Thermoplastische overgegoten thermoharders, cyclus van 2 minuten, één cel

Geautomatiseerd voorvormen van thermoplastische tapes en vervolgens hybride gieten - thermovormen en spuitgieten van ribben, clips en nokken op onderdeeloppervlakken - is aangekondigd als de toekomst voor composietproductie in grootschalige toepassingen zoals de automobielindustrie. Maar wat als het mogelijk zou zijn om de taaiheid van thermoplasten en de functionaliteit van spuitgegoten onderdelen te combineren met de hoge prestaties van met koolstofvezel versterkte epoxyonderdelen?

Dit is wat het driejarige project OPTO-Light, dat eindigde in 2018, wilde beantwoorden. Het werd gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) als onderdeel van zijn strategie om fotonica - op licht gebaseerde technologie zoals lasers - te ontwikkelen voor massaproductie van lichtgewicht constructies. Het project werd toegekend aan het Aachen Center for Integrative Light Construction (AZL) van de RWTH Aachen University (Aken, Duitsland), dat een enkele campus biedt voor bedrijven om samen te werken met acht onderzoeksinstituten om lichtgewicht materialen, productietechnologieën en toepassingen te ontwikkelen.”

De voor de hand liggende prestatie van OPTO-Light is het combineren van de hoge stijfheid, het lichte gewicht en de lage kruip van op epoxy gebaseerde koolstofvezelversterkte kunststof (CFRP) met de hoge ontwerpvrijheid en lage cyclustijden van thermoplastische overmolding. Maar dit is slechts een van de talloze potentiële disruptors van de composietenindustrie die het project heeft bereikt, waaronder:

• Ontwikkeling van laservoorbehandeling voor het verbinden van thermoplastische tot 3D thermohardende oppervlakken;
• Integratie van drie technologieën — verwerking van reactiepolymeer, laserverwerking en overmolding — in een enkele productiecel met snelle cyclustijd;
• Horizontaal prepreg compressievormen (HPCM) waarbij materialen verticaal worden aangebracht voor verwerking in een standaard spuitgietmachine
• Ontwikkeling van een enkele roterende mal die alle vereisten voor prepreg compressievormen integreert en thermoplastische omhulling;
• Referentiemethode voor optische onderdelen voor kritische uitlijning van laservoorbehandeling en overmolding langs een vrijgevormd 3D-oppervlak;
• Demonstratie van dit proces om een ​​structureel 3D-gedeelte van het vloerpaneel voor de BMW i3 te maken Levensmodule van elektrisch voertuig met een cyclustijd van 2 minuten.

In het eindrapport van het project van april 2018 wordt inderdaad beweerd dat deze technologie de kosten van CFRP-onderdelen voor auto's tot 30 procent kan verlagen ten opzichte van de huidige productie met behulp van nat persgieten en lijmen van enkelvoudige aanzetstukken voor clips (zie figuur 2).

Thermoplastische tot thermohardende partners

Waarom thermoplastische overmolding aansluiten op een thermohardend composietonderdeel? "Thermoset CFRP-componenten gemaakt met epoxyhars bieden de beste eigenschappen voor carrosserietoepassingen", stelt AZL-onderzoeksingenieur Richard Schares. Overmolding van thermoplastische composietribben verhoogt de ontwerpstijfheid van het onderdeel (sectiemodulus), waardoor de benodigde hoeveelheid koolstofvezel wordt verminderd. "Door een ribdikte te gebruiken die gelijk is aan die van de CFRP-schaal, kan de specifieke buigstijfheid van het OPTO-Light-demonstratieonderdeel worden verdrievoudigd", voegt hij eraan toe. Overmolding kan de onderdeelkosten verder verlagen door middel van ingegoten bevestigingsclips of nokken voor schroeven en tegelijkertijd isolatie te bieden om galvanische corrosie tussen de koolstofvezel en metalen bevestigingsmiddelen te voorkomen.

Zo was het doel gedefinieerd, maar de vraag was hoe beide materialen in een enkele vormcel konden worden gecombineerd. Schares legt uit hoe de industriepartners zijn geselecteerd. “BMW had de meeste ervaring met serieproductie van CFRP-onderdelen. KraussMaffei was zeer proactief in het creëren van combinatietechnologieën, zoals de ColorForm meercomponenten-spuitgietmachine en de FiberForm hybride vormmachine.”

