Come selezionare una piastra riscaldante per lo stampaggio a compressione di materiali termoplastici a fibra lunga (LFT)?

stampaggio a compressione di un componente di grandi dimensioni di un'automobile da una carica di materiale termoplastico rinforzato con-fibra-di vetro caldo. Come stirare una coperta calda e abrasiva. Il materiale scorre sotto tonnellate di pressione, sfregando contro le piastre calde. Una normale piastra in acciaio si usurerà e perderà la sua planarità creando variazioni nello spessore della parte. La piastra dovrà essere corazzata. Quando si sceglie la giusta applicazione per stampaggio a compressione di piastre riscaldanti di materiali termoplastici a fibra lunga, considerare la durezza superficiale, la rigidità strutturale e l'uniformità termica, in particolare per le geometrie di imbutitura profonda.

La sfida dell’usura: fibre di vetro come abrasivi
I materiali termoplastici a fibra lunga (LFT) contengono in genere il 20-50% in peso di fibre di vetro e la lunghezza delle fibre è compresa tra 6 e 25 mm. Nella corsa di compressione, la matrice polimerica fusa sposta queste fibre dure e appuntite attraverso la superficie della piastra a pressioni di 50–200 bar (5–20 MPa). Le fibre sono piccoli raschietti che rimuovono lentamente il materiale dalla faccia della piastra. Dopo settimane o mesi di produzione, una piastra in acciaio morbido o non trattato presenterà graffi, scanalature e avvallamenti localizzati. Ciò provoca una non uniformità nello spessore del pezzo, con conseguenti scarti delle parti e rilavorazione dell'utensile.

Indurimento superficiale: la prima linea di difesa
La faccia della piastra è l'incudine e il martello che non si ferma mai è il polimero fluido riempito di vetro-. Per resistere a questa abrasione, la superficie della piastra deve essere di almeno 60 Rockwell C (HRC) o circa 700–800 HV.

Scelta del materiale di base
Il corpo della piastra è normalmente prodotto in acciaio per utensili di alta qualità, ad esempio AISI H13 (1.2344), AISI P20 (1.2311) o AISI 4140 pretemprato. La conduttività termica, la lavorabilità e la stabilità dimensionale di questi acciai sono buone alle normali temperature di stampaggio comprese tra 150 e 250 gradi. Ma l’acciaio nudo non è adeguato per le applicazioni LFT.

Processi di indurimento superficiale
Per indurire la superficie di lavoro di una piastra di formatura a compressione per LFT viene utilizzata una delle tre procedure standard:

Durezza (HRC) Profondità di trattamento Idoneità per LFT
Nitrurazione a gas o plasma0,3-0,5 mm 65-70Buona per quantità moderate di vetro (<=30%)
Cromatura dura da 0,05 a 0,2 mm da 65 a 70Buona, ma potrebbe rompersi sotto carichi puntuali elevati
Rivestimento ceramico PVD (TiN, CrN, AlTiN) 2–5 µm (0,002–0,005 mm) 80–85 (fino a 2000–3000 HV) Ottimo per composti fortemente caricati (maggiore o uguale al 40% di vetro)
La nitrurazione forma una zona di diffusione che cambia progressivamente dallo strato di composto duro al nucleo più morbido, evitando la delaminazione. È l'alternativa più conveniente per la produzione di medi volumi.

La cromatura dura ha un'ottima resistenza all'usura ma richiede una preparazione precisa del bordo per evitare il distacco durante i cicli termici.

Physical Vapour Deposition (PVD) coatings such as titanium nitride (TiN) or chromium nitride (CrN) offer the greatest surface hardness (usually >2000 HV) e coefficiente di attrito molto basso. Sebbene il rivestimento sia piuttosto sottile (pochi micron), riduce notevolmente l'usura dell'adesivo e i graffi sulle fibre. Per i materiali più abrasivi e fortemente contenenti vetro (ad esempio il 50% di vetro), un rivestimento PVD è la risposta ottimale.

Rigidità strutturale: lato posteriore con nervature
Per lo stampaggio LFT la piastra deve resistere alla flessione e alla deflessione alle alte pressioni di formatura che generalmente sono nell'ordine di 100-200 bar. Anche una piccola deformazione convessa o concava (intorno a 0,1 mm) porta a spessori della parte non uniformi, con aree sottili dove la pressione è massima e sezioni spesse ai bordi.

