Thermoformen onder de knie: Expert troubleshooting voor thermoplastische composieten

Let op: Informatie en afbeeldingen voor dit artikel zijn verkregen uit de cursus "Advanced Forming of Thermoplastic Composites" onderwezen door het ThermoPlastic composite Research Center (TPRC).

Thermoplastische composieten (TPC's) kregen eerst voordeel door de vraag naar snellere productiesnelheden in luchtvaart en andere lichtgewichttoepassingen. Onderdeelproductie in een kwestie van minuten maakte thermoformen (ook wel stamping genoemd) het meest voorkomende thermoplastische composietproces en de eerste om vliegende onderdelen in massa te produceren (zie "Inside a thermoplastic composites hotbed" en "Thermoplastic composites clip time ...").

Het proces begint met een blank – een pre-geconsolideerd thermoplastisch composiet laminaat met de vereiste lagenoriëntatie – en omvat de volgende stappen (Fig. 1): Blank voorbereiding (snijden en fixatie), blank verwarmen, transport naar vorm, blank positioneren, vormen, afkoelen, demoulden van het onderdeel en trimmen/afwerken. Het thermoformproces is een simpel concept maar omvat complexiteiten en uitdagingen die aangepakt moeten worden om herhaalbare, hoogwaardige composietonderdelen te bereiken.

Rimpelen vermijden

Een rimpel is een visueel en functioneel defect. Het kan beschreven worden als een out-of-plane buiging van het materiaal. De hoofdoorzaak is onvoldoende afschuifdeformaties, zoals tussenlaagglijden en in-plane afschuiving, tijdens verwerking. Rimpelen treedt voornamig op in dubbel gekromde oppervlakken. Overweeg de volgende acties om rimpelen te minimaliseren.

Voldoende pre-verhitting en snelle transport

Tijdens het vormen van de blank, moet de temperatuur boven de smelttemperatuur (T_m) van de TPC-matrix blijven om afschuifdeformatie toe te laten. Rekening houdend met het feit dat tijdens transport van de pre-verhittingsfase naar de vorm, de temperatuur significant kan dalen – mogelijk zoveel als 40-50°C in drie seconden. Dus pre-verhitting moet hoog genoeg zijn dat de polymere boven T_m blijft – of glasovergangstemperatuur (T_g) voor amorfe polymeren – na transport en tijdens vormen. Een koude blank zal niet goed vervormen en rimpelen ontwikkelen. Let erop om de blank niet te oververhitten om polymere degradatie te voorkomen.

Weefselweefstijl en opbouw

Harness-satin (HS) weefsels hebben betere drapbaarheid door gemakkelijkere in-plane afschuifdeformatie, wat helpt rimpelen te voorkomen. Drapbaarheid van geweven weefsels, van hoogst naar laagst, is als volgt: 8HS > 5HS > 2 x 2 twill > plain weave. 5HS weefsel is vaak een goed startpunt omdat het drapbaarheid en mechanische prestaties in evenwicht brengt. Blanks gemaakt met unidirectionele (UD) versterkingen neigen meer te rimpelen dan HS weefsels door hoge wrijving tussen de vezels die in-plane afschuiving weerstaan. Het toestaan van in-plane afschuiving is de sleutel tot succes met vormen van UD blanks, met name met dubbel gekromde oppervlakken.

Lagenoriëntaties zoals [0, 90, ±45]_s in een quasi-isotrope opbouw kunnen afschuifdeformatie remmen, wat rimpelen versterkt. Alternatief, cross-ply (bijv. [0, 90]) opbouwen helpen rimpelen te voorkomen omdat afschuiving niet beperkt wordt door andere lagen.

Fig. 2. Rimpelen en vervorming vermijden
Het halfbolvormige onderdeel toont veel kleine en grote rimpelen met een UD blank (links), terwijl alleen grote rimpelen zichtbaar zijn met een 8HS blank (rechts). Vervorming in deze composiet spar resultde uit vezelheroriëntatie door tool-ply wrijving in de flenzen. Foto credit: "Forming limits of thermoplastic composites" door D.J. Wolthuizen, et. al. (links) en "Rapid manufacturing of tailored thermoplastic composites by automated lay-up and stamp forming" door Tjitse K. Slange (rechts).

