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【盖世直播】陈红燕:汽车复合材料的制造工艺模拟

2017-04-20 15:20:56 盖世汽车
核心提示:“2017第九届全球汽车产业峰会”现场直播!

,第九届全球汽车产业峰会

亨斯迈先进材料亚太区技术支持经理  陈红燕

大家下午好。很荣幸有这个机会来分享一下。就是我们亨斯迈在汽车复合材料制造工艺模拟这一块的一些研究情况。我今天主要讲的话题是关于刚刚提到的汽车复合材料的制造工艺。今天在这个报告中主要会讲到这四个部分,第一个部分简单的介绍一下我们亨斯迈先进材料以及我们亚太区化学研发中心的情况。第二部分概述一下亨斯迈在材料成型工艺的一些模拟方面的一些了解以及所做的一些工作,在汽车上应用的一些案例跟大家分享一下。最后就是关于模拟我们想跟客户传递一些比较关键的一些信息。

介绍一下亨斯迈,我相信可能在座的各位很多人应该有听说过我们,我们是一个化学品供应商,有五个事业部,其中四个主要是做一些特殊化学品,有聚氨子功能化学品等。其中这四个部门都是主要做有机化学品的,那其中有另外一个就是做无机物的。

亨斯迈先进材料,刚刚有提到主要是提供技术的解决方案给到终端客户,所涉及到的产品和服务行业其实很广,主要是提供配方系统以及一些工艺成型方案,那提供最终端的产业其实有包括像航空航天建筑,然后电力工程、电子汽车,还有其他它功能很多的一些各行各业、工业相关的都会有看到我们亨斯迈的一些产品在里面去发挥的作用,下一页这里主要介绍一下我们亨斯迈的先进材料的,全球的一个技术研发布局其实也是是从我觉得从今年1月份开始,其实我们亨斯迈先进材料在那内部也进行了一些调整,它从技术端它分为三个部分,第一个就是说是一个全球的产品研发好,另外一块就是说我们各个区域就是主要是亚太区、欧洲和美国这三大区域的一个技术支持,然后可以看到其实说在这三个区域,现在我们亚太区的话,技术中心在上海,然后欧洲的话技术中心在类似的巴沙尔,然后美国这边三个区域,其实我们现在都已经配套了相应的技术能力,包括新产品的研发还有持续的技术支持和工艺的开发。

这边的话,我们亚太区的就是坐落在上海的研发中心,现在其实刚刚讲到我们其实亨斯迈内部,也进行过一些技术的一些整合,其实这个技术研发中心不只是给到我们先进材料,所以我们现在的话就是说研发中心我们总共有大概超过150名的研发人员,很多的项目我们拥有交叉,跟我们先进材料中间也会共同合作,共同协作来完成一些比较大的项目的一些研发工作。这边就是介绍一下我们研发中心的一些测试和公益的能力,这边其实我们研发中心有机会的话,大家有机会的话下次可以去我们那里参观一下。其实我们研发中心配备了很多的这种测试和表征方面的能力有,包括像结构性的测试。

有结构性的测试和技能方面的测试。性能方面的测试包括热学性能力学性能以及可靠性、稳定性方面的测试。我们其实还都都特别的很齐全,当然如果在这里我们还涉及到没有的话,我们也可以得到我们欧洲和美国的一个研发中心的一个技术支持。这边,从这月开始就着重介绍一下我们复合材料就是的一些情况,以及我们的工艺模拟这样的一些情况,那复合材料我们目前在研发中心其实有配各种不同的一些成型工艺,像比如说我们的垃圾成型,然后模压成型,还有我们为了汽车特别准备的高压RTM,这个我们也会在今年年底在2017年年底会到,在研发中心就位。

就明年的1月份应该可以开始正式的投入使用,这个设备是专门为了汽车的轻量化汽车复合材料而投资的,这样一个项目。最近五年是随着复合材料越来越热门吗,我们也跟客户一起越来越多的在复合材料制造做一些在复合材料制造过程中的一些工艺模拟,这里其实关于我这个工艺模拟其实主要是两块,一块是我们的树脂的固化,就是在树脂在成型过程中的一个固化,还有一个指数只在纤维中的一个流动。主要是这两块部分,那这个模拟主要是用来我们帮助客户来更好的选择怎么样的树脂?更是可以他们的成型工艺。

