用热塑性复合材料3D打印用于模压成型SMC的模具

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開端的IAC美白皂,MI/ORNL钻研，评估了采纳热塑性聚合物3D打印模压成型SMC用模具的可行性。

為了可以或许在不影响關头機能的条件下，以更低的本錢将零部件更快地推向市場，OEMs及复合質料供给链的成員们正在不竭追求新的法子。跟着摹拟東西的日趋切确和質料成型速率的日趋加速，终极限定新產物上市速率的首要一步，就是部件成型所需的高本錢、长交貨期的金属模具的制造進程。為了收缩這一步调，人们将更多的注重力集中到了增材制造技能上，但愿經由過程對聚合物和金属的3D打印来制造可行的模具，以化解這一關头步调带来的瓶颈。

采纳傳统的“减材”制造法子，如研磨、切割、钻削和電火花加工等，制造一副用于模压或打针成型的P20鋼大型汽車模具，可能必要24 周的時候，比拟之下，增材制造能将模具的制造周期從几個月收缩到几周乃至几天，同時还能低落本錢和重量，重量的减轻则有助于削减模具制造带来的碳萍踪。

作為美國能源部（简称DOE）先辈复合質料制造立异钻研所（简称IACMI）支撑的一個大型钻研項目標一部門，美國能源部橡树岭國度实行室（简称ORNL）所属的制造树模工場（简称MDF）展開了一項開端钻研——用热塑性复合質料3D打印用于模压成型片状模塑料（SMC）的模具，如圖1所示。

圖1 由ORNL和IACMI 结合展開的一項钻研，测验考试采纳耐高温的碳纤加强热塑性塑料，在大型增材制造體系上3D打印出用于產物開辟的SMC模压成型模具。固然另有更多的事情要做，但這項钻研表白，此觀點是可行的，它為那些筹备開辟新的复合質料部件的制造商供给了除寄托摹拟或耗费大量的時候和本錢制造硬模具以外的第三種方案（圖片来自ORNL）

工程項目范畴

该項目是作為一個更大的、多年期的IACMI項目標一部門而起头的，介入IACMI項目標成員包含一家欧洲的汽車制造台南搬家，商，和代表汽車复合質料供给链的IACMI组织的成員。

“咱们這個項目標OEM互助火伴想要领會有關SMC的常識，以是咱们設計了一系列的实验来摸索甚麼是可行的，同時連结開放的心态。”位于田纳西大學诺克斯维尔分校的、由ORNL主管的IACMI的所长兼首席技能官Uday Vaidya回想说，“咱们的钻研必要解决的一個問題是，看看可否3D打印出用于成型SMC的复合質料模具。”

“從一起头咱们就晓得，咱们制造的模具不敷耐用，没法用于贸易出產。”ORNL的复合質料立异團體制造科學部研發專职科學家Ahmed Arabi Hassen弥补道，“可是，快速、低成當地制造原型模具的远景，為咱们供给了一個摸索未知的機會，由于這可以或许為制造商供给一種新的法子，以代替纯真寄托摹拟或花费時候和成原本制造硬模具的法子。”

钻研职員们起首界说了用于成型SMC的模压模具對機能的请求，包含可以或许耐受130～150℃的模温和13.8 MPa的成型压力。

從修邊模具到耐高温、耐高压的热压罐模具，ORNL的團队曾對3D打印聚合物和金属的模具作過钻研。该項目则是ORNL第一次测验考试采纳3D打印的法子来制造一種用于模压成型SMC的聚合物模具，這可能也是在全世界展開的第一個如许的钻研事情。ORNL的MDF采纳的大型增材制造（BAAM）打印機由美國辛辛那提公司和ORNL配合開辟，這台挤出（熔丝制造类型）打印機装有大型喷嘴（直径10.16 妹妹），沉积速率45kg/h，能采纳粒料情势的聚合物原料打印出长6m、宽2.5m和高1.8m的部件。BAAM打印性能够快速打印出大型部件的价格是打印的辨别率低，同時會發生高低不服的概况，是以必要後续加工。為了确保在打印及清算终了後得到准确的尺寸，打印的模具路径會略有增大。

