Automotief ontwerp revolutioneren: De eerste gebogen gepultrudeerde componenten

Pultrusie is een van de oudste vormgevingsprocessen voor thermoharde composieten en wordt gezegd het eerste continu vezel thermoharde vormgevingsproces te zijn. Vandaag de dag wordt het gebruikt om producten te produceren variërend van utiliteitspalen tot vensterframes, alsook ladders, wapeningsstaven en windturbinecomponenten. Gemakkelijk te automatiseren met lage arbeid, en in staat om hoog structurele componenten — sommige vrij groot — tegen redelijke kosten en snelheid te produceren, kan traditionele pultrusie profielen produceren (hol of massief, symmetrisch of asymmetrisch) in bijna elke vorm die door een matric kan worden geperst. Echter, die vorm moet een constante doorsnede/dikte hebben. Ook, in tegenstelling tot thermoplastische extrusie of extrusie van metalen buizen en pijpen — waar druk en warmte tijdens productie op profielen toegepast kunnen worden, of achteraf op afgeronde onderdelen, om ze in nieuwe vormen te buigen — is het moeilijk geweest om pultrusie te gebruiken om iets anders te produceren dan rechte, lineaire profielen. Dat heeft natuurlijk het gebruik van pultrusie in veel industrieën beperkt, met name in hoge-volume segmenten zoals automobiel, die graag pultrusie zou willen gebruiken behalve dat er niet veel rechte balken op auto's zijn die goede kandidaten zouden zijn.

Dat begint te veranderen dankzij Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG (TTI, Bremervörde, Duitsland), die een gepatenteerd proces heeft ontwikkeld om veel van de beperkingen van traditionele pultrusie te overwinnen. In feite, de eerste gebogen gepultrudeerde automobiele-onderdeel is net in commerciële productie gegaan met de lancering van de 2020 Chevrolet Corvette sportwagen door General Motors Co. (Detroit, Mich., VS) (zie het volledige artikel over de Corvette gepultrudeerde achterbumperbalk). Tier 1-leverancier Shape Corp. (Grand Haven, Mich., VS) produceert een gebogen achterbumperbalk voor de auto met behulp van TTI's radius-pultrusie moving-mold-proces in koolstofvezel-versterkte polyurethaan-acrylaat.

Hier is waarom dat een groot ding is.

Bewegend vs. stationair

In conventionele lineaire pultrusie wordt een heen-en-weer treksysteem met grepers gebruikt om droge versterkingen van hun kreels te trekken, door een bad waar ze geïmpregneerd worden met vloeibare thermoharde hars. Vervolgens worden de geïmpregneerde versterkingen in een stationair verwarmde matric getrokken waar het profiel gevormd en volledig uitgehard wordt. Bij het verlaten van de matric koelt het bewegende profiel af (nog steeds getrokken door de pull-off unit) en wordt het op lengte gezaagd en verpakt.

Initieel was vezelversterking strikt beperkt tot unidirectionele rovings — met andere woorden, continue glas-, koolstof- of andere vezels georiënteerd op 0 graden ten opzichte van de trek-as. Echter, in de loop van de tijd zijn diverse multiaxiale stoffen — zowel weefsels als non-crimp fabrics (NCF) — geïntegreerd in gepultrudeerde profielen, wat een bereik van vezeloriëntaties zonder vervorming/vezelbeweging mogelijk maakt. Bijna elk thermohards harsysteem kan gebruikt worden om versterkingen in pultrusie te impregneren, hoewel een significant aantal toepassingen polyurethaan gebruikt. In recentere decennia is pultrusie zelfs gewijzigd om gebruik van prepolymeriseerde thermoplastieken toe te staan.

Veel kenmerken van conventionele pultrusie zijn op hun kop gekeerd in TTI's radius-pultrusie-proces, maar het belangrijkste aspect om te begrijpen is dat bij radius-pultrusie de matric niet stationair is; eerder beweegt het en trekt het materiaal om ofwel een lineaire constante doorsnede of een constant gebogen profiel te creëren.

De matric, of een serie matricen, beweegt niet alleen heen en weer over het profiel, het vormt en hardt het materiaal uit terwijl beide vooruitgaan over een baan — in dit geval met het profiel dat in één richting beweegt en de matric in beide richtingen — maar de matric trekt ook de droge versterkingen door het harsbad en het uitgehardde profiel langs naar de grepers en zaag. Om een lineaire doorsnede te produceren, bewegen zowel matric als profiel langs een rechte sectie van de baan; om een gebogen doorsnede te produceren, bewegen de matric en profiel langs een gebogen sectie van de baan.

"In deze technologie vervangt de matric effectief de heen-en-weer-trekker, die vervangen wordt door stationaire grepers die openen en sluiten maar anders niet bewegen," legt Sebastian Mehrtens, TTI-hoofdverkoop, uit. "De grepers sluiten en ondersteunen het uitgehardde profiel wanneer het een vooraf gespecificeerde lengte bereikt en klaar is om te zagen, maar blijven anders open en laten het profiel naar de zaageenheid bewegen." Om risico op vezeluitrekking van het hete materiaal te verminderen, zijn verwarmde matricen verchroomd.

Bovendien is het diminutieve systeem veel makkelijker te verzenden, kan met alleen een heftruck verplaatst worden, is sneller op te zetten dan conventionele lijnen en vereist veel minder ruimte op een fabriekvloer. "Dit kan interessante voordelen hebben in sommige toepassingen," merkt Mehrtens op. "Bijvoorbeeld, de machine kan in de buurt van een brugvernieuwing opgezet worden om structurele elementen te produceren zoals nodig. Of, het kan opgezet worden als een nieuwe snelweg aangelegd wordt en wapeningsstaven produceren die op maat gesneden kunnen worden direct op de bouwplaats." Nog een voordeel van pullCUBE is werkveiligheid, aangezien de unit volledig ingekapseld is en operators hun handen niet zullen branden op hete hulpmiddeloppervlakken of geklemd zullen worden door grepers of gesneden door de zaag.