SABIC toonde in een recente studie aan dat een 1-millimeter dik hoesje aan alle relevante industriestandaarden kon voldoen voor zeer dunne notebookcomputers of tablets. Bron, alle afbeeldingen | SABIC

Consumentenelektronica is een dynamische markt met behoorlijk korte cyclustijden tussen productgeneraties. Van hun smartphones, smartwatches, tablets en notebooks/laptops, willen consumenten snellere werksnelheden, langere batterijduur, grotere duurzaamheid en meer functies bij lagere kosten en gewicht. Om aan de consumentenvraag te voldoen, vragen OEMs leveranciers om materialen met hoge esthetiek en ontvrijheid, uitstekende impactweerstand en hoge stijfheid — wat kwaliteit impliceert in deze markt — bij laag gewicht en dunne wanddikten. Ze willen ook kosteneffectieve, hoog herhaalbare verwerkingsmethoden die voldoen aan wereldwijde productievereisten in de tientallen miljoenen eenheden per jaar. Deze drukken hebben de markt eerst gedreven naar lichte metalen voor hoesjes/cases en frames, en nu drijft het naar metaal/composiet en volledig composiet oplossingen.

Een haalbaarheidsstudie uitgevoerd door SABIC (Bergen op Zoom, Nederland) betrof het gebruik van twee typen thermoplastische composieten om een 1-millimeter-dik notebookcomputer/tablet hoesje te produceren. De studie toonde aan dat het hybride thermoplastische composietontwerp een haalbare oplossing kon zijn voor de uitdagende consumentenelektronicamarkt.

Testcase

Sinds 2012 heeft SABIC een reeks investeringen gedaan om zijn eigen unidirectionele (UD)-vezelversterkte thermoplastische composietbanden te ontwikkelen (zie "Evolueren naar continue vezelversterkingen"), wat de kerncompetentie van het bedrijf in korte-vezel injectie en lange-vezel thermoplastische (LFT) materialen uitbreidde, en SABIC in staat stelde om uit te breiden naar hogere prestaties thermoplastische composieten. In 2015 kocht het bedrijf meerderheidsaandeel in bandenfabrikant Fiber Reinforced Thermoplastics B.V. (FRT, Lelystad, Nederland) en in 2017 werd het partner en minderheidsinvesteerder in Airborne (Den Haag, Nederland), een machinefabrikant en ontwikkelaar van composietverwerkingslijnen.

Terwijl SABIC en Airborne technologie ontwierpen en bouwden om snel en kosteneffectief net-shape, hoogwaardige thermoplastische band-gebaseerde laminaten te produceren voor werkelijk hoog-volume markten (zie "High-speed, high-rate thermoplastic composites manufacturing"), begon het team te zoeken naar een testcase. Deze demonstrator zou een belangrijk marketinginstrument zijn om ontwerpconcepten voor thermoplastische composietlaminaten geproduceerd uit composietbanden overmoulded met discontinue vezelversterkte compounds te bewijzen. Het zou ook belangrijk zijn om voorspellende engineeringtools te testen die het team had ontwikkeld voor beide materialentechnologieën en de hoge-snelheid productieproces in Nederland te tonen.

"We besloten ons te specialiseren in consumentenelektronica toepassingen," legt Gino Francato, SABIC globale composietenleider uit. "Die markt is erg interessant omdat er een echte ambitie is om over te gaan op lichte materialen om onze mobiele telefoons en notebooks lichter en dunner te maken. En aangezien ze er miljoenen en miljoenen van maken, besloten we de uitdaging aan te nemen die deze markt bood."

"We besloten te beginnen met iets dat redelijk complex was maar niet te complex," legt Scott Davis, SABIC staff scientist-global application technology uit. De bovenkant van een zeer dunne notebookcomputer of zelfs een tablet — die het team hoopte uiteindelijk te vertalen naar smartphonecomponenten — leek een goed beginpunt. "We werkten met een eenvoudige algehele geometrie, een rechthoek, die nog steeds hoge esthetiek moest behouden en veel complexiteit aan de B-zijde moest bieden, inclusief bevestigingsfeatures," vervolgt Davis. "We moesten het hoesje heel dun houden, maar nog steeds uitdagende doorbuigingsvereisten die in de industrie gebruikelijk zijn halen. En, natuurlijk, moesten we een heel consistent product leveren via een complex nieuw productieproces."