“由于咱们以前已摸索過所有轻易实現的方针, 好比3D打印铺层模具和热压罐模具，以是咱们已挑選出了可以在BAAM呆板上打印的各类热塑性塑料。”Hassen继续说道，“咱们已肯定了3種耐高温的碳纤维加强質料，它们具备成型SMC所需的热機能和力學機能。”

這3種質料包含两種無定形热塑性塑料，即碳纤加强聚苯砜（CF/PPSU）和碳纤加强聚醚砜（CF/PES或CF/PESU），和一種半结晶質料，即碳纤加强聚苯硫醚（CF/PPS）。鉴于凡是在BAAM呆板上打印的部件尺寸很大，钻研职員们選用了碳纤维而不是玻璃纤维加强的聚合物来為模具供给需要的刚度和强度和实現减重。此前，MDF團队已為每種聚合物肯定了碳纤加强質料的利用比例，好比，可以在半结晶PPS中添加40%～60%重量百分比（FWF）的碳纤维，50%被認為是最好比例。“咱们發明，當碳纤含量低于50%時，機能另有待提高，但高于60%却呈現了干纤维束。”Hassen弥补道。

因為PES和PPSU是無定形的，它们的粘度在润湿或成型温度下會更高，是以很难具有高重量百分比的纤维，凡是具有的比重是20%～35%，此中25%被認為是最好比例。“固然咱们可以在PPS中添加更高比例的纤维，以得到更高的力學機能，可是在打印某些外形時，這类質料更易变形和開裂，由于模具温度和压力會上下轮回变更。”Hassen暗示。

觀點验證: 饰板

钻研职員们起首采纳碳纤加强PPS打印了一副正方形的饰板模具（如圖2所示），其终极的形状尺寸是355.6妹妹×355.6妹妹×3.2妹妹，请求该模具要可以或许經受1.03MPa的成型压力和130～150℃的成型温度。為了便于打印，他们扭转了模具中突出部門的角度（90°）并垂直打印了最长的一壁（在Z轴上）。别的，為了避免冷却進程中热的热塑性塑料在突出區域坍塌，他们添加了可挪動的45°倒角支持，随即會在打印完成後用機加工方法将其去掉。模具的芯模和型腔侧面在BAAM呆板中被并行打印出来，整合到打印中的其他特性还包含插槽，它被打印在阴模的後背，用来容纳顶出销（如圖3所示）。鉴于打印後必要加工，以使成型概况得到可接管的光洁度，他们将尺寸加大了5.08妹妹。打印後，将模具内概况加工滑腻，并在容纳4個顶出销的位置长進行钻孔，以将一個气動顶出销體系安装到模具中。

圖2為饰板模具而設計的芯模和型腔，在BAAM 装备上采纳碳纤加强PPS質料将其打印出来（圖片来自ORNL）

圖3 打印且加工後的模具两個半模，包含用于容纳实验用的气動顶出销體系的插槽（圖片来自ORNL）

接着，将模具安装到一台模压機中，操纵压機模板（将其温度設置在190℃）對该模具間接或被動加热12小時，使其到达180℃的温度。如斯长的加热時候是需要的，這是由于打印该模具采纳的是一種热导率很低的热塑性塑料，固然此中含有50% FWF的碳纤维（碳纤维自己的热导率很高）。钻研职員们經由過程嵌入式傳感器来监测成型概况的温度，他们發明，每次打開压機、掏出部件然後放入新的SMC時，温度城市低落15～20℃，是以，有需要在打開压機、放入質料起头下一成型周期以前，先掏出部件，然後闭合压機并期待模温的再次升高。

為了削减热消耗，避免模具概况温度降到150生髮水，℃如下，他们在模具四周安排了分外的隔热質料，然後直接将SMC铺放到复合質料的模具概况，采纳150℃的成型温度和10t的锁模力成型并固化，逗留時候為5min.。他们统共出產了12個部件，总體结果杰出，如圖4所示。質料彻底固化後，可以毫無問題地從CF/PPS模具概况（偶然會向该概况喷脱模剂）离開。别的，顶出销體系运行杰出，成型進程中質料没有在顶出销的裂缝之間活動。

