

?避免葫蘆截面急縮頸口，影響SMC材料性能與排氣效果。 

?避免直角，盡可能圓角＋錐度引導(dǎo)過度。

除了通用模具設(shè)計(jì)要求外，還需注意：

1.閉料口

CF-SMC產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)需設(shè)計(jì)閉料口，使材料只能在模腔內(nèi)流動(dòng)，保證產(chǎn)品的填充性。
2.排氣口

模具設(shè)計(jì)需設(shè)計(jì)排氣口，有利于CFSMC材料內(nèi)部氣體與揮發(fā)物排除，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
3.模具材質(zhì)膨脹/收縮率

模具設(shè)計(jì)時(shí)需考慮模具材質(zhì)膨脹/收縮率，保證產(chǎn)品尺寸。
4.抽真空

模具設(shè)計(jì)需設(shè)計(jì)抽真空功能，提高CF-SMC材料的流動(dòng)性，減少氣體與揮發(fā)物殘留。
5.頂出機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)頂出機(jī)構(gòu)，減少取模時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

設(shè)計(jì)-鋪層

制作好的產(chǎn)品鋪層設(shè)計(jì)先行，可根據(jù)產(chǎn)品的造型、厚度、結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)分析SMC材料在模腔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)/趨勢(shì)，設(shè)計(jì)SMC材料成型時(shí)料片的投放位置、投放區(qū)域、投放量。

鋪層設(shè)計(jì)需要注意：   

• 減小SMC材料在模具型腔內(nèi)的流動(dòng)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率   

• 使模腔內(nèi)壓力分布均勻，減小產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力，減小產(chǎn)品變形量 

• 減少SMC材料匯集產(chǎn)生的熔接痕，提高產(chǎn)品品質(zhì)

• 要生產(chǎn)出好的產(chǎn)品，成型工藝必不可少，需要成型溫度、成型壓力、加壓時(shí)間通力配合協(xié)作，需要根據(jù)產(chǎn)品的造型、厚度、結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)制定專屬的成型工藝

• 模壓溫度：溫度是SMC材料軟化與固化的必要條件，需要復(fù)合材料要求的模溫，合適的溫度可以：保證材料的軟化程度，充分體現(xiàn)材料流動(dòng)性與排氣性；提高制品固化時(shí)溫度均勻性，降低產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力，減小產(chǎn)品變形量；保證樹脂固化度
• 成型壓力：壓力是SMC材料流動(dòng)的動(dòng)力，需要符合材料要求的壓力，合適的壓力可以：為材料流動(dòng)提供有效動(dòng)力，使熔體高效充滿模腔；保證制品的密實(shí)度，減小產(chǎn)品因收縮引起的變形量；為排氣創(chuàng)造條件，有效擠出材料與模腔內(nèi)的揮發(fā)物與殘余氣體。
• 加壓時(shí)間：是制品品質(zhì)的護(hù)衛(wèi)，合適的加壓時(shí)機(jī)可：使材料流動(dòng)性得到充分體現(xiàn)，過早或過晚加壓均會(huì)影響材料的流動(dòng)性；更有效的排出氣體；使模具填充更充分，保證制品品質(zhì)。
• 抽真空：是SMC工藝的靈魂。抽真空可提高SMC材料的流動(dòng)性，填充更充分；減小制品內(nèi)氣泡與揮發(fā)物，提高制品品質(zhì)。
• 排氣：排氣可有效擠出產(chǎn)品內(nèi)部氣體與揮發(fā)物；排氣可提高SMC材料的交融性與交粘性；排氣可降低制品熔接痕，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

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