另外一方面就是说在成型工艺过程中如何来优化,如何来优化工艺,然后自备这种高质量的这种复合材料部件?关于模拟的话,其实总的来讲其实主要是有三个步骤,第一个步骤就是说,首先我们肯定要有很多的一些数据,所谓的就是数据库,这些我们都是需要采集起来的。关于热模拟河流和流动模拟器,是我们在从树脂角度来讲,我们其实是可以通过DSC和我们的流变学,可以拿到这些一些基础的数据的。那有了这些基础数据以后,我们会放入到我们的材料数据库里面,然后进行一些拟合和模拟那。有了这些模型我们在通过有限元分析,然后得出这些固化模拟和流动模拟的一些结果,来指导我们最后的复合材料的一个成型工艺,主要是这三个步骤。

那其实为什么要模拟呢?我相信因为做复合材料的人都知道其实复合材料,因为它牵涉到的零部件有各种各样都特别服,都没有一个零部件,说实话是完全一样的,所以当然你不可能说每一个我都去做实验,这个会特别在前期我们可能会浪费很多的时间和精力,如果通过模拟的话我们就可以很快的,就是说知道一些大概的一些工艺参数点在哪里,那可以很有效地减少研发的时间,还有一些生产的生长的成本之类的。刚刚提到的两块模拟固化模拟和流动模拟规划模拟,其实它牵涉的内容主要是第一个是如何来预测固化的循环时间和以及一些发了疯的现象。

那他对公益的主要是来决定长竖式怎么样设计更好,怎么样更好的设计这样的工艺参数,然后选择什么样的数值体系跟适合这个来做这样一个汽车零部件,另外一块就是流动模拟的话,主要是来看到,特别是对于一些RTM还有真空导入这种工艺来讲的话,因为纤维是在真空状态下或者在压力的状态下浸润,树脂在这个压力状态下浸入纤维,我们要考虑的是说数字的前沿是怎么流动的,他的这个冲完全浸润纤维和玉之间所需要的时间是怎么样,压力是怎么样?这个其实都是通过我们流动模拟可可以看得到的一些数据。

模拟的话我觉得它其实很大的一个特点就是说在我们没有做实验之前,我们就可以很清楚地看到一些很多材料的特性,虽然它不完全百分之百准确,但是它可以给到我们工艺工程师有一个很明确的知道,到底我们这样做是不是有90%的把握,或者是说95%的把握。这边所以固化模拟其实第一个他很重要,就是事实材料,就是说可以很容易看得见。那这边有一个例子,就是说关于我们汽车轮毂的,类似汽车轮毂的一个部件,我们做了一个模拟,左边左下角这张图就是关于玻璃化转变温度和固化温度以及固化时间的一个曲线,当然我们这中间其实选择了一个点来看,不同的时间,它不同的时间、不同的温度下,它能够达到的一个玻璃化转变温度大概到底是多度?

从这个图中我们其实可以获取到很多数据,比如说我200秒的情况下120度的情况下不了玻璃化,500秒的时候130多的时候玻璃化温度多少,这个图中都有看的到那右边两张图其实就更加全面的看,整个的各个位置的一个变化,另外一个案例就是关于压力气瓶的,我们可以通过规划模拟来看到,就是说因为压力气瓶它有不同的结构,它外面是我们的碳纤维复合材料,中间它有一层其实是格勒的热塑性的材料,那我们就来看,通过模拟我们能看得到外层的了固性的复合材料在固化反应过程中,它产生的最高温度是否会对它里面的里层的热塑性的材料会有一定的影响,我们可以通过这样一个模拟来预测是不是有影响?

