連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料層壓復(fù)合工藝探索及改進(jìn)

（浙江遂金復(fù)合材料有限公司 浙江 323304）

1.背景簡(jiǎn)紹

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料是一種新興的復(fù)合材料，其主要產(chǎn)品是連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料，分為片材和板材兩大產(chǎn)品類(lèi)型。該產(chǎn)品具有重量輕、強(qiáng)度高、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，可替代金屬板材、熱固復(fù)合材料等傳統(tǒng)材料，是飛機(jī)內(nèi)飾、汽車(chē)各類(lèi)覆蓋件和結(jié)構(gòu)件及集裝箱壁板等部件的理想替代材料，產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋汽車(chē)行業(yè)、軌道交通、安全防護(hù)、體育器材、建筑行業(yè)、管道基建等。

連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)還處于研發(fā)和起步階段，產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝還處于摸索、改進(jìn)階段，因此市場(chǎng)上還沒(méi)有成熟的加工工藝，都需要自行投入研發(fā)和試驗(yàn)，經(jīng)多次市場(chǎng)調(diào)研和查閱國(guó)外相關(guān)技術(shù)資料，并組織相關(guān)技術(shù)人員探討回收加工技術(shù)方案，最終達(dá)成一致，即借鑒橡膠、塑料的生產(chǎn)設(shè)備——平板硫化機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料層壓復(fù)合。另為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，特別配備了自動(dòng)移模系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模具在不同工位間的自動(dòng)化控制；同時(shí)再設(shè)計(jì)模具時(shí)也充分考慮了產(chǎn)品的收縮率和冷熱變形量，保證板材表面的平整度。

2.產(chǎn)品種類(lèi)

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料層壓復(fù)合板材主要是采用我們公司自行研發(fā)生產(chǎn)的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性單向預(yù)浸帶經(jīng)過(guò)多層復(fù)合而成，其單向預(yù)浸帶由纖維和熱塑性樹(shù)脂結(jié)合而成，根據(jù)現(xiàn)有的市場(chǎng)要求，纖維主要選擇玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維，而熱塑性樹(shù)脂以聚丙烯、高密度聚乙烯和尼龍為主，兩者組合可以形成連續(xù)玻璃纖維聚丙烯增強(qiáng)層壓復(fù)合板（PP/GF）、連續(xù)玻璃纖維高密度聚乙烯增強(qiáng)層壓復(fù)合板（HDPE/GF）、連續(xù)玻璃纖維尼龍?jiān)鰪?qiáng)層壓復(fù)合板（PA/GF）、連續(xù)芳綸纖維尼龍?jiān)鰪?qiáng)層壓復(fù)合板（PA/AF）和連續(xù)碳纖維尼龍?jiān)鰪?qiáng)層壓復(fù)合板（PA/CF）等多種類(lèi)型。另外再鋪層設(shè)計(jì)上，一般普通正常的層壓復(fù)合板采用0、90兩個(gè)方向垂直交錯(cuò)鋪層，如有特殊要求還可以增加其他方向上的鋪層，來(lái)提高層壓復(fù)合板的抗沖擊性能。若客戶還有更高的要求，如防穿刺性，可以在鋪層方案內(nèi)添加纖維編織布來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.生產(chǎn)工藝

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料層壓復(fù)合板材以單向預(yù)浸帶為基材，經(jīng)過(guò)多層多方向疊加加熱、冷卻進(jìn)行直接融合，不添加任何膠水、粘連劑等化學(xué)試劑，保證產(chǎn)品的綠色環(huán)保，同時(shí)還具有二次回收利用等價(jià)值。

我們平板壓機(jī)采用的是300噸立柱型壓機(jī)，熱機(jī)的加熱功率為66kW，加熱范圍為0-450℃，冷機(jī)連接風(fēng)冷式冷水機(jī)，其工作臺(tái)平面尺寸都為1200×1000mm，模具尺寸為1000×1000mm（有效模腔尺寸為900×900mm，高度為6mm），模具分為上模、下模和鑲條，其中上下模的厚度為40mm。鋪層方案為：PET膜（主要作用是方便脫模）+多層交錯(cuò)疊加連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性單向預(yù)浸帶+PET膜；因模具重量較重，且加熱后是高溫狀態(tài)，人工不可能實(shí)現(xiàn)移模、開(kāi)合模等動(dòng)作，所以在主機(jī)前面還有一套自動(dòng)移模系統(tǒng)，其工藝流程示意圖如下：

