Continue tapes, D-LFT ontmoeten elkaar in nieuw compressievormproces

Een meerjarig, door de overheid gefinancierd onderzoeksprogramma, onder toezicht van het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) en genaamd System Integrated Multi-Material Lightweight Design for E-mobility (SMiLE), gecombineerde composieten en non-ferrometalen om massa en kosten te verminderen voor de gehele body-in-white (BIW) structuur van een batterij-elektrisch voertuig (BEV). De achterste vloermodule is ontworpen met behulp van twee soorten thermoplastische composieten plus metalen profielen en inzetstukken. (Meer informatie in CW ’s december 2018 Focus op ontwerp. ) Om deze laadvloer snel en kostenefficiënt te produceren, werd een nieuw eenstaps compressiegietproces ontwikkeld en werd een nieuwe technologie gebruikt om thermoplastische tapes snel te verwarmen en te consolideren.

UD-tape + D-LFT

De achterlaadvloer van hybride composiet maakt gebruik van unidirectionele (UD) thermoplastische tapes plus direct-long-fibre thermoplastische (D-LFT) composieten. Thermoplastische tapes zorgden voor een hoge stijfheid/sterkte in een dunne, lichtgewicht structuur die bestand is tegen hoge knikbelastingen bij een crash; D-LFT bood de mogelijkheid om complexe geometrieën te vormen, functionele integratie/onderdelenconsolidatie en de mogelijkheid om metalen bevestigingsfuncties in te voegen. Ultramid B3K polyamide 6 (PA6) D-LFT met 40 gew.% glasvezelversterking en acht lagen Ultratape B3WG12 PA6 met 60 gew.% glasvezel, beide van BASF SE (Ludwigshafen, Duitsland), werden gebruikt.

Hoewel D-LFT kan worden spuitgegoten of geperst, en tapelaminaten kunnen worden spuitgegoten, worden beide materialen gewoonlijk geperst - een goed begrepen autoproces met voldoende geïnstalleerde capaciteit lokaal en wereldwijd om de doelstelling van 300 voertuigen per dag van het SMiLE-programma te ondersteunen .

UD-tapes en D-LFT worden vaak op twee manieren in hetzelfde onderdeel gecombineerd:beide tapes worden selectief toegevoegd aan laadpaden in overwegend D-LFT-structuren die betere mechanische eigenschappen nodig hebben — een techniek die op maat gemaakte D-LFT wordt genoemd en die ook gebruik continue vezelrovings in plaats van of in combinatie met tapes - of tapes en D-LFT worden gebruikt om tegenoverliggende zijden van een onderdeel te bedekken. Bij de eerste techniek is het gemakkelijk voor vloeiende D-LFT om dunne tapes uit positie te duwen tijdens overmolding, waardoor het gebruik van clips of andere hardware in het gereedschap nodig is om de tapepositie te behouden. Hoewel het minder duur is om selectief tapes te gebruiken in overwegend D-LFT-structuren, zijn dergelijke onderdelen niet zo sterk of licht als onderdelen die een hogere verhouding tussen tapes en D-LFT gebruiken. Met de tweede techniek, het aanbrengen van tapes en D-LFT aan weerszijden van een onderdeel, wordt een betere functionele integratie/consolidatie van onderdelen bereikt aan de D-LFT-zijde en wordt een hogere stijfheid/sterkte bereikt aan de UD-tapezijde (zie "Hybride thermoplastische gieten:taaiheid van autocomposieten"), maar de resulterende structuur is nog steeds relatief zwaar en niet zo stijf en sterk als het zou kunnen zijn.