Blank voorbereiding en fixatie

Grijpers en spanners kunnen gebruikt worden om de blank in spanning te houden in gebieden die gevoelig zijn voor out-of-plane buiging. Het vinden van de geoptimaliseerde configuratie kan tijdrovend zijn, met meerdere iteraties vereist, maar het gebruik van proces simulatiesoftware helpt. Goede blank spanning voorkomt ook dat de blank doorzakt, wat problemen kan veroorzaken tijdens transport en vormen. Dergelijke problemen omvatten de blank die de vorm te vroeg aanraakt, wat te veel materiaal op de vorm kan plaatsen voordat draping kan plaatsvinden, resulterend in knikken en rimpelen. De blank kan ook doorzakken en de verhitters aanraken, wat schade aan de blank kan veroorzaken of het proces kan stoppen.

Het optimaliseren van de eindgeometrie van de blank en het snijden ervan tot een near-net vorm kan rimpelen voorkomen en afval verminderen. Snijden en darts kunnen ook helpen out-of-plane buiging te voorkomen door vezelspanningen te verminderen om betere vorming toe te laten.

Uitdagingen met vormontwerp overwinnen

Tijdens thermoformen en soortgelijke vormgevingsprocessen kan de vorm zelf uitdagingen opleveren. Goed vormontwerp kan helpen issues met vormkosten, verhitting, onderdeeldefecten en demoulden te voorkomen.

Vormhulpmaterialen

Om het juiste materiaal voor een thermoformtool te kiezen, overweeg de materialen die gebruikt worden voor het eindonderdeel, aangezien deze de vereiste vormtemperatuur (T_mold) zullen beïnvloeden. Bijvoorbeeld, volgens de vuistregel T_mold = (T_m + T_g)/2, zal een onderdeel gemaakt van versterkte PPS (polyfeenyleensulfide T_m = 280°C) een T_mold van ongeveer 180°C vereisen. (Amorfe en half-kristallijne thermoplastische polymeren hebben een T_g, maar half-kristallijne polymeren hebben ook een T_m.) Een metalen vorm is dus vereist om voldoende warmte te geleiden van de plaat van de verwarmde pers of een verwarmde tool voor vormgeving van het onderdeel. Geleiding is ook nodig voor efficiënte onderdeelafkoeling. Echter, voor een onderdeel gemaakt met versterkte PMMA (polymethylmethacrylaat), wat een veel lagere T_g heeft (~100°C), zou een houten of epoxy tool bij kamertemperatuur voldoende kunnen zijn.

Overwegingen omvatten ook de huidige ontwikkelingsfase en beschikbare budget, maar ook het aantal onderdelen dat van de tool geproduceerd moet worden. Tijdens verwerking worden vormtools blootgesteld aan wrijving, hoge temperatuur en druk. Omdat hout en epoxy lagere hitteresistentie en belastingdraagvermogen hebben vergeleken met metalen, zullen vormen gemaakt van deze materialen een kortere levensduur hebben en zijn meer geschikt voor kleine-volume productie, terwijl metalen tools verkozen zullen worden voor hoge-volume productie.

Een ander materiaalsysteem om te overwegen voor tooling is metaal-rubber, waarbij de ene helft van een gepaste set metaal is en de andere rubber. Dit stelt productieflexibiliteit in en kan gebruikt worden voor onderdelen met grotere tolerenties. Een metaal-rubber tool biedt ook uniforme hydrostatische druk, wat gunstig is in flensgebieden en in blanks met diktevariaties, typisch voor maatwerk blanks gemaakt met meerdere UD-lagen.

Deze inherente toepassing van hydrostatische druk is ook een voordeel wanneer hetzelfde onderdeel geproduceerd wordt bij meerdere verschillende diktes, wat de kosten van afzonderlijke vormen voor elke dikte elimineert. Bij het ontwerpen van een metaal-rubber tool is het belangrijk om ook de volgende nadelen en uitdagingen te overwegen:

• De metaalkant van de tool zal een gladde afwerking produceren vs. de rubber.
• Metaal-rubber tools zullen een orde van grootte hogere thermische uitdijtingscoëfficiënt (CTE) hebben vs. alle-metaal tools.
• Vanwege lagere thermische geleiding vs. metaal, zal afkoelen iets langer duren en meer lag creëren in temperatuurcontrole respons.
• Verhoogde slijtage en veroudering zullen resulteren in een kortere levensduur vs. alle-metaal tools.