这边其实我们也有做,除了模拟以外我们也对用实验进行了验证,其实就左下角这张图有看到两条曲线,其实吻合程度蛮高的,就是说这说明你在模拟出来的数据跟你实验数据是比较类似、比较接近的。当然这个模拟的话,其实首先我刚刚讲到第一步,其实首先要很明确知道我们这个材料的特性,其实目前我们在汽车复合材料上面关于汽车结构件的成型这一块,我们树脂系统的话,我们亨斯迈目前在推的书子系统是R2老达olI3585这个数字以及牢固3475这个固化剂作为我们目前在汽车复合材料上的一个成熟的体系,在推广应用那可以看到,就是说这对于这个体系来说,我们可以看到在不同的温度下它的一个年度的一个变化年度的变化,对你的工艺窗口,特别是在注射的时候,因为我们用高压听来做,我们需要知道这个注册窗口在哪里?那我们可以看到,就是说我在大概140多情况下举个例子,通过这个图我可以看到我在140多的温度条件下,我大概注射的时间要小于22秒,如果超过22秒的话,我可能这个体系就反应过快或者已经凝胶。

另外就是我们也可以看到在不同的温度条件下、不同的时间上面,它的一个玻璃化转变温度还有固化度的一个情况也很能够清楚的看到,比如说像刚才说的一百40度22秒,140多20来秒的话,其实它的已经凝胶,然后它的如果要达到这个固化度是90%以上的话,我们就在成型工艺的时候就要知道这个固化温度要超过60秒,这个在我们模拟中都可以很明确地看得到这个数据。

另外就是是我们这边有两个案例,就是第一个案例是我们先看一下这种比如说对于一些简单一点的比较薄一点的这些厚度比如说是比较小的小于两毫米的这样一块板,它的一个固化的一个情况。那有看到比如说模具,现在我的一个模具温度是140度,然后我们会看到在模具140多的情况下,我们这复合材料最高的温度用我们的树脂系统可以达到多少度,从这个图中我们也看到其实在模具温度是140度的情况下,我看一下我们复合材料里面其实最高温度是可以达到160的,这个就是要特别注意,因为环氧树脂在固化过程中它会放热,这个地方就是说最高的放热风,如果这个最高放热风太大的话会赢你,想到复合材料最后的一个内部的裂纹以及开裂,这些都是由于这个犯了过于大或者是过于集中所影响的。这些我们都很明显的看得到。

然后通过模拟我们还不只是说给我两毫米的是一个情况。我也可以同时获得很多的数据,比如说我厚度从两毫米一直到四毫米,温度从120到140度。我的脱模时间是多少分钟,我的最小的一个注册时间是多少秒,然后最大的温度是怎么样?就是这一系列的数据,包括你最后脱模时候的一个固化度DG是什么样子的?这一系列的数据我们都可以通过,可能只需要五分钟时间,程序做好的话,所有的数据都能够很快的,就可以给到一个指导意义,其实这些数据跟我们实验的数据,我们之前也进行过一些对比,基本上还是蛮吻合的,说明我们的模型建的还是比较正确的。

这边有看到。其实我们挑了一个例子。140度的情况下对于两毫米的一个一个部件来说,它的脱模时间其实只要60秒钟,就一分钟之内我们就可以完全固化,完全脱模,而且它的固化度也可以达到90%以上,这个跟我们实验室数据完全吻合,前面讲的是一些关于规划模拟的一个固化树脂固化的一个模拟,这里会讲两个案例就是关于树脂流动的模拟,那为什么要做树脂流动模拟?其实模拟的话,因为作为一个虚拟平台,我们其实在做树脂流动过程中,特别是注册过程中,我们需要知道这个注塑口的注射的一个策略到底怎么来注册?包括它的导流管的分布流道的分布到底是怎来做的?都有一个策略要比较清楚,所以这里有两个案例。