Per motivi di planarità è necessario utilizzare il lato posteriore della piastra riscaldante fortemente scanalato (lato opposto alla superficie di formatura). Le nervature sono fuse o lavorate secondo uno schema a griglia che aumenta il modulo di sezione senza aggiungere troppa massa. La spaziatura e lo spessore delle nervature vengono spesso ottimizzati utilizzando l'analisi degli elementi finiti (FEA) per la forza di bloccaggio prevista e la geometria dello stampo. Una piastra ben nervata con uno spessore complessivo compreso tra 50 e 100 mm può avere una deflessione inferiore a 0,05 mm su una distanza di 1 metro a pieno carico.

Stampaggio per imbutitura profonda: uniformità della temperatura
Gli elementi LFT-imbutiti in profondità, come i gusci dei sedili posteriori dei veicoli, i moduli-della parte anteriore o gli alloggiamenti delle batterie, richiedono un flusso costante di materiale nelle pareti verticali o quasi-verticali. Se sulla superficie della piastra sono presenti zone calde o fredde, il polimero non scorrerà in modo uniforme. Le zone più calde consentiranno un flusso più veloce, mentre le zone più fredde si solidificheranno prematuramente e non si riempiranno completamente.

Gli elementi riscaldanti, che normalmente sono riscaldatori a cartuccia, devono essere montati il ​​più vicino possibile alla superficie di lavoro, generalmente 15-25 mm sotto la superficie. Ciò riduce il ritardo termico e consente una rapida reattività alle regolazioni del setpoint della temperatura. In luoghi con elevata perdita di calore (ad esempio, vicino ai bordi e negli angoli profondi) i riscaldatori a cartuccia sono impilati a zigzag o in parallelo con una spaziatura più ravvicinata. Specificare più zone di riscaldamento separate (solitamente 3-6 zone per piastra), ciascuna con il proprio sensore di temperatura (termocoppia o RTD) e un controller a circuito chiuso. Questa struttura zonale supera le perdite di calore nelle diverse aree della piastra e garantisce che l'intera regione di formatura, inclusa la cavità di imbutitura, rimanga entro ± 2 gradi dalla temperatura desiderata.

Finitura superficiale di rilascio della parte
Per ottimizzare il rilascio della porzione LFT stampata, la superficie della piastra deve essere rifinita con una finitura lucida (Ra 0,2–0,4 µm o migliore). Una superficie più liscia minimizza la resistenza delle fibre e la formazione di residui polimerici deteriorati. Il rivestimento adotta la lucidatura sottostante delle piastre rivestite in PVD garantendo resistenza all'usura e facilità di rilascio.

Criteri di selezione dello stampaggio a compressione LFT Requisito riepilogativoSpecifica suggerita
Materiale base Acciaio per utensili (H13, P20 o 4140)
Durezza superficiale Maggiore o uguale a 60HRC (Maggiore o uguale a 700HV)
Metodo di indurimento Nitrurazione (0,3-0,5 mm) per<30% glass; PVD TiN/CrN for >30% vetro
Parte posteriore della piastra altamente scanalata, FEA-ottimizzata per la deflessione<0.05 mm/m
Riscaldatori a cartuccia a 15–25 mm dalla superficie, controllo zonale (±2 gradi) Elementi riscaldanti
Finitura superficiale Lucidata a Ra Inferiore o uguale a 0,4 micron
Conclusione
La scelta della piastra per lo stampaggio LFT è una guerra contro l'abrasione e la deflessione; il modo per vincere è perseguire uno strumento solido,-ben supportato con un profilo termico perfettamente uniforme. Lo stampaggio a compressione con piastra riscaldante di materiali termoplastici a fibra lunga richiede una superficie in grado di resistere all'azione di macinazione delle fibre di vetro (ottenibile mediante nitrurazione, cromo duro o rivestimenti ceramici PVD) e un lato posteriore scanalato per evitare la deflessione sotto alta pressione. I riscaldatori a cartuccia nelle singole zone adiacenti alla superficie di lavoro producono il calore uniforme necessario per lo stampaggio ad imbutitura profonda. Per preparare i componenti leggeri e resistenti delle automobili di domani è necessario uno strumento che non si usuri, una piastra ben scelta offre proprio questo.