長繊維熱可塑性プラスチック (LFT) の圧縮成形用の加熱プラテンを選択するにはどうすればよいですか?

高温のガラス{0}}繊維-で強化された熱可塑性プラスチックから大きな自動車部品を圧縮成形します。熱くて研磨性のある毛布を押し付けるようなものです。材料は大量の圧力を受けて流れ、熱盤に押し付けられます。通常のスチールプラテンは摩耗して平坦度が失われ、部品の厚さにばらつきが生じます。プラテンは外装メッキされていなければなりません。長繊維熱可塑性プラスチックの圧縮成形用途に適した加熱プラテンを選択するときは、特に深絞り形状の場合、表面硬度、構造剛性、熱均一性を考慮してください。-

摩耗の課題: 研磨材としてのガラス繊維
長繊維熱可塑性プラスチック (LFT) は通常、20- 50 wt% のガラス繊維を含み、繊維長は 6 ～ 25 mm の範囲です。圧縮ストロークでは、溶融ポリマー マトリックスが 50 ～ 200 bar (5 ～ 20 MPa) の圧力でこれらの硬く尖った繊維をプラテン表面全体に移動させます。繊維は、プラテンの表面から材料をゆっくりと取り除く小さなスクレーパーです。製造の数週間または数か月の間に、柔らかいスチール プラテンや未処理のスチール プラテンには傷、溝、局所的なくぼみができます。これにより、部品の厚さが不均一になり、部品の不合格や工具のやり直しが発生します。

表面硬化: 防御の第一線
プラテンの面は金床であり、決して休むことのないハンマーは、流れるガラス入りポリマーです。{0}}この摩耗に耐えるためには、プラテンの表面は少なくとも 60 ロックウェル C (HRC)、または約 700 ～ 800 HV でなければなりません。

基材の選択
プラテン本体は通常、高品質の工具鋼、たとえば AISI H13 (1.2344)、AISI P20 (1.2311) または AISI 4140 のプリハードンで製造されます。これらの鋼の熱伝導率、機械加工性、寸法安定性は、通常の成形温度 150 ～ 250 度で良好です。しかし、裸の鋼は LFT 用途には適していません。

表面硬化処理
LFT の圧縮成形プラテンの作業面を硬化するには、次の 3 つの標準手順の 1 つが使用されます。

硬度 (HRC) 処理深さ LFT の適合性
ガスまたはプラズマ窒化0.3 ～ 0.5 mm 65 ～ 70 適度な量のガラスに適しています (<=30%)
硬質クロムメッキ 0.05 ～ 0.2 mm 65 ～ 70 良好ですが、高い点荷重で亀裂が生じる可能性があります
PVD セラミック コーティング (TiN、CrN、AlTiN) 2 ～ 5 µm (0.002 ～ 0.005 mm) 80 ～ 85 (最大 2000 ～ 3000 HV) 負荷の高い化合物に最適 (ガラス 40% 以上)
窒化により、硬い化合物層から柔らかいコアに徐々に変化する拡散ゾーンが形成され、剥離が回避されます。これは、中量生産にとって最もコスト効率の高い代替品です。

硬質クロムメッキは耐摩耗性に優れていますが、熱サイクル下での剥離を防ぐために正確なエッジ処理が必要です。

Physical Vapour Deposition (PVD) coatings such as titanium nitride (TiN) or chromium nitride (CrN) offer the greatest surface hardness (usually >2000 HV) と非常に低い摩擦係数。コーティングは非常に薄い (数ミクロン) ものの、接着による摩耗や繊維の引っかき傷が大幅に減少します。最も研磨性が高く、ガラスが多く含まれている材料 (たとえば 50% がガラス) の場合、PVD コーティングが最適な答えです。

構造剛性: リブ付き裏面
LFT 成形の場合、プラテンは通常 100-200 bar の範囲にある高い成形圧力での曲げやたわみに耐える必要があります。小さな凸面または凹面の変形 (約 0.1 mm) であっても、圧力が最も高い部分が薄くなり、端の部分が厚くなり、部品の厚さが不均一になります。

平面度を高めるために、熱盤裏面（成形面の反対側）にはリブの強いものを使用する必要があります。リブは格子状に鋳造または機械加工されており、質量をあまり追加せずに断面係数を高めます。リブの間隔とリブの厚さは、多くの場合、予想される型締力と金型の形状に合わせて有限要素解析 (FEA) を使用して最適化されます。全体の厚さが 50 ～ 100 mm の適切なリブを備えたプラテンは、全荷重下で 1 メートルのスパンにわたってたわみが 0.05 mm 未満になります。

深絞り成形: 温度均一性
車の後部座席シェル、フロントエンド モジュール、バッテリー ハウジングなどの深絞り LFT アイテムでは、垂直または垂直に近い壁に材料を一定に流し込む必要があります。-プラテン表面に熱いゾーンまたは冷たいゾーンがある場合、ポリマーは均一に流れません。高温のゾーンではより速い流れが可能になりますが、低温のゾーンでは早期に固化し、完全には充填されません。

発熱体は通常カートリッジヒーターですが、作業面にできる限り近づけて、通常は表面から 15-25 mm の位置に取り付ける必要があります。これにより、熱遅れが軽減され、温度設定値の調整に対する素早い応答が可能になります。熱損失の高い場所 (端付近や深絞りのコーナーなど) では、カートリッジ ヒーターがジグザグまたは平行パターンで狭い間隔で積み重ねられます。複数の個別の加熱ゾーン (通常はプラテンごとに 3 ～ 6 ゾーン) を指定し、それぞれに独自の温度センサー (熱電対または RTD) と閉ループ コントローラーを備えます。このゾーン構造は、プラテンのさまざまな領域での熱損失を克服し、深絞りキャビティを含む成形領域全体が所望の温度の ±2 度以内に維持されることを保証します。

部品リリース表面仕上げ
成形された LFT 部分のリリースを最適化するには、プラテン表面を精密に研磨する必要があります (Ra 0.2 ～ 0.4 μm 以上)。より滑らかな表面により、繊維の抵抗と劣化したポリマー残留物の形成が最小限に抑えられます。このコーティングには、PVD コーティングされたプラテンの下地研磨が採用されており、耐摩耗性と簡単なリリースの両方を実現します。

LFT 圧縮成形の選択基準の概要要件推奨仕様
母材 工具鋼（H13、P20、4140）
表面硬度 60HRC以上（700HV以上）
焼入れ方法 窒化処理（0.3～0.5mm）<30% glass; PVD TiN/CrN for >30% ガラス
プラテンの裏側 リブが多く、FEA-たわみに対して最適化されています<0.05 mm/m
カートリッジ ヒーター 表面から 15 ～ 25 mm、ゾーン制御 (±2 度) 発熱体
表面仕上げ Ra 0.4 ミクロン以下まで研磨
結論
LFT 成形用のプラテンの選択は、摩耗やたわみとの戦いです。勝利への近道は、正確に均一な熱プロファイルを備えた、しっかりとしたサポートが充実したツールを追求することです。{0}長繊維熱可塑性プラスチックの加熱プラテン圧縮成形には、ガラス繊維の研削作用に耐えることができる表面 (窒化、硬質クロム、または PVD ​​セラミック コーティングによって実現可能) と、高圧下でのたわみを防ぐためのリブ付きの裏面が必要です。作業面に隣接する個々のゾーンにあるカートリッジ ヒーターは、深絞り成形に必要な均一な熱を生成します。-明日の軽量かつ高強度の自動車部品を準備するには、磨耗しない工具が必要です。適切に選択されたプラテンがまさにそれを提供します。