Gezien de veiligheidskritieke aard van laadvloeren van voertuigen, en de wens van SMiLE-onderzoekers om de volledige achterlaadvloer van thermoplastisch composiet te gebruiken om crashenergieën te absorberen (niet alleen met metalen profielen gemonteerd aan axiale zijkanten van conventionele volledig metalen of de nieuwe hybride) composiet laadvloer), was het belangrijk om de achterste laadvloer zo stijf en sterk mogelijk te maken. Omdat onderzoekers zowel het gewicht als de kosten moesten verlagen om de projectdoelen te halen, de laadvloer dun wilden houden en knikken tijdens een botsing wilden voorkomen, en ook functionaliteit wilden toevoegen op belangrijke locaties (bijv. bevestigingspunten voor veiligheidsgordels op de tweede rij), ontwikkelden ze een nieuw subproces D-LFT/persgieten waarbij het grootste deel van de laadvloer thermoplastische tape was (vooraf verstevigd tot een laminaat voorafgaand aan het gieten), waarbij D-LFT selectief alleen werd toegepast waar ribben en complexe geometrieën nodig waren, maar onmogelijk te vormen met tapelaminaten alleen.

Het team besloot ook om te proberen de achterste laadvloer van 1,3 bij 1,3 meter in één stap te produceren. in de compressie-vormpers. Om al deze doelen te realiseren, het team had een combinatie nodig van interessante en innovatieve gereedschappen en een sequentieel vormingsproces.

Lokale geavanceerde LFT op maat

Het uiteindelijke ontwerp van de achterste laadvloer is een dunne, bijna netvormige structuur die wordt geproduceerd via UD-tapes die vooraf zijn verstevigd tot een laminaat. Grote golvingen zijn opgenomen langs de lengteas van het onderdeel voor hoge sterkte bij een lage massa en dikte. Onderzoekers wisten echter dat deze golvingen moeilijk te vormen zouden zijn in het grote laminaat. Om een ​​goede drapering te garanderen, werd simulatie gebruikt om de mal te ontwerpen om reproduceerbare vorming van de golvingen (50 mm hoog en 115 mm breed) te verifiëren en kreuken te minimaliseren. Als ze het bij het verkeerde eind hadden en de ribbels niet correct vormden, zou het laminaat kunnen kreuken of uit het vlak verschuiven en zou de hechtsterkte met de D-LFT slecht zijn. Virtuele prototyping voorspelde dat de beste vormingsvolgorde van binnen/midden naar buiten naar de zijkanten was, vergelijkbaar met wat typisch wordt gedaan met handoplegging. De enige manier waarop een sequentieel vormingsproces in één vormstap kon worden uitgevoerd (waarbij het laminaat niet buiten de hoofdpers werd voorgevormd) was door middel van gereedschapshandelingen (dia's).

Dia's komen veel voor in zeer complexe spuitgietgereedschappen. Hoewel ze niet ongehoord zijn bij compressievormen, komen ze minder vaak voor en zijn ze vaak veel minder complex wanneer ze worden gebruikt. Onderzoekers ontwierpen het gereedschap met zes verplaatsbare holtes (met behulp van vier objectglaasjes) om golvingen en andere structuren in het laminaat te vormen, in plaats van ze gewoon te overgieten in D-LFT, wat anders aanzienlijke massa en dikte aan het onderdeel zou hebben toegevoegd.

Eerder werk aan de grensvlaksterkte bij de laminaat/D-LFT-ribverbindingen had aangetoond dat een superieure hechtsterkte werd bereikt als het laminaat voorafgaand aan het overgieten een temperatuur handhaafde van ten minste 130°C — onder het smeltpunt van de PA6-matrix — en D -LFT werd aan het gereedschap geleverd bij 280°C, boven het smeltpunt van PA6. Om te voorkomen dat het laminaat te snel afkoelt tegen het gereedschap voordat D-LFT-ladingen werden geplaatst, legden onderzoekers het op volledig uitgeschoven uitwerppennen aan de holtezijde van het gereedschap. Toen er twee D-LFT-ladingen werden afgeleverd, gingen de uitwerppennen omlaag en begon de mal te sluiten. Vervolgens breidden de vier schuiven - waarvan er drie werden bediend met behulp van het hydraulische systeem van de machine, en de vierde werd bediend via veerwerking - zich achtereenvolgens uit om het laminaat te vormen, inclusief de diepe ribbels. Nadat de pers volledig was gesloten, werden de D-LFT-ribstructuren (in een complex X-vormig rooster) gevormd. Onderzoekers noemden deze sequentiële vormingstechniek lokale geavanceerde, op maat gemaakte LFT.

In een andere afwijking van het conventionele compressiegereedschapontwerp, werd de mal geconstrueerd met afschuifranden alleen in secties waar D-LFT naar de rand van een onderdeel stroomde om geselecteerde ladingen stroombare D-LFT te vormen tegen het niet-vloeibare tapelaminaat dat het grootste deel uitmaakte van de structuur.

Door straling geïnduceerde vacuümconsolidatietechnologie

Een belangrijke processtap om reproduceerbaar vormgedrag en hoge mechanische prestaties in het laatste onderdeel te garanderen, is tapeconsolidatie. Door thermoplastische tapestapels vlak voor het vormen snel te verhitten, worden holtes binnen en tussen de lagen geëlimineerd en wordt een uitstekende consolidatie/vezelimpregnering bereikt. Om te voorkomen dat dit de snelheidsbeperkende stap is, werd het proces afgestemd op de snelheid van geautomatiseerde thermoplastische tape-lay-up - er werd een Fiberforge RELAY-tape-legmachine van Dieffenbacher GmbH (Eppingen, Duitsland) gebruikt - evenals vormcycli op de compressie pers, een 3.600-tons Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS-pers, ook van Dieffenbacher, die werd gebruikt om de achterste laadvloer te vormen.

Vóór SMiLE, het Fraunhofer Instituut voor Chemische Technologie (F-ICT, Pfitztal, Duitsland) — dat leiding gaf aan de ontwikkeling van de laadvloeren voor en achter in het grotere SMiLE-programma, en ook hielp bij de ontwikkeling van het lokale geavanceerde, op maat gemaakte sequentiële LFT-gietproces met andere programma's partners — hadden een innovatief proces ontwikkeld, stralingsgeïnduceerde vacuümconsolidatietechnologie genaamd, voor het snel consolideren van stapels UD-tape tot laminaat, dat vervolgens werd toegepast om de achterste thermoplastische laadvloer te produceren. Dieffenbacher heeft het sindsdien op de markt gebracht met een machine genaamd Fibercon. Het proces is ontworpen om impregnatie-defecten in tapes te genezen, waardoor minder dure tapes kunnen worden gebruikt terwijl holtes in de uiteindelijke onderdelen worden geminimaliseerd. Het omvat het toepassen van grote hoeveelheden infrarood (IR) warmte op de boven- en onderlagen van de lagenstapel (transmissie vindt plaats via IR-transparante glasplaten waarop de lagenstapel rust) terwijl de hele stapel onder vacuüm wordt gehouden. Dit verwijdert lucht, laat de hars stromen en vult gaten in en tussen tapes. De warmte wordt slechts voor een korte tijd toegepast, waardoor de tapes aan elkaar kunnen hechten en snel kunnen stollen zonder dat de lagenstapel op zijn plaats wordt verplaatst. Het is ook ontworpen voor een snelle, homogene consolidatie van de lagenstapel tot een laminaat met overal hoge en consistente eigenschappen, waardoor het vormgedrag reproduceerbaar en gemakkelijker te simuleren is, en hoge mechanische eigenschappen in het uiteindelijke onderdeel worden gegarandeerd. Een andere zorg was hoe de warmte in het geconsolideerde laminaat onderweg . kon worden vastgehouden naar de pers, om goede vormeigenschappen te garanderen zonder energie te verspillen om het laminaat opnieuw te verwarmen voordat het wordt gevormd. Eenmaal geconsolideerd, wordt het nu gesmolten laminaat snel opnieuw verwarmd voordat het uit de machine wordt verwijderd en snel naar de pers wordt verplaatst om te worden gevormd.

Laatste procesvolgorde

Het uiteindelijke procesverloop voor de achterste laadvloer vond plaats op vier apparaten, waarvan er drie gelijktijdig in de werkcel werken.