就是第一个,就是我们汽车的引擎盖,这引颈因为它尺寸比较大,它的厚度相对来说是比较薄的,对于这种比较薄的、大型的这种部件来说,我们就要知道怎么样来设计导流管?那这边儿我们左边一个图和右边一个图,他的导流管是不一样的,长度不一样,那长度不一样,它就导致的,说我在注册过程中形成钢斑的这种风险就会不一样,比如说左边这个图,它的导流管是比较短的,那它这个形成钢斑的区域和位置和风险就比较大,而且它在注册过程中要求注射压力要大于20个大气压,才能比较好的完全净论,就是说不形成钢斑,右边如果我稍微改变一下,我只要导流管长度要长,然后我这个形成钢斑的区域就不是同一个地方了,而且我这个注射压力也会比较小,可能小于十个大气压就可以,完全能够做好我这样一个比较大型的、比较薄的这样一个部件,而且填充的时间也不一样,比如说左边这个可能填充时间需要一分钟,后面这个可能40秒钟就可以了,这个就都是不同的工艺,你来设计的时候出来的结果都会完全的不一样。

另外这个是刚刚讲的两毫米薄的部件的一个情况。这里主要是讲的是关于我们怎么来设计排气口?前面讲的我们是怎么来设计导流管吗,然后还有注射口,这里是主要怎么来设计排气口?对于这样一个看似其实蛮简单的一个部件,但是你在排气口设计的时候也要考虑蛮多的东西,我只要有一个点,我可能通过模拟我就可以知道。I只要注射口在这里,我基本上就能够比较顺利的在特定时间内完全浸入我们的纤维,但是实际过程中其实不是这个样子的,实际过程中可能你磨具你纤维铺到模具里面,模具在闭合的过程中,它的纤维和植物之间会有一个空隙吗?一个缝隙,那这个缝隙就会导致你在注塑和树脂的时候,树脂的前沿位置就会发生一定的变化,那我在设计排气口的时候,就可能不是一个点的设计,我就要通过一排设计,我才能够有要的就是排除一些刚刚前面讲的,比如说像钢斑或者是有些地方数字过于多的这样一种面向,其实我们都可以通过模拟这样一个情况,我们可以在做生产工艺之前或者在做实验之前,我们可以很明确地看得到这些现象。

关于这两块,我记得刚刚我讲的就是两个部分,一个就是固化模拟,一个是树脂流动模拟,关于模拟,其实要给到大家,就是说一个比较清晰的概念。首先第一个说模拟你不是自己眼睛自己闭着眼睛自己做。首先我们作亨斯迈,因为我们是希望就是说通过特别需要跟客户一起来合作,然后帮助客户运用我们模拟技术帮助客户来更加好地建立它们的这样一个工艺参数,优化它们的一个工艺的一些条件。这个是我们第一点,就是想要给到给到大家的一个信息。

第二点就是说模拟的话,它可以很好的看到一些你实验中看不到的东西。可能你做一个实验只是一个实验,当时模拟的话我可以得出一系列数据,我可以从面的角度去看,说刚刚我讲的不同温度、不同厚度、不同时间一系列的数据,我可能在很快的时间内就可以把它完全收集得到,它也使得材料就是说透明化,能够看到它的很多行为表现。

第三个就是说模拟其实,当然所有的模拟其实我们最后是通过我们实验需要去验证的,不是说我模拟百分之百就完全正确的,这个不完全。通过需要实验的数据去支撑、去改进,然后最后希望就是说我这个模拟的模型能够来预测我实际的情况,其实模拟说白了,他就是有一个概念,就是说其实它是一个类似像我们定位系统一样,它帮我们有一个类似于盏灯一样指引我们。但是具体到底细节很多细节,其实可能也并不一定能做得到,所以而且我们复合材料工艺你知道都很复杂,而且它的变量也特别多,所以我们主要是用这个模拟来评价一下我这个工艺是不是比较好,我通过比如说跟我们竖子系统结合起来以后,它一些变量到底是怎么办变化的,这些是我们模拟的,其实一个很重要的概念。就是传递给大家,需要跟客户一起,然后使材料可视化,然后另外就是对材料复合材料工艺进行一个分析,然后分析它的变量参数的一个变化,使客户的工艺能够更加的稳健性,这个是主要信息。

最后一个就是其实关于模拟,如果各位在座的想更多的了解亨斯迈在模拟方面的一些案例以及一些能力的话,其实IOS里面有我们的一个APP,里面有一些大家比较感兴趣的一些东西可以找得到,有蛮多的案例分析关于模拟,最后谢谢大家。 

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