Vormen en demoulden

Goed vormontwerp zorgt voor voldoende druk, optimale draping, helpt defecten voorkomen en bevordert veilige onderdeelverwijdering. Hoewel er veel issues zijn met betrekking tot vormen en demoulden, zijn verschillende van de meest belangrijke:

• Druk. Tijdens thermoformen kan lage druk leiden tot slechte consolidatie, verminderde mechanische eigenschappen en out-of-tolerance onderdeelafmetingen. Voor een gepaste metaal-metaal tool, elimineer eindstops zodat de continue druk op het laminaat niet voorkomen wordt door de gat die de eindstops creëren.
• Materiaal intrekken toestaan. Om uitdijting van de rubberkant van de vorm tijdens persen (bekend als barreling) te voorkomen, wat beweging van het materiaal tijdens persen (intrekken) kan blokkeren, plaats de rubber op de vrouwelijke kant van het vormhulpmiddel (zie Fig. 3).
• Onderdeelverwijdering. Voor L-vormige onderdelen, ontwerp de vorm met de gewenste L-hoek getild naar een V, wat wrijving met de tool vermindert en gemakkelijke onderdeelverwijdering toestaat. Voor doosvormige onderdelen, gebruik een trekhoek van 1-2 graden voor elke zijde; hogere hoeken kunnen nodig zijn voor diepere onderdelen.

Fig. 3. Vormontwerp voor materiaal intrekken en demoulding

Vervorming en spring-in

Vervorming en spring-in zijn vormverstoringen veroorzaakt door anisotrope materiaaleigenschappen en oneffen harsafkoeling die optreden nadat het onderdeel gevormd is en kunnen leiden tot out-of-tolerance onderdeelafmetingen, wat problemen met montage kan veroorzaken en onderdelen kan laten schrotten. Vervorming treedt op wanneer een gebied van hoge in-gevormde spanning binnen een onderdeel intersecteert met een gebied van lage in-gevormde spanning. Dat spanningsonbalans wordt verlicht door het hoge-spanningsgebied het lage-spanningsgebied te vervormen, resulterend in buigen of draaien van het laminaat.

Spring-in treedt op in gekromde panelen of in onderdelen met hoeksecties wanneer in-gevormde spanning muursecties naar binnen laat vervormen onder een hoek kleiner dan de als-ontworpen hoek. Dit gebeurt vaak in vezel-versterkte composieten vanwege hun anisotrope eigenschappen. Onderdeelgeometrie is ook een factor. Differentiële krimp tussen in-plane (lage CTE in de vezelrichting) en door-dikte (hoge CTE van de matrix), kan een hoekafname van 1-3 graden veroorzaken.

Het adresseren van vormverstoringen kan duur en tijdrovend zijn. Het gebruik van simulatie- en ontwerphulpmiddelen wordt ten zeerste aanbevolen voor snellere onderdeelontwikkeling. Zoek naar de volgende mogelijke oorzaken en oplossingen bij vervorming:

• Procesparameters. Vormtemperatuur beïnvloedt door-dikte eigenschappen geassocieerd met kristallisatie en viscoelastische effecten, wat vervorming kan beïnvloeden. Het verlagen van de vormtemperatuur kan spring-in verminderen maar interne spanningen verhogen, wat kan leiden tot spring-in zodra vrijgegeven. Deze onzekerheid moet zorgvuldig onderzocht worden. Hoge druk en vormsnelheid kunnen ook spring-in verminderen en mogelijk het tegenovergestelde probleem – spring-back – bevorderen door tussenlaagglijden te beperken. Het verhogen van de wachttijd kan ervoor zorgen dat de matrix volledig verzold is en residuele warmte elimineert, wat krimp na onderdeelverwijdering vermindert, en dus spring-in.
• Vormontwerp. Compenseren voor spring-in kan gedaan worden door muurhoeken in de vorm te veranderen. Ook, zoals vermeld, bevorderen metalen vormen meer uniforme afkoeling en kunnen helpen het risico op vervorming te verminderen, met name in dikke onderdelen.
• Opbouw. Symmetrische opbouwen worden vaak gebruikt om vervorming te mitigeren, maar tijdens thermoformen kan vezelheroriëntatie optreden, wat leidt tot asymmetrie en vervorming. Een andere manifestatie van asymmetrie is harsmigratie tijdens radiusvorming (inclusief hoeken). Dit veroorzaakt vezelherverdeling en lokale veranderingen in vezelvolume fractie wat anisotropie en vervorming bevordert. Verschillende opbouwen en opbouwsequenties gedragen zich anders als vezels reageren op spanningen, wat op zijn beurt vervorming beïnvloedt. Simulatie- en voorspellingshulpmiddelen kunnen helpen dit complexe materiaalgedrag aan te pakken.

Hoewel het thermoform/stamping proces meerdere parameters en complexe materiaalgedragingen omvat, zijn er basisprincipes en acties die succesvolle ontwikkeling kunnen leiden. Met de toenemende implementatie van gethermoforme TPC-onderdelen, en met name UD maatwerk blanks, worden nieuwe uitdagingen aangepakt met innovatieve oplossingen en verbeterde ontwerp/simulatiehulpmiddelen.