圖1 改造前平板壓機(jī)工藝流程示意圖

①將1#模具在鋪料位放入單向預(yù)浸帶→②通過(guò)移模系統(tǒng)將1#模具移至移模A→③進(jìn)入熱機(jī)，熱機(jī)上升開(kāi)始加熱、保壓→④加熱完成熱機(jī)自動(dòng)下降將1#模具退出至移模A→⑤移模系統(tǒng)將1#模具移至移模B→⑥進(jìn)入冷機(jī)，冷機(jī)上升開(kāi)始冷卻、保壓定型→⑦此時(shí)將2#模具在鋪料位放入單向預(yù)浸帶→⑧同1#模具之前的步驟進(jìn)入熱機(jī)加熱→⑨2#模具在加熱的時(shí)候，1#模具已冷卻完成，冷機(jī)自動(dòng)下降將其退出至移模B→⑩移模系統(tǒng)將1#模具移至鋪料位→1#模具開(kāi)模取下板材→待2#模具加熱完成后同樣移至冷機(jī)進(jìn)行冷卻定型→重復(fù)①步驟，以此循環(huán)。

經(jīng)以上工序循環(huán)，實(shí)現(xiàn)單向預(yù)浸帶在平板硫化機(jī)上的層壓復(fù)合工藝，得到連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料成品板材。通過(guò)設(shè)計(jì)不同尺寸的模具，來(lái)生產(chǎn)不同規(guī)格、不同厚度的板材。

4.工藝改進(jìn)

當(dāng)時(shí)在模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮到熱變形問(wèn)題，將上下模厚度設(shè)計(jì)偏厚，且移模板厚度也有40mm，所以造成加熱和冷卻時(shí)間延長(zhǎng)，能耗增加，降低了工作效率和產(chǎn)能；另外整個(gè)移模系統(tǒng)都采用自動(dòng)控制，各個(gè)點(diǎn)位都安裝有接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)移模時(shí)會(huì)有一定程度的撞擊，經(jīng)常造成定位不準(zhǔn)，移模不順暢；若為了避免撞擊將移模速度減慢，則大大延長(zhǎng)了移模時(shí)間，降低了生產(chǎn)效率。設(shè)備在24小時(shí)不間斷運(yùn)行時(shí)，移模系統(tǒng)控制線路跟隨一起移動(dòng)，經(jīng)常出現(xiàn)接頭松動(dòng)、斷開(kāi)等現(xiàn)象，還有各個(gè)接近開(kāi)關(guān)接觸不良、熱繼電器燒斷等問(wèn)題，造成設(shè)備故障率高，影響生產(chǎn)安排。

我們根據(jù)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了技術(shù)討論和系統(tǒng)分析，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡量縮短加熱和冷卻時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；另外還需解決自動(dòng)化移模系統(tǒng)帶來(lái)的高故障率等問(wèn)題，因此最終我們的技術(shù)改造方案確定如下：

（1）取消現(xiàn)有的移模系統(tǒng)，拆除移模架；拆除熱機(jī)和冷機(jī)的油壓推桿；將冷機(jī)移至熱機(jī)前端，熱機(jī)和冷機(jī)工作臺(tái)平面上均安裝滑軌，便于模具移動(dòng)。

（2）重新制作模具3套，其中下模采用10mm厚50號(hào)鋼板制作，上模采用2mm厚不銹鋼板制作。中間框模采用厚度6mm的鋼材制作，有效模腔尺寸為900×900mm。整個(gè)模具需電鍍、拋光處理，保證精度。

（3）制作3臺(tái)移動(dòng)推車(chē)，平臺(tái)表面安裝滑軌，另還有限位、銷(xiāo)定裝置等。模具可在熱機(jī)、冷機(jī)、移動(dòng)推車(chē)上通過(guò)專(zhuān)用拉鉤使用人力來(lái)回移動(dòng)。

（4）涉及到的平板壓機(jī)基礎(chǔ)、油路、水路、電路需重新布置及安裝調(diào)試。

改造后平板壓機(jī)的工藝流程示意圖如下：

圖2 改造后平板壓機(jī)工藝流程示意圖

①將推車(chē)A上的1#模具放入片材并移至送料位→②通過(guò)人工將1#模具推送進(jìn)熱機(jī)并將空推車(chē)A移至出料位→③熱機(jī)上升開(kāi)始加熱、保壓→④在加熱的同時(shí)將推車(chē)B上的2#模具放入片材并移至送料位準(zhǔn)備→⑤加熱完成熱機(jī)自動(dòng)下降將1#模具退出，再人工使用拉鉤將其移進(jìn)冷機(jī)→⑥冷機(jī)上升開(kāi)始冷卻、保壓定型→⑦此時(shí)將2#模具推進(jìn)熱機(jī)→⑧待1#模具冷卻完成，冷機(jī)自動(dòng)下降將其退出，同樣人工使用拉鉤將其移至出料位的推車(chē)A上→⑨將推車(chē)A移至鋪料位，開(kāi)模取出1#模具內(nèi)板材→⑩將空推車(chē)B從送料位移至出料位→待2#模具加熱完成后同樣移至冷機(jī)進(jìn)行冷卻定型→重復(fù)①步驟，以此循環(huán)。