Aangezien ze niet met een echte klantontwerp werkten, en alleen de beschermende hoes voor een scherm maakten, gebruikten ze generieke geometrie. Feitelijk merkt Davis op, toen ze begonnen met snijden van injectiegereedschap voor interne ontwikkeling, waren ze niet eens zeker of ze een tablet of een notebook hoesje zouden maken, dus het hoesje was ontworpen om voor beide te werken. "Er waren veel uitdagingen om een composietoplossing klaar te krijgen voor hoog-volume productie," voegt Davis toe. "Feitelijk gebeurde er veel tegelijkertijd — bandontwikkeling, laminaatontwikkeling en procesontwikkeling — en we konden niet wachten tot al die dingen gefinaliseerd waren om onze gereedschapsbouw te beginnen, wat is hoe we bij dat ontwerp zijn uitgekomen." Met basisonvoltooid, richtte het team zich op andere details, zoals de beste manier om te gieten, welke overlappen nodig waren tussen laminaatinvoegsel en overmoulding compound, hoe geautomatiseerde plaatsing in het gereedschap te hanteren, hoe om te gaan met de coëfficiënt van (lineaire) thermische uitdijning (CLTE of CTE) mismatches tussen de twee composieten en hoe een gemakkelijk herhaalbaar deel te creëren.

Uitdagende eisen halen

Het doel was een 1-millimeter-dik bovenhoesje te ontwikkelen dat hoge stijfheid biedt en alle prestatie- en esthetische eisen haalt — met name de middelpunt-doorbuigingstest die regelmatig op laptophoesjes wordt toegepast om de belasting te evalueren die nodig is om het onderliggende scherm te beschadigen. Belasting/doorbuigingsvereisten variëren per OEM, apparaat en model, maar doorgaans is niet meer dan 3-5 millimeter doorbuiging toegestaan onder 40-120 Newton druk — een situatie die de belasting simuleert die wordt uitgeoefend door een vinger of elleboog ingedrukt in het hoesje als een menselijke gebruiker opstaat. In veel industrieën zou de strategie voor het halen van dergelijke tests zijn om de wanddikte te verhogen, maar deze markt waardeert dunne ontwerpen die ruimte vrijmaken voor grotere batterijen en andere componenten zonder toename van apparaatgrootte of gewicht. Daarom moest het team een andere ontwerpstrategie gebruiken om schermschade te voorkomen — namelijk het selecteren van stijvere materialen (via een laminaatinvoegsel) en het gebruiken van geometrie (bijvoorbeeld ribben via injectie overmoulding). Maar eerst moesten ze materialen specificeren.

Eén van deze materialen, polycarboon (PC), wordt al wijd gebruikt in deze industrie voor hoesjes en andere componenten, vanwege zijn uitstekende esthetiek en hoge impactsterkte. De polymer's grootste zwaktes zijn chemische weerstand en oppervlaktekrassen, maar de coating, verf of combinaties van beide die op de meeste hoesjes worden toegepast, overwinnen deze potentiële problemen doorgaans.

"Omdat ultralichte computers zo dun zijn, is pakketruimte binnenin op een echte premie, dus doorbuigingen en mechanica worden echt kritiek," wijst Francato. "Terwijl je glas [versterking] zou willen gebruiken vanuit een kostenperspectief, moesten we koolstof [vezel] gebruiken om de stijfheid te krijgen die we nodig hadden." Als resultaat waren alle band-gebaseerde laminaten die geëvalueerd werden variaties van koolstofvezel-versterkt polycarboon — graden toen in ontwikkeling bij SABIC dochter FRT.

SABIC heeft voorspellende modellen ontwikkeld om laminaattype en architectuur (met en zonder overmoulding compounds) vs. gemoulded deel prestaties te simuleren en rapporteert dat sterke correlatie tussen voorspellingen en experimentele resultaten bereikt is. De voorspellende engineeringtools worden gezegd materiaalontwikkeling te versnellen.

De overmoulding compound vereiste een andere aanpak. Initieel was de strategie om een langere-vezel LFT compound te gebruiken, maar om een aantal redenen — inclusief hoge esthetische eisen, deelafmetingen en gietstrategie — voldeden korte-vezel compounds beter aan de projectvereisten. Een ander kwestie was het type vezel te gebruiken. "Korte-koolstof injectie compounds zijn echt moeilijk om mee te werken en nog steeds hoge esthetiek te krijgen," vervolgt Francato, "dus voor ons overmouldingmateriaal keken we naar korte-glasversterkte graden." SABIC dochter LNP Engineering Plastics, Inc. (Exton, Pa., VS) biedt veel glasvezel/PC graden met goede esthetiek en stijfheid die populair zijn bij apparaat-OEMs, dus het team richtte zich op die.

Hoewel volledig amorf PC minder geneigd is tot vervorming dan half-kristallijne polymeren, maakte het team zich nog steeds zorgen over CLTE verschillen tussen de hoog versterkte en anisotrope UD koolstofvezelbanden en de meer isotrope, discontinue korte-glasvezel overmoulding graden bij lagere vezellading. "In zulke dunne wanden is er heel weinig ruimte voor fouten, dus de lichte verschillen in CLT waren dingen die we zorgvuldig moesten overwegen," legt Davis uit. "En dat raakt nog niet eens alle normale kwesties die je hebt bij injectiegieten, zoals poortlocaties, vulpatronen, pakdrukken en naadlijnen. Al deze factoren werden gesimuleerd en fysiek getest."

Eenmaal de materialen gekozen, voerden SABIC ingenieurs meerdere iteraties van moldvulling, structurele analyse en vervormingssimulatie uit om laminaatopbouw, geometrie en materialencombinaties te evalueren om stijfheid te optimaliseren voor de belasting/doorbuigingstest, plus andere prestatie- en kostenvereisten. Het bedrijf zegt dat het uitgebreide en nauwkeurige composietmodelleringshulpmiddelen heeft ontwikkeld (beschikbaar voor klanten en draaiend in gangbare structurele en verwerkingscodes) die snel laminaatarchitectuur, overmoulding compound samenstelling en diverse verwerkings- en gereedschapsopties versus as-ge moulded deelprestaties kunnen modelleren en simuleren. Deze tools worden gezegd sterke correlatie tussen voorspellingen en gemeten prestaties te bereiken en zijn ideaal voor het versnellen van custom materiaalontwikkeling.

Klaar voor prime time

Voorkant van het eindige laptop/tablet hoesje, geproduceerd met een koolstofvezel-versterkt polycarboon band-gebaseerd laminaatinvoegsel overmoulded met korte-glas/polycarboon-copolymer compound, een combinatie die alle relevante mechanische en esthetische vereisten haalde in een 1-millimeter dik deel.

De finale demonstrator heeft een laminaatinvoegsel geproduceerd uit zeven lagen ontwikkelings UDMAX koolstofvezel/PC banden (55% vezelvolume fractie), geconsolideerd, getrimd, voorgevormd en opnieuw getrimd tot eindige net-shape, voordat geïjecteerd overmoulded werd met 40% vezel-gewichtsfractie THERMOCOMP D452 korte-glasvezel/PC-copolymer (een graad geoptimaliseerd voor hoge vloeibare en hoge esthetiek en al wijd gebruikt in dit segment). De combinatie produceert een hoesje met hoge stijfheid en sterkte bij lage massa en wanddikte terwijl talloze 3D-ontwerpdetails, bevestigingsfeatures en goede esthetiek worden opgenomen, waardoor het beste van elk materiaal benut wordt. Het hoesje haalde naar verluidt alle vereiste industrietests en wordt momenteel geëvalueerd door apparaat-OEMs.

Achterkant van het afgeronde hoesje.

Werk tussen Airborne en SABIC heeft ook vruchten afgeleverd voor SABIC's consumentenelektronica marktdoelen. Het partnerschap werd in 2018 aangekondigd, en dit jaar is verder detail verstrekt over wat beide bedrijven hun Digital Composites Manufacturing Line noemen, die vier net-shape geconsolideerde laminaatinvoegsels uit thermoplastische composietbanden per minuut kan produceren of 1,5 miljoen laminaten per jaar van een enkele productielijn. Het systeem wordt gezegd flexibel te zijn (in termen van opbouwarchitectuur en materialen) en snel. Vanaf 2020 zal Airborne de lijn gebruiken om laminaten te produceren voor commercieel gebruik in consumentenelektronica, worden een bron die beide bedrijven hopen zal de penetratie van thermoplastische composieten in dit uiterst competitieve en snelgaande segment aanzienlijk vergroten.