Eerst werden de banden automatisch gelegd met behulp van oriëntaties die werden bepaald door simulatie via een Fiberforge RELAY-bandlegsysteem. Een indexeertafel maakt het gemakkelijk om tape in vrijwel elke richting op elke laag van de stapel lagen te leggen. Individuele tapes op elke laag worden lichtjes aan de laag eronder geplakt door middel van puntlassen, en de onderste laag wordt tijdens het leggen op zijn plaats gehouden door middel van vacuüm. Omdat de tape voor elk stuk van elke laag afzonderlijk wordt gesneden, is er minimaal afval en is er minimaal nabewerken nodig. Het systeem kan ook gaten/vensters in de stapel maken door de randen van de tape af te snijden voordat ze worden afgeplakt, wat het trimmen na de mal vermindert en het afval en de kosten verder vermindert.

Vervolgens werd de ply stack van de Fiberforge RELAY-machine naar de Fibercon-machine verplaatst en tussen de glasplaten van die unit geplaatst. Toen de eenheid sloot, werd een vacuüm op de stapel getrokken en werd IR-warmte korte tijd door de boven- en onderplaten geprojecteerd, waardoor de PA6-matrix snel werd verwarmd tot boven het smeltpunt (~230°C), stromende hars en het verwijderen van lege ruimten. Het laminaat werd vervolgens afgekoeld tot onder de kristallisatietemperatuur van de hars (~180°C), waardoor afzonderlijke tapes werden samengevoegd tot één laminaat.

In de nu geopende compressiepers, die net het vorige onderdeel had uitgeworpen, werden uitwerppennen weggelaten en onderzoekers laadden handmatig twee aluminium profielen en verschillende metalen inzetstukken in de boven- / kernzijde van het gereedschap in afwachting van de volgende ronde materialen.

Het nog hete laminaat in de Fibercon werd opnieuw verwarmd tot boven het smeltpunt van PA6, de unit werd geopend en het laminaat werd overgebracht naar de open compressiepers. Omdat lucht een slechtere thermische geleider is dan staal, werd het laminaat vervolgens op volledig uitgeschoven uitwerppennen aan de holtezijde van het gereedschap gelegd om de warmte in het laminaat vast te houden voordat de D-LFT-ladingen arriveerden.

Terwijl banden werden gelegd en geconsolideerd, werd nabijgelegen D-LFT-materiaal gecompoundeerd met behulp van twee extruders (het In-Line Compounder-systeem van Dieffenbacher). De eerste extruder combineerde hars en additieven, terwijl de tweede gehakte vezel tot de gewenste lengte combineerde en vervolgens hars/additieven combineerde met vezels om volledig gemengde, vooraf gewogen ladingen hete D-LFT te produceren die vervolgens aan de compressiepers werden afgeleverd. In het geval van de laadvloer werden twee D-LFT-ladingen op het laminaat geplaatst toen het naar het gereedschap werd neergelaten door uitwerppennen in te trekken.

Met de warmere D-LFT-ladingen op het koelere laminaat, begon de pers te sluiten toen de vier schuiven in volgorde werden ingezet om het laminaat voor te vormen voordat het gereedschap volledig werd gesloten. Opeenvolgend aanbrengen van de glaasjes verhinderde kreuken van het laminaat als 3D-kenmerken, waaronder ribbels, gevormd. Toen het bovenste gereedschap eenmaal was gesloten, was het tapelaminaat volledig gevormd en werden de hete D-LFT-ladingen op 1430 MT gevormd tot geribbelde roosterstructuren. Het complete onderdeel, met volledig geïntegreerde metalen inzetstukken, werd vervolgens uitgeworpen nadat de pers was geopend.

In een productieomgeving zou alle materiaalbehandeling worden gedaan met behulp van portaalrobots die zijn uitgerust met naaldgrijpers, maar voor het SMiLE-onderzoeksprogramma gebeurde dit met de hand. Voor het onderzoeksprogramma was de totale vormcyclus 240 seconden, vertraagd door het gieten van de dikke ribben van de laadvloer. Onderzoekers geloven dat ze in een productieomgeving cyclustijden van minder dan 100 seconden zouden kunnen halen met verdere aanpassingen aan het gereedschap, en dat ze deze zelfs nog lager zouden kunnen krijgen als het laminaat voorgevormd was voordat het in de pers werd geplaatst.