第三輛推車(chē)和第三副模具可當(dāng)作備用，也可加入工作循環(huán)。

5.改造前后經(jīng)濟(jì)效益的對(duì)比

(1)平板壓機(jī)改造前經(jīng)濟(jì)效益分析

①產(chǎn)量方面

PP板：每張板材加工所需時(shí)間為22分鐘，每班（8小時(shí)/班）生產(chǎn)的板材數(shù)量約為21張，每張板材重量為8.3kg，即每班的產(chǎn)量為：21×8.3=174.3kg/班。

PA板：每張板材加工所需時(shí)間為45分鐘，每班生產(chǎn)的板材數(shù)量約為10張，每張板材重量為8.5kg，即每班的產(chǎn)量為：10×8.5=85.0kg/班。

②人工成本

PP板：原平板壓機(jī)操作員工設(shè)置兩名，單位人工成本為88元/班；每噸板材所需班數(shù)為：1000/174.3=5.74班，則每噸的人工成本為：5.74×2×88=1010.24元/噸。

PA板：同樣每班只需兩名員工，每噸板材所需班數(shù)為：1000/85=11.76班，則每噸的人工成本為：11.76×2×88=2069.76元/噸。

③能耗方面

PP板：每班耗電量大約為670度，按峰谷電平均單價(jià)1.03元/度計(jì)算，每班生產(chǎn)所需電費(fèi)為：670×1.03=690.1元，則生產(chǎn)每噸板材所消耗的電費(fèi)為：690.1×5.74=3961.17元/噸。

PA板：每班耗電量同生產(chǎn)PP板大致相同，所以生產(chǎn)每噸板材所消耗的電費(fèi)為：690.1×11.76=8115.58元/噸。

(2)平板壓機(jī)改造后經(jīng)濟(jì)效益分析

①產(chǎn)量方面

PP板：每張板材加工所需時(shí)間為9.6分鐘，每班（8小時(shí)/班）生產(chǎn)的板材數(shù)量約為50張，每張板材重量為8.3kg，即每班的產(chǎn)量為：50×8.3=415.0kg/班。

PA板：每張板材加工所需時(shí)間為13.5分鐘，每班生產(chǎn)的板材數(shù)量約為35張，每張板材重量為8.5kg，即每班的產(chǎn)量為：35×8.5=297.5kg/班。

②人工成本

PP板：改造后的平板壓機(jī)操作員工需設(shè)置四名，單位人工成本為88元/班；每噸板材所需班數(shù)為：1000/415.0=2.41班，則每噸的人工成本為：2.41×4×88=848.32元/噸。

PA板：同樣每班需要四名員工，每噸板材所需班數(shù)為：1000/297.5=3.36班，則每噸的人工成本為：3.36×4×88=1182.72元/噸。

③能耗方面

PP板：每班耗電量大約為600度，按峰谷電平均單價(jià)1.03元/度計(jì)算，每班生產(chǎn)所需電費(fèi)為：600×1.03=618.0元，則生產(chǎn)每噸板材所消耗的電費(fèi)為：618.0×2.41=1489.38元/噸。

PA板：每班耗電量同生產(chǎn)PP板大致相同，所以生產(chǎn)每噸板材所消耗的電費(fèi)為：618.0×3.36=2076.48元/噸。

由上可知，改造后每張板材加工時(shí)間縮短了一半以上；PP板每班產(chǎn)量提高了138%，PA板提高了250%；PP板人工成本節(jié)約了16%，PA板節(jié)約了42.9%；PP板電費(fèi)成本節(jié)約了62.4%，PA板節(jié)約了74.4%。即PP板生產(chǎn)成本由原來(lái)的4971.41元/噸降至2337.70元/噸，節(jié)約了2633.71元/噸；PA板生產(chǎn)成本由原來(lái)的10185.34元/噸降至3259.20元/噸，節(jié)約了6926.14元/噸。

6.小結(jié)

歷時(shí)半個(gè)月的平板壓機(jī)改造項(xiàng)目全部完成，通過(guò)一個(gè)多月的試用和生產(chǎn)，基本達(dá)到了預(yù)期的改造目標(biāo)，大大提高了設(shè)備的工作效率和產(chǎn)能，充分發(fā)揮了設(shè)備的生產(chǎn)潛能。雖然在人工安排上增加了員工，但分擔(dān)至每噸產(chǎn)品的人工成本確是降低了，尤其在能耗方面，比原平板壓機(jī)降低了很多，節(jié)約了大量生產(chǎn)成本的同時(shí)，也提高了我們產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。