圖4 采纳CF/PPS饰板模具樂成地成型出了SMC的饰板（圖片来自ORNL）

座椅靠背树模件

接下来，钻研职員们扩展了這項技能的利用范畴，打印了一副更大、更繁杂的汽車座椅靠背模具，尺寸是812.8妹妹×685.8妹妹×304.8妹妹。為了便于打印，此次他们再次扭转了外形，同時在突出區域增长了可挪動的支持布局，如圖5所示。此次采纳的打印質料是25% FWF CF/PPSU，芯模和型腔半模分隔打印，每半都在4h内打印终了。和前次同样，打印後操纵機加工来清算概况。因為该模具很浅，以是無需顶出销就可以确保部件脱模。

圖5 采纳CF/PPSU 質料打印的（上）及機加工後的（下）座椅靠背模具半模（圖片来自ORNL）

和前次同样，他们将该模具安装到模压機上，操纵压機模板（该模板一样連结190℃的温度）加热12h，如圖6所示。因為這类打印質料的热导率更低（由于碳纤维的含量更低），以是模具概况只到达了105℃，這一温度過低而没法固化SMC。和前次同样，他们在模具四周安排了隔热質料以便更好地保温。但是，再次加热12小時後，全部成型概况的内部温度也只到达120～125℃。為肯定此温度是不是足以固化SMC，他们将一块坯料放入模具中，并施加30t的锁模力，成果發明，每次開、合模後，模具的概况温度會低落10～15℃，表白它没法保持SMC正常固化所需的温度。為补充温度的低落，钻研职員们會商了将温度提高10～15℃的法子治療腰酸背痛,，可是，因為加热模具必要的時候很长，以是他们認為這不确切際。是以，他们只樂成地出產出了两個部件，一個部件彻底固化，另外一個部件存在固化不良的部門，如圖7所示。

圖6 安装在压機上筹备用于出產部件的汽車座椅靠背模具半模（圖片来自ORNL）

圖7 對更大更繁杂的汽車座椅靠背模具举行加热和保温都有难度，致使模具不平均的加热和变形，從而在部件中表示出固化不良（a）和開裂（b）問題（圖片来自ORNL）

問題辦理及下一步辦法

钻研职員们审查了項目功效，并肯定了未决問題。

好的一壁是，模具在几天以内就可以被打印、加工和安装好。固然利用的質料本錢要高很多，但仍然比傳统的金属模具省時省錢。别的，打印的模具可以或许經受成型SMC所需的温度和压力，并且加工後成型概况的光洁度足以出產出概况光洁的部件，固然不克不及到达汽車的A级概况質量。

另外一方面，模具低的热导率致使来自压機热模板的热通報很是迟钝而使人没法接管，并且每次压機打開時城市快速散热。别的，两副模具都具有非平均的布局（由打印標的目的和纤维分列而至）和非平均的热剖面，這會致使PPS模具在耽误的加热周期中呈現翘曲和缝隙，和SMC 部件的薄段在PPSU模具中固化纷歧致。

钻研职員们得出结論，只是操纵压機模板的热傳导来被動加热模具的法子是低效的。以是，為了找到更快的模具加热法子，他们举行了脑子風暴：采纳感到加热模具的法子所带来的模具改装本錢和繁杂性會超越這項短時間钻研的范畴，而利用热导率更高的替换質料也是如斯運動彩券單場，，是以，他们斟酌将重點转移到開辟更有用的自動加热法子上。他们提出并评估了几個方案，包含将電阻加热织物和電热丝集成到模具概况。

“固然咱们發明了一些技能問題并必要去解决，好比，采纳某種情势的综合自動加热法子来到达并連结SMC的成型温度，但讓咱们欢快的是，咱们對打印模压成型用模具的猖獗設法却見效了。”Hassen说道，“自從该項目竣事後，它已被證实是更多钻研項目標焦點。”

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