2-minuten thermoplastische overmolding van thermoharders: Eén-cel proces voor auto-composieten

Geautomatiseerd prevormen van thermoplastische banden en daaropvolgende hybride vorming - thermovorming en spuitgiet-overmolden van ribben, klemmen en bussen op onderdeeloppervlakken - worden geprezen als de toekomst voor composietproductie in hoge-volume toepassingen zoals auto. Maar wat als het mogelijk was om de toughness van thermoplastieken en functionaliteit van gespuitgoten kenmerken te combineren met de hoge prestaties van koolstofvezel-versterkte epoxy-onderdelen?

Dit is wat het driejarige project OPTO-Licht, dat in 2018 eindigde, uitvond. Het werd gefinancierd door Duitsland's Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als onderdeel van zijn strategie om fotonica - licht-gebaseerde technologie zoals lasers - te ontwikkelen voor massaproductie van lichtgewichtconstructies. Het project werd toegekend aan het Aachen Center for Integrative Light Construction (AZL) aan de RWTH Aachen Universiteit (Aachen, Duitsland), wat een enkele campus biedt voor bedrijven om te samenwerken met acht onderzoeksinstituten om lichtgewichtmaterialen, productietechnologieën en toepassingen te ontwikkelen.

OPTO-Lichts duidelijke prestatie is het combineren van de hoge stijfheid, lichte gewicht en lage kreep van epoxy-gebaseerde koolstofvezel-versterkte plastic (CFRP) met de hoge ontwerpvrijheid en lage cyclus tijden van thermoplastische overmolding. Maar dit is slechts een van de talloze potentiële composietindustrie-verstorers die het project heeft bereikt, inclusief:

• Ontwikkeling van laser-voorbehandeling voor het hechten van thermoplastisch aan 3D thermoharde oppervlakken;
• Integratie van drie technologieën - reactie polymer verwerking, laserverwerking en overmolden - in een enkele, snelle cyclus tijd productiecel;
• Horizontale prepreg compressievorming (HPCM) waar materialen verticaal bevestigd zijn voor verwerking in een standaard spuitgietmachine;
• Ontwikkeling van een enkele roterende vorm die alle vereisten integreert voor prepreg compressievorming en thermoplastische overmolden;
• Optische onderdeelreferentiemethodologie voor cruciale uitlijning van laser-voorbehandeling en overmolden langs een vrijvorm 3D-oppervlak;
• Demonstratie van dit proces om een 3D structureel deel van het vloerpaneel voor de BMW i3 elektrische voertuig's Life Module te produceren met een 2-minuten cyclus tijd.

Inderdaad, het project's april 2018 eindrapport stelt dat deze technologie auto CFRP-onderdeelkosten met tot 30 procent kan verminderen versus huidige productie met natte compressievorming en lijmen van enkele onsets voor klemmen (zie Fig. 2).

Thermoplastisch tot thermohard partners

Waarom thermoplastische overmolden hechten aan een thermohard composietonderdeel? "Thermoharde CFRP-onderdelen gemaakt met epoxyhars bieden de beste kenmerken voor karosserietoepassingen", stelt AZL-onderzoekingenieur Richard Schares. Overmolden thermoplastische composietribben verhoogt de ontwerpstijfheid (sectiemodulus) van het onderdeel, wat de hoeveelheid benodigde koolstofvezel vermindert. "Met een ribdikte gelijk aan die van de CFRP-schelp, kan de specifieke buigstijfheid van het OPTO-Licht demonstratie-onderdeel verdrievoudigd worden", voegt hij toe. Overmolden kan de onderdeelskosten verder verlagen door gevormde bevestigingsklemmen of bussen voor schroeven te bieden terwijl gelijktijdig isolatie geleverd wordt om galvanische corrosie tussen de koolstofvezel en metalen bevestigingsmiddelen te voorkomen.

Dus, het doel was gedefinieerd, maar het issue was hoe beide materialen in een enkele vormcel te combineren. Schares legt uit hoe de industriële partners geselecteerd werden. "BMW had de meeste ervaring met seriële productie van CFRP-onderdelen. KraussMaffei was erg proactief in het creëren van combinatietechnologieën, zoals zijn ColorForm multi-component spuitgietmachine en FiberForm hybride vormmachine."

Het OPTO-Licht demonstratie-onderdeel was een 470-millimeter lange bij 317-millimeter brede bij 130-millimeter diepe portie van de BMW i3 Life Module vloer, inclusief de eindmuur bij de wielkast. "De belastinggevallen van dit onderdeel vereisen goede stijfheid en sterktekenmerken in geval van een crash", legt Schares uit. "We wilden ook complexiteit van vorm en draping om de horizontale prepreg compressievorming, laserablatie en overmolden langs een vrijvorm oppervlak te bewijzen."

Waarom fotonica?

Duitsland heeft een langetermijnstrategie gefinancierd om fotonicatechnologie te blijven ontwikkelen vanwege de cruciale rol die het speelt in de huidige mondiale digitale transformatie van productie. De composietenindustrie zou er goed aan doen om erop te letten, want fotonica maakt niet alleen geavanceerde verwerking mogelijk zoals geautomatiseerde vezelplaatsing, laserlassen van thermoplastieken, precisiebewerking en diverse 3D-printprocessen, maar ook sensoren en visuele communicatie voor metrologie, procesmonitoring en inline inspectie. In OPTO-Licht werd een near-infrarood (NIR) laser gebruikt om oppervlakken voor overmolden voor te behandelen; bovendien leverden diverse laser-gebaseerde sensoren data voor procescontrole en inline kwaliteitsborging (QA).

De laatste vier OPTO-Licht partners zijn Duitse fotonische systemenleveranciers. De eerste, Arges (Wackersdorf), is expert in 3D-scanners gebruikt voor lasermachining. "Het ontwikkelt typisch innovatieve laserscansystemen, positionering en afbuiging van laserstralen in industriële materialenverwerking en medische toepassingen", zegt Schares. "Een Arges dubbele-balk eenheid werd ontwikkeld voor ablatie en verhitting. Precitec (Gaggenau) leverde de interferometrische sensor voor afstandmeting gebruikt tijdens ablatie en onderdeelreferentie doorheen het proces. Sensortherm (Sulzbach) leverde de pyrometer (temperatuursensor) die procescontrole hielp, en Carl Zeiss Optotechnik (voorheen Steinbichler, Neubeuern) droeg de T-scan laserscanner bij voor QA. "Het meet onderdeelgeometrie en detecteert potentiële vervorming", legt Schares uit. "Het toont defecten, zoals de overmoldede rib niet volledig gebonden aan de CFRP-schelp." Al deze systemen zijn geïntegreerd in de multifunctionele laserscanner (Fig. 2), gemonteerd aan het einde van een zes-as Kuka (Augsburg, Duitsland) robotarm.

HP-RTM naar prepreg-band

Het initiële idee was om de epoxy CFRP-onderdelen te maken met C-RTM, een soort hoogdruk hars overdracht vorming (HP-RTM) ook bekend als gat impregnatie, ontwikkeld door het IKV Instituut voor Kunststofverwerking. Echter, tijdens deze tijd, begonnen geautomatiseerde band-gebaseerde processen vloeistofvorming van non-crimp fabric (NCF) te challenge, met een gerapporteerde 30 procent reductie in snijafval. Snap-uitharding vloeibare epoxyharsen werden ook uitgebreid tot prepreg-materialen, wat compressievorming aantrekkelijk maakte, met een potentiële cyclus tijd van één tot twee minuten.

Vier unidirectionele prepregs werden geëvalueerd voor de demonstrator-schelp. Deze werden omgezet in net-gevormde, 2D afgestemde blanks met behulp van Broetje-Automation's (Rastede, Duitsland) STAXX bandplaatsingscel.

De gevormde CFRP-schelpen zouden dan overmold worden met 30-procent korte glasvezel-versterkte polyamide 6 (GF/PA6) met behulp van Lanxess (Keulen, Duitsland) Durethan BKV 30 H2.0 901510. Een KraussMaffei CXW-200-380/180 SpinForm spuitgietmachine werd gekozen als fundament voor de OPTO-Licht productiecel en geïnstalleerd op AZL. Het heeft zwenkwieren-technologie ontwikkeld om multi-component spuitgieten mogelijk te maken.

De aan de zwenkwieren bevestigde vorm werd gebruikt om twee verschillende vormgaten te vormen voor twee verschillende processen - epoxy prepreg compressievorming en thermoplastische spuitgiet-overmolden. "Niemand heeft zo'n tool ooit gemaakt", wijst Schares erop. BMW en KraussMaffei besteeden veel weken aan het finaliseren van alle vereisten voor beide processen, inclusief toleraties door verschillende temperatuurzones, draai-nauwkeurigheid en afdichting voor de thermoharde hars, alsook de standaarddetails voor spuitgietvormen.

Laserablatie en onderdeelreferentie

De epoxy CFRP-schelp resultaat uit het compressievormingsproces moet behandeld worden voor thermoplastische overmolden om voldoende hechtsterkte tussen de uiteenlopende materialen te bereiken. Laserablatie biedt een milieuvriendelijk, eén-stap proces vergeleken met mechanische of chemische voorbehandeling en stelt een precise ablatiediepte en -pad in, goed geschikt voor het hechten van ribben aan onderdelen langs 3D-oppervlakken. De ablatie-methode omvat het blootleggen van de koolvezels door lokaal de bovenste 10-micron-dikke laag epoxyhars te verwijderen. Dit reinigt het oppervlak en produceert een microstructuur die het overmoldingscompound in staat stelt te benatten en in de blootgelegde vezels te infiltreren.

De multifunctionele laserscanner emiteert een laserbundel met een golflengte van 1,064 nanometer in nanoseconde pulsen. "Je hebt hoge intensiteit nodig, en pulseren bereikt dit het meest efficiënt", legt Schares uit. "We probeerden een continue golf laser, maar het introduceert te veel thermische stress in het composietlaminaat onder de hechtzones, wat de vezel-epoxy hechting verlaagt. Een procesgeschikte straalbron vinden die gebruikt kan worden voor remote-verwerking in een industriële omgeving was niet makkelijk."

Omdat de overmoldede ribben moeten overeenkomen met de voorbehandelde gebieden, vereist het ablatieproces hoge positioneringsnauwkeurigheid. Het daaropvolgende plaatsen van het overmoldede glasvezel/PA6 composietmateriaal is strikt gedefinieerd door de vormtool. Dus, een noodzakelijke onderdeelreferentiemethodologie werd ontwikkeld door AZL. "De offset tussen de voorbehandelde geometrie en overmolded compound moet minder dan 300 micron zijn. Dus, nauwkeurigheid voor het centrale punt van het laserscan-veld (tool center point) moet binnen 150 micron zijn ten opzichte van het referentiepunt. Dit werd bereikt, alsook een cyclus tijd van minder dan twee minuten voor de laser-voorbehandeling. "Zeer belangrijk was het voorlopige werk van Fraunhofer Instituut voor Productietechnologie (IPT) om padgeneratie voor de robot en laserbundel te ontwikkelen - dit was niet triviaal", zegt Schares. Het systeem bewijz inderdaad zijn waarde - testresultaten toonden een afschuifsterkte van 27 MPa tussen de GF/PA6 overmold en epoxy CFRP-substraat.

Kortere procesroutes

Zelfs als de voordelen van het initiële proces gedocumenteerd werden, realiseerde het OPTO-Licht-team dat het mogelijk was om de laser-voorbehandeling te elimineren. Dit tweestapsproces zou de epoxy prepreg-schelp slechts deels uitharden en de resterende reactiviteit in de epoxyhars gebruiken om hechten met de thermoplastische overmolden te bereiken. Drie potentiële mechanismen bestaan voor hechten tussen ongeharde epoxy en PA6:

• Covalente binding tussen reactieve epoxy-ringen en PA-aminegroepen;
• Waterstofbindingen met amine's waterstof als donor en epoxy's zuurstof als acceptor;
• Semi-interpenetrerende netwerken door diffusive effecten, mogelijk door hoge-temperatuur mobiliteit van de PA-moleculaire ketens.

Het voordeel van deze tweestapsprocesroute, zegt Schares, "is dat je de voorbehandeling kunt overslaan, maar de vereiste procescontrole is veel meer uitdagend en de oppervlaktekwaliteit is niet zo hoog-glans. Echter, verdere kostenreductie door vereenvoudiging van productie is zeer aantrekkelijk."

De sleutel tot deze procesroute is procesmonitoring. "Je moet naar binnen kijken in het prepreg compressievormingsproces omdat kennis over de uithardingstoestand zeker moet zijn om een goede hecht met de thermoplastische overmolden te bereiken", legt hij uit. Deze uithardingstoestandmonitoring werd bereikt door gebruik te maken van in-vorm druk- en temperatuursensoren, alsook in-vorm directe stroomweerstand (DCR) en dielektrische analyse (DEA) sensoren.

DCR en DEA zijn welbekend voor uithardingsmonitoring in composieten. In OPTO-Licht omvat de DCR/DEA-procescontrole een Optimold-systeem van Synthesites (Uccle, België) inclusief een duurzame 16-millimeter DCR-sensor en Optiview-software. Optimold monitort de hars' elektrische weerstand en temperatuur tot 210°C en druk van 90 bar met een bemonsteringssnelheid van 1 Hz. De DEA288 Epsilon analytische apparatuur van Netzsch Gerätebau (Selb, Duitsland) omvat een 4-millimeter keramische monotrode en Proteus-software. Kistler Instruments (Winterthur, Zwitserland) DataFlow-software voor spuitgietoptimalisatie is een ander cruciaal onderdeel.

Het proces, beginnend met fixatie van de prepreg-prevorm in de vorm en eindigend met uittrekking uit de spuitgiet-overmoldingscaviteit, wordt beschreven door de DCR/DEA-sensorsignalen. Deze data zijn cruciaal voor het bepalen van de optimale uithardingstijd in compressievorming voordat de omzwen naar spuitgieten voor uithardingsvoltooiing en overmolden. De sensoren helpen het materiaal te karakteriseren tijdens verwerking voor optimale onderdeelkwaliteit. In de toekomst kan het proces adaptief en intelligent zijn, met procesomschakeling getriggerd door DEA- en DCR-sensorsignalen.

Initiële tests tonen een afstrijksterkte van 9 N/mm² en een nog hogere afschuifsterkte voor de epoxy-PA6 hecht met deze tweede, kortere OPTO-Licht-procesroute. Werk is gaande om deze hechtsterkte te verbeteren, inclusief verder gebruik van procesmonitoring. Het team verkent ook een een-stap proces waarbij horizontale prepreg compressievorming geen apart proces meer is, maar in plaats daarvan gelijktijdig met overmolden bereikt wordt.

Hybridisering voor toekomstige disrupte

OPTO-Lichts potentieel voor disrupte werd erkend met de AVK Innovatieprijs voor de onderzoek- en wetenschapscategorie in 2017. Het project's 2018 eindrapport stelt dat voor composieten om kostenpariteit met metaal in serie auto-productie te bereiken, het niet alleen nodig is om de integratie van functies in onderdelen te maximaliseren, maar ook de integratie van de processen die gebruikt worden om die onderdelen te produceren. OPTO-Licht heeft een reeks technologieën ontwikkeld, inclusief fotonica-gebaseerde metrologie, oppervlaktebehandeling en thermoplastisch/thermohard vorming, die beide mogelijk maken. Deze technologieën openen ook de deur voor verdere hybride processen, zoals laserverwerking om spuitgieten te augmenteren. "Door de ontwikkelde lasertool in de vormcel te integreren, heb je nu de mogelijkheid om laserablatie, snijden, voorbehandeling of verhitting uit te voeren voor, tussen of na polymere processen binnen de spuitgietmachine", legt Schares uit. "Dit vergroot de functionaliteit van toekomstige onderdelen."

Het idee van het combineren van meerdere productieprocessen in een enkele werkcel wint momentum in composieten. Bijvoorbeeld, veel CNC-machinefabrikanten bieden nu cellen aan die additieve productie en aftrekkende CNC-bewerking combineren. MF Tech (Argentan, Frankrijk) heeft 3D-filamentwinding en CNC-machining gecombineerd, en medeoprichter Emanuel Flouvat bevestigt verdere hybridisering, met robots die in staat zijn eindwerkzaamheden uit te wisselen naar een ultrasonische of laserlaser voor het hechten van thermoplastieken, of een geautomatiseerde vezelplaatsingskop om lokale patches van unidirectionele band toe te passen. "Door een robot-geleid lasersysteem te integreren, wordt de 'toolbox' voor de definitie van verdere inline combinatietechnologieën uitgebreid", zegt Schares. Dit is een andere significante stap vooruit in deze vooruitgang naar geautomatiseerde, multi-proces composietproductie die ongetwijfeld binnenkort elektronica in eindproducten zal integreren.

De laatste les die OPTO-Licht biedt in hybridisering zit in zijn partnerschap. "De meest interessante uitdaging in het managen van dit project was hoe al de verschillende partners, elk met hun unieke expertise - bijv. fotonica, reactie polymeren, spuitgieten, metrologie - te laten ontwikkelen en een gemeenschappelijk begrip van de effecten van elke operatie te verwerken om deze enkele procesketen succesvol te maken", zegt Schares. Hij benadrukt het belang van de expertise en ondersteuning bijgedragen door vijf partnerinstituten - IKV spuitgieten, IKV reactie polymeren, ISF voor lassen en hechten, Fraunhofer IPT voor laserintegratie en Fraunhofer ILT voor alternatieve laserbronnen. "Dit project heeft de capaciteit van dergelijke interdisciplinaire ontwikkeling getoond om technische uitdagingen voor kostenreductie in composietproductie efficiënt op te lossen", zegt Schares. Het heeft ook de grondslag gelegd voor nog verder verstoorde innovatie.

Bekijk een video van het OPTO-Licht geïntegreerde proces op https://youtu.be/b9HmgnuGQY0.