連續纖維增強熱塑性復合材料層壓復合工藝探索及改進

（浙江遂金復合材料有限公司 浙江 323304）

1.背景簡紹

連續纖維增強熱塑性復合材料是一種新興的復合材料，其主要產品是連續玻璃纖維增強聚丙烯復合材料，分為片材和板材兩大產品類型。該產品具有重量輕、強度高、環保無污染等優點，可替代金屬板材、熱固復合材料等傳統材料，是飛機內飾、汽車各類覆蓋件和結構件及集裝箱壁板等部件的理想替代材料，產品應用領域覆蓋汽車行業、軌道交通、安全防護、體育器材、建筑行業、管道基建等。

連續玻璃纖維增強聚丙烯復合材料在國內還處于研發和起步階段，產品的生產工藝還處于摸索、改進階段，因此市場上還沒有成熟的加工工藝，都需要自行投入研發和試驗，經多次市場調研和查閱國外相關技術資料，并組織相關技術人員探討回收加工技術方案，最終達成一致，即借鑒橡膠、塑料的生產設備——平板硫化機，來實現連續纖維增強熱塑性復合材料層壓復合。另為了實現自動化生產，特別配備了自動移模系統，實現模具在不同工位間的自動化控制；同時再設計模具時也充分考慮了產品的收縮率和冷熱變形量，保證板材表面的平整度。

2.產品種類

連續纖維增強熱塑性復合材料層壓復合板材主要是采用我們公司自行研發生產的連續纖維增強熱塑性單向預浸帶經過多層復合而成，其單向預浸帶由纖維和熱塑性樹脂結合而成，根據現有的市場要求，纖維主要選擇玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維，而熱塑性樹脂以聚丙烯、高密度聚乙烯和尼龍為主，兩者組合可以形成連續玻璃纖維聚丙烯增強層壓復合板（PP/GF）、連續玻璃纖維高密度聚乙烯增強層壓復合板（HDPE/GF）、連續玻璃纖維尼龍增強層壓復合板（PA/GF）、連續芳綸纖維尼龍增強層壓復合板（PA/AF）和連續碳纖維尼龍增強層壓復合板（PA/CF）等多種類型。另外再鋪層設計上，一般普通正常的層壓復合板采用0、90兩個方向垂直交錯鋪層，如有特殊要求還可以增加其他方向上的鋪層，來提高層壓復合板的抗沖擊性能。若客戶還有更高的要求，如防穿刺性，可以在鋪層方案內添加纖維編織布來實現。

3.生產工藝

連續纖維增強熱塑性復合材料層壓復合板材以單向預浸帶為基材，經過多層多方向疊加加熱、冷卻進行直接融合，不添加任何膠水、粘連劑等化學試劑，保證產品的綠色環保，同時還具有二次回收利用等價值。

我們平板壓機采用的是300噸立柱型壓機，熱機的加熱功率為66kW，加熱范圍為0-450℃，冷機連接風冷式冷水機，其工作臺平面尺寸都為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）+多層交錯疊加連續纖維增強熱塑性單向預浸帶+PET膜；因模具重量較重，且加熱后是高溫狀態，人工不可能實現移模、開合模等動作，所以在主機前面還有一套自動移模系統，其工藝流程示意圖如下：

圖1 改造前平板壓機工藝流程示意圖

①將1#模具在鋪料位放入單向預浸帶→②通過移模系統將1#模具移至移模A→③進入熱機，熱機上升開始加熱、保壓→④加熱完成熱機自動下降將1#模具退出至移模A→⑤移模系統將1#模具移至移模B→⑥進入冷機，冷機上升開始冷卻、保壓定型→⑦此時將2#模具在鋪料位放入單向預浸帶→⑧同1#模具之前的步驟進入熱機加熱→⑨2#模具在加熱的時候，1#模具已冷卻完成，冷機自動下降將其退出至移模B→⑩移模系統將1#模具移至鋪料位→1#模具開模取下板材→待2#模具加熱完成后同樣移至冷機進行冷卻定型→重復①步驟，以此循環。

經以上工序循環，實現單向預浸帶在平板硫化機上的層壓復合工藝，得到連續纖維增強熱塑性復合材料成品板材。通過設計不同尺寸的模具，來生產不同規格、不同厚度的板材。

4.工藝改進

當時在模具設計時考慮到熱變形問題，將上下模厚度設計偏厚，且移模板厚度也有40mm，所以造成加熱和冷卻時間延長，能耗增加，降低了工作效率和產能；另外整個移模系統都采用自動控制，各個點位都安裝有接近開關，當移模時會有一定程度的撞擊，經常造成定位不準，移模不順暢；若為了避免撞擊將移模速度減慢，則大大延長了移模時間，降低了生產效率。設備在24小時不間斷運行時，移模系統控制線路跟隨一起移動，經常出現接頭松動、斷開等現象，還有各個接近開關接觸不良、熱繼電器燒斷等問題，造成設備故障率高，影響生產安排。

我們根據出現的問題進行了技術討論和系統分析，在保證產品質量的前提下，盡量縮短加熱和冷卻時間，提高生產效率；另外還需解決自動化移模系統帶來的高故障率等問題，因此最終我們的技術改造方案確定如下：

（1）取消現有的移模系統，拆除移模架；拆除熱機和冷機的油壓推桿；將冷機移至熱機前端，熱機和冷機工作臺平面上均安裝滑軌，便于模具移動。

（2）重新制作模具3套，其中下模采用10mm厚50號鋼板制作，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。整個模具需電鍍、拋光處理，保證精度。

（3）制作3臺移動推車，平臺表面安裝滑軌，另還有限位、銷定裝置等。模具可在熱機、冷機、移動推車上通過專用拉鉤使用人力來回移動。

（4）涉及到的平板壓機基礎、油路、水路、電路需重新布置及安裝調試。

改造后平板壓機的工藝流程示意圖如下：

圖2 改造后平板壓機工藝流程示意圖

①將推車A上的1#模具放入片材并移至送料位→②通過人工將1#模具推送進熱機并將空推車A移至出料位→③熱機上升開始加熱、保壓→④在加熱的同時將推車B上的2#模具放入片材并移至送料位準備→⑤加熱完成熱機自動下降將1#模具退出，再人工使用拉鉤將其移進冷機→⑥冷機上升開始冷卻、保壓定型→⑦此時將2#模具推進熱機→⑧待1#模具冷卻完成，冷機自動下降將其退出，同樣人工使用拉鉤將其移至出料位的推車A上→⑨將推車A移至鋪料位，開模取出1#模具內板材→⑩將空推車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進行冷卻定型→重復①步驟，以此循環。

第三輛推車和第三副模具可當作備用，也可加入工作循環。

5.改造前后經濟效益的對比

(1)平板壓機改造前經濟效益分析

①產量方面

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

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

②人工成本

PP板：原平板壓機操作員工設置兩名，單位人工成本為88元/班；每噸板材所需班數為：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1.03元/度計算，每班生產所需電費為：670×1.03=690.1元，則生產每噸板材所消耗的電費為：690.1×5.74=3961.17元/噸。

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

(2)平板壓機改造后經濟效益分析

①產量方面

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

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

②人工成本

PP板：改造后的平板壓機操作員工需設置四名，單位人工成本為88元/班；每噸板材所需班數為：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1.03元/度計算，每班生產所需電費為：600×1.03=618.0元，則生產每噸板材所消耗的電費為：618.0×2.41=1489.38元/噸。

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

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

6.小結

歷時半個月的平板壓機改造項目全部完成，通過一個多月的試用和生產，基本達到了預期的改造目標，大大提高了設備的工作效率和產能，充分發揮了設備的生產潛能。雖然在人工安排上增加了員工，但分擔至每噸產品的人工成本確是降低了，尤其在能耗方面，比原平板壓機降低了很多，節約了大量生產成本的同時，也提高了我們產品的競爭力。