AOC, Zoltek, Astar innoveren high-performance CF-SMC voor industriële auto-onderdelen

Onder het door de VK-overheid gefinancierde onderzoeksproject TUCANA, heeft AOC AG (Schaffhausen, Zwitserland), met Astar (Biscay, Spanje), een nieuwe sheet molding compound (SMC) ontwikkeld op basis van Daron polyurethaan hybride technologie, die de productie van gehakte koolstofvezel gemouleerde onderdelen op industriële schaal mogelijk maakt met de mechanische prestaties van epoxy hars CF-SMC, en de productiegemak van onverzadigde polyesters hars (UPR) en vinylester hars (VER) SMC. Samen ondersteunt de CF-SMC de ontwikkeling van structurele auto-onderdelen met lage dichtheid, E-coat capaciteit en lage emissies, terwijl de ontwerpflexibiliteit typisch voor composieten behouden blijft. Het zal ook gebruikt worden in combinatie met Zoltek's (St. Louis, Mo., VS) lagere kosten split-tow vezel.

Uitdagingen traditionele harsystemen

"In de afgelopen jaren zijn nieuwe SMC-materialen op basis van koolstofvezel commercieel beschikbaar gekomen en worden nu op volledige industriële schaal toegepast om ultralichte structurele onderdelen te produceren die hun equivalenten in aluminium en staal overtreffen," legt Ron Verleg, senior R&D-wetenschapper bij AOC, uit. "Verschillende thermohardende harsystemen kunnen met het SMC-proces gebruikt worden, elk met zijn specifieke voor- en nadelen."

UPR's zijn de werkhars voor SMC-toepassingen, merkt AOC op, bieden goede mechanische eigenschappen, accepteren hoge vulstofbelading (verlaging van de compoundkost) en stromen goed in de vormkavel. Toch, wanneer gebruikt met koolvezels, resulteren de onvolledige benetting en slechte hechting van UPR op het koolvezelfoppervlak in gemouleerde onderdelen met lage mechanische eigenschappen.

Alternatief worden VER's voornamelijk gebruikt om hogere mechanische eigenschappen in het koolvezelfgemouleerde onderdeel te bereiken, hoewel het verdikken van VER's tot het vereiste niveau voor SMC-moulage een uitdaging is, en de viscositeit neigt te hoog te zijn om de fijnkoolvezelfilamenten volledig te impregneren, vooral wanneer hogere vezelvolume-fracties vereist zijn.

Verder zijn epoxyharsen (EPR's) ook fijn-afgesteld om hoge mechanische eigenschappen in SMC-onderdelen te bereiken. Het is echter uitdagend geweest om dit proces op een kosteneffectieve manier in hoog-volume toepassingen te draaien, zegt AOC. Het hoofdnadeel van EPR SMC-systemen is een moeilijke impregnering, rijping en moulageproces dat verschillende tijdrovende temperatuurstappen vereist.

Daron SMC technologie oplossing

Om deze problemen op te lossen, ontwikkelde AOC zijn Daron SMC-technologie, die voordelen biedt zoals verlengde opslagtijd voor het compound (tot zes maanden bij kamertemperatuur), en geoptimaliseerde stroom in compressiemoulage (complete vulling van de vormkavel, inclusief inserts en ribben), resulterend in een trekm modulus van 43 GPa, en trekkracht boven 300 MPa. Daron SMC heeft ook een styreen-scafenderende technologie die resulteert in een optimale radicale polymerisatie, leidend tot extreem lage vluchtige organische emissies (ver onder de 100 μg/g drempel ingesteld voor interieurtoepassingen).

"Vanwege de lage viscositeit van Daron harsen, kunnen de fijn filamentbundels van de koolvezel extreem goed geïmpregneerd worden tot hoge volumefracties," zegt Verleg. "Bovendien leidt de Daron SMC-technologie tot een ideale fysieke en chemische interactie tussen de gecurede harsmatrix en de koolvezel."

Zoltek split-tow vezel voor kostenreductie

Om de kostprohibitieve aard van CF-SMC in de composietenindustrie te elimineren, heeft koolvezelfabrikant Zoltek ook een lagere kosten 50K split-tow koolvezel ontwikkeld die geopend kan worden tijdens het SMC-compoundproces, terwijl het kleine tow (ruwweg 3K) koolvezelprestaties levert.

Beide technologieën — Zoltek's split-tow vezeltechnologie en AOC's Daron SMC-technologie — zijn ontwikkeld onder het TUCANA-project, geleid door Jaguar Land Rover (Whitley, VK), dat een consortium van academische en industriële partners bijeenbrengt met als doel stijvere en lichtere voertuigstructuren te leveren om de prestaties van geëlektrificeerde voertuigen (EVs) te boosten. Project TUCANA verwacht deze visie te realiseren door kosteneffectieve, schaalbare koolvezelscomposietoplossingen in te schakelen, inclusief de CF-SMC, die tot nu toe aan alle projectspecificaties voldaan heeft, inclusief mechanische sterkte en moulbaarheid; CF-SMC-panelen die door de productielijn verfshop lopen, hebben ook bewezen dat SMC gebaseerd op het Daron harsysteem geen delaminatie toont bij verwerking met gedefinieerde moulageparameters.

"Naast het gebruik voor de productie van structurele interieur auto-onderdelen, 'heeft dit nieuwe high-performance CF-SMC verder potentiële toepassingen zoals dynamisch belaste onderdelen zoals motor subframes en stuurknopen,'" concludeert Luuk Groenewoud, strategisch projectmanager bij AOC. "Dit maakt het materiaalsysteem een hoogst wenselijke oplossing voor toekomstige high-volume productieseries in auto-toepassingen."