Geavanceerde robotische injectiegieting voor gefunctionaliseerde composietcomponenten

Anybrid GmbH (Dresden, Duitsland) is een spin-off van het Institute for Lightweight Engineering en Polymer Technology (ILK) aan de TU Dresden. ILK werkt met de industrie om nieuwe lichtgewichttechnologieën te ontwikkelen, met focus op versterkte polymere composieten. „We hebben deze gerobotiseerde injectiegietmachine twee jaar geleden ontwikkeld voor het produceren van hybride componenten”, zegt Michael Stegelmann, chief commercial officer bij Anybrid. Hybride componenten verwijst naar het functionaliseren van een structuur – bijvoorbeeld een composietbuis of metalen elektrisch voertuig chassis – met injectiegoten plastic om lokale bevestigingspunten, verstevigingsribben, etc. te creëren.

Dit proces, aangeduid als overmolding of hybride injectiegieting, heeft de afgelopen 5-6 jaar veel aandacht gekregen, maar in een meer traditionele vorm – staalvormen in een pers met een aangehechte injectie-eenheid. Anybrid heeft deze opstelling in essentie geminiaturiseerd tot de rode en zwarte, C-vormige eind-effector getoond op de Kuka robot in de afbeelding hierboven en de video hieronder. Het resultaat is revolutionair, waardoor pultrusies of extrusies overmold kunnen worden zodra ze de vormmatrijz verlaten of grote structuren gefunctionaliseerd kunnen worden terwijl ze een assemblage lijn afdalen.

ROBIN

ROBIN, afkorting voor „robotized injection molding”, werd voor het eerst gepresenteerd in 2019 op de K-show in Düsseldorf, Duitsland. „We hebben toen het bedrijf opgericht en werken nu met klanten om pilotproductielijnen op te zetten met de apparatuur”, zegt Stegelmann. Het concept, legt hij uit, is om de massa van de injectiegietmachine te verminderen door kleine injectie-eenheden en compacte, goedkope vormhulzen te gebruiken die snel uitgeweisseld kunnen worden.

„De ROBIN eind-effector bestaat uit een C-frame van koolstofvezelcomposiet en aan de buitenkant zie je een aluminium frame”, legt Stegelmann uit. „De frame bevat het lichtgewicht vergrendelingssysteem, dat tot 12 ton belastingskrachten tijdens injectiegieten aan kan, gebracht van de bovenkant naar de onderkant van de vorm.” ROBIN kan ook uitsteken tot een 1-meter kragarm over grote structuren. „Dit is ons know-how binnen ILK – hoe koolstofvezel en lichtgewichtmaterialen op de juiste manier te gebruiken.”

De traditionele benadering van injectiegieten vereist grote pressen en dure vormhulzen. Daardoor is het beperkt tot grote series/hoge volume productie. In tegenstelling stelt ROBIN productie van kleine series of meerdere, verschillende vormingen op grotere componenten in staat. „Het principe is dat we zoveel flexibiliteit in de machines hebben dat we bijna elk composietmateriaal of structuur kunnen functionaliseren”, merkt Stegelmann op.

„We proberen de grootte van de vormen te minimaliseren om kosten te verlagen, dus je hebt maar een paar duizend euro nodig om de vorm te bouwen”, legt Stegelmann uit. „Dit stelt een geïntegreerd quick change-out systeem in staat omdat slechts een klein vormgebied gewijzigd hoeft te worden. Het idee is bijvoorbeeld dat je een assemblage lijn hebt met de mogelijkheid om snel de vorm te wijzigen en een ander deel op twee verschillende kanten van de lijn te doen. Je kunt ofwel twee Robin systemen gebruiken of één Robin systeem en snel de vorm wisselen. Dus je hebt hoge flexibiliteit.”

Deze verkleining van de grootte beperkt wel het gebied dat overmold kan worden. „Op dit moment zijn we beperkt tot 50-60 gram voor de injectieshot”, zegt Stegelmann. „We hebben ROBIN ontwikkeld om maar 140 kilogram te wegen, wat het mogelijk maakt om kleinere, betaalbaardere automatisering te gebruiken. We richten ons nu op het functionaliseren van buizen en profielen en het toevoegen van kleinere elementen aan grotere structuren.”

Een goede binding bereiken bij overmolding

„Dit is eigenlijk onze achtergrond”, zegt Stegelmann, verwijsend naar Anybrid's vier mede-oprichters. „We deden dit in veel projecten de afgelopen 10 of 15 jaar, verschillende materialen combineren en de juiste binding vinden, ik deed mijn PhD over extrusieprocessen, en het is altijd uitdagend wanneer je verschillende materialen combineert. Je hebt altijd enige additionele voorbereiding voor binding nodig zoals plasma-behandeling of laserbehandeling, om de oppervlaktestructuur te veranderen, met name bij het binden van plastic of versterkt plastic op metaal. Composieten zijn iets makkelijker, omdat je de polymere matrix in het injectiegietmateriaal en het substraat kunt matchen.”

Bijvoorbeeld, in de getoonde overmolded buis, leverde Mitsui Chemicals Europe (Düsseldorf, Duitsland) de koolstofvezel-versterkte polypropyleen (PP) unidirectionele (UD) tapes en INOMETA (Herford, Duitsland) gebruikte deze om composietbuizen te produceren, die Anybrid vervolgens overmoldde. „De functionalisatie was hetzelfde materiaal als waar de buizen van gemaakt zijn”, zegt Stegelmann. „We overmoldden het met zowel onversterkte als koolstofvezel-versterkte PP materiaal, maar ook met glasvezelversterkingen. Met ROBIN kun je produceren met elk thermoplastisch materiaal dat op de markt is.”

Het laatstgenoemde is waarom Anybrid zijn klanten assisteert met testen. „We krijgen klanten die niet zeker zijn of hun materialen aan elkaar zullen binden”, merkt Stegelmann op. „We vragen ze om ons wat van het materiaal te sturen en we maken dan enkele kleine, eenvoudige structuren om te testen. We hebben een kleine vorm voor een verstevigingsrib die we op verschillende platen kunnen injectiegieten. Als de klant ons bijvoorbeeld monsters van sommige composietplaten stuurt, kunnen we daarop overmolden met hun injectiegietmaterialen. Dat is de eerste stap, dat we een haalbaarheidsstudie hebben van het bindingsgedrag van de verschillende materialen. Daarna kunnen we enige analyse doen en suggesties voor optimalisatie aanbieden.”

Potentiële toepassingen

„We verkennen nog toepassingen, maar we werken initieel met buizen en profielen”, zegt Stegelmann. „Eén van onze ideeën is om achtereenvolgens verschillende structuren op deze continue, potentieel zeer lange vormen te brengen”, zegt Stegelmann. „Dus, elementen kunnen direct op buizen toegepast worden. Dergelijke concepten worden al gebruikt door INOMETA en Herone (Dresden, Duitsland) om axiale verbindingssystemen en vormsluitende tandwielen te integreren. Dit zou ook interessant kunnen zijn in de luchtvaartindustrie, waar je verschillende stijfheidsverbeteringen nodig hebt en misschien functies zoals bevestigingen wilt toevoegen. Ook, je kunt een stringer of frame hebben, maar veel variaties in lengte. Met onze technologie is er de mogelijkheid om een hoog niveau van automatisering te behouden en alleen de elementen te variëren die je functionaliseert van het ene deel naar het andere.”

„Er is ook potentieel met grote componenten”, zegt Stegelmann. „Door bij ILK te werken de afgelopen jaren, hebben we veel verschillende hybride componenten ontwikkeld met staal, plastic en composieten. We zagen dat overmoldde clips op structurele frames en chassis zinvol zijn voor assemblage. En met de overgang naar elektrische voertuigen en waterstofsystemen, zien we dat het belangrijk is om assemblagerijen en processen zo flexibel mogelijk te maken, om voor te bereiden op een verscheidenheid aan verschillende componenten die in de toekomst nodig kunnen zijn. Met ROBIN kun je lokale verbeteringen voor assemblage maar ook voor stijfheid van de structuur gemakkelijk aanpassen. Echter, we willen deze capaciteit uitbreiden voorbij alleen automotive en aerospace. Ons idee was om dit betaalbaarder te maken voor kleine bedrijven en deze hybride technologie voor kleinere hoeveelheden in andere velden en toepassingen mogelijk te maken.”