Het OPTO-Light demonstratieonderdeel was een 470 millimeter lang, 317 millimeter breed en 130 millimeter diep gedeelte van de BMW i3 Life Module vloer, inclusief de eindwand bij de wielkuip. “De belastingsgevallen van dit onderdeel vereisen goede stijfheids- en sterkte-eigenschappen in geval van een crash”, legt Schares uit. "We wilden ook complexiteit van vorm en drapering om het horizontale prepreg-persgieten, laserablatie en overmolding langs een vrij gevormd oppervlak te bewijzen."

Waarom fotonica?

Duitsland heeft een langetermijnstrategie gefinancierd om door te gaan met de ontwikkeling van fotonica-technologie vanwege de sleutelrol die het speelt in de huidige wereldwijde digitale transformatie van de maakindustrie. De composietenindustrie moet er rekening mee houden, want fotonica maakt niet alleen geavanceerde bewerkingen mogelijk, zoals geautomatiseerde vezelplaatsing, laserlassen van thermoplasten, precisiebewerking en verschillende 3D-printprocessen, maar ook sensor- en visuele communicatie voor metrologie, procesmonitoring en inline-inspectie. In OPTO-Light werd een nabij-infrarood (NIR) laser gebruikt om oppervlakken voor te behandelen voor overmolding; daarnaast leverde een verscheidenheid aan op laser gebaseerde sensoren gegevens voor procescontrole en inline kwaliteitsborging (QA).

De laatste vier OPTO-Light-partners zijn Duitse leveranciers van fotonische systemen. De eerste, Arges (Wackersdorf), is een expert in 3D-scanners die worden gebruikt voor laserbewerking. "Het ontwikkelt doorgaans innovatieve laserscansystemen voor het positioneren en afbuigen van laserstralen in industriële materiaalverwerking en medische toepassingen", zegt Schares. “Voor ablatie en verwarming werd een Arges dubbelligger ontwikkeld. Precitec (Gaggenau) leverde de interferometrische sensor voor het meten van de afstand die wordt gebruikt tijdens ablatie en het verwijzen naar onderdelen gedurende het hele proces. Sensortherm (Sulzbach) leverde de pyrometer (temperatuursensor) die de procescontrole hielp, en Carl Zeiss Optotechnik (voorheen Steinbichler, Neubeuern) leverde de T-scan laserscanner voor QA. "Het meet onderdeelgeometrie en detecteert mogelijke vervorming", legt Schares uit. "Het zal defecten vertonen, zoals de overgegoten rib die niet volledig aan de CFRP-schaal is gehecht." Al deze systemen zijn geïntegreerd in de multifunctionele laserscanner (Fig. 2), die is gemonteerd op het uiteinde van een zes-assige Kuka (Augsburg, Duitsland) robotarm.

HP-RTM naar prepreg-tape

Het oorspronkelijke idee was om de epoxy CFRP-onderdelen te maken met behulp van C-RTM, een soort hogedrukharstransfervorm (HP-RTM) ook wel gap-impregnatie genoemd, ontwikkeld door het IKV Institute of Plastics Processing. Gedurende deze tijd begonnen geautomatiseerde op tape gebaseerde processen echter het vloeibaar vormen van non-crimp weefsel (NCF) uit te dagen, wat een gerapporteerde vermindering van 30 procent van snijafval opleverde. Snap-cure vloeibare epoxyharsen werden ook geëxpandeerd tot prepreg-materialen, wat persvormen aantrekkelijk maakte, met een potentiële cyclustijd van één tot twee minuten.

Vier unidirectionele prepregs werden geëvalueerd voor de schaal van de demonstrator. Deze werden omgezet in netvormige, 2D op maat gemaakte blanco's met behulp van de STAXX-tapeplaatsingscel van Broetje-Automation (Rastede, Duitsland).

De gegoten CFRP-omhulsels zouden vervolgens worden overgoten met 30 procent korte glasvezelversterkte polyamide 6 (GF / PA6) met behulp van Lanxess (Keulen, Duitsland) Durethan BKV 30 H2.0 901510. Een KraussMaffei CXW-200-380/180 SpinForm-injectie vormmachine werd gekozen als basis voor de OPTO-Light productiecel en geïnstalleerd bij AZL. Het beschikt over draaibare platentechnologie die is ontwikkeld om spuitgieten met meerdere componenten mogelijk te maken.

De mal die aan de zwenkbare plaat was bevestigd, werd gebruikt om twee verschillende vormholten te vormen voor twee verschillende processen:expoxy prepreg compressievormen en thermoplastisch spuitgieten. "Niemand heeft eerder zo'n tool gemaakt", merkt Schares op. BMW en KraussMaffei hebben vele weken besteed aan het afronden van alle vereisten voor beide processen, inclusief toleranties als gevolg van verschillende temperatuurzones, draainauwkeurigheid en afdichting voor de thermohardende hars, evenals de standaarddetails voor spuitgietgereedschappen.

Laserablatie en verwijzing naar onderdelen

De epoxy CFRP-omhulling die het resultaat is van het persgietproces, moet worden behandeld voorafgaand aan het thermoplastische overgieten om voldoende verbindingssterkte tussen de ongelijksoortige materialen te bereiken. Laserablatie biedt een milieuvriendelijk proces in één stap in vergelijking met mechanische of chemische voorbehandeling en maakt een nauwkeurige ablatiediepte en -pad mogelijk, zeer geschikt voor het verbinden van ribben aan onderdelen langs 3D-oppervlakken. Bij de ablatiemethode worden de koolstofvezels blootgelegd door plaatselijk de bovenste 10 micron dikke laag epoxyhars te verwijderen. Dit reinigt het oppervlak en produceert een microstructuur waardoor de overmolding-verbinding de blootgestelde vezels kan bevochtigen en infiltreren.

De multifunctionele laserscanner zendt een laserstraal uit met een golflengte van 1.064 nanometer in pulsen van nanoseconden. "Je hebt een hoge intensiteit nodig en pulseren bereikt dit het meest efficiënt", legt Schares uit. "We hebben een continue golflaser geprobeerd, maar deze introduceert te veel thermische spanning in het composietlaminaat onder de verbindingszones, waardoor de vezel-epoxyadhesie wordt verminderd. Het vinden van een procesgeschikte bundelbron die kan worden gebruikt voor verwerking op afstand in een industriële omgeving was niet eenvoudig.”

Omdat de overgegoten ribben moeten passen bij de voorbehandelde gebieden, vereist het ablatieproces een hoge positioneringsnauwkeurigheid. De daaropvolgende plaatsing van het omgevormde glasvezel/PA6-composietmateriaal wordt strikt bepaald door het vormgereedschap. Zo werd door AZL een noodzakelijke onderdeelreferentiemethodologie ontwikkeld. “De offset tussen de voorbehandelde geometrie en de overmolded compound moet minder dan 300 micron zijn. De nauwkeurigheid voor het centrale punt van het laserscanveld (gereedschapsmiddelpunt) moet dus binnen 150 micron liggen ten opzichte van het referentiepunt. Dit werd bereikt, evenals een cyclustijd van minder dan twee minuten voor de laservoorbehandeling. "Heel belangrijk was het voorbereidende werk van het Fraunhofer Institute for Production Technology (IPT) om padgeneratie voor de robot en laserstraal te ontwikkelen - dit was niet triviaal", zegt Schares. Het systeem bewees inderdaad zijn kracht - testresultaten toonden een afschuifsterkte van 27 MPa tussen de GF/PA6-overmold en het epoxy-CFRP-substraat.

Kortere procesroutes

Zelfs toen de voordelen van het eerste proces werden gedocumenteerd, realiseerde het OPTO-Light-team zich dat het mogelijk was om de laservoorbehandeling te elimineren. Dit proces in twee stappen zou de epoxy prepreg-schaal slechts gedeeltelijk uitharden en de resterende reactiviteit in de epoxyhars gebruiken om hechting met de thermoplastische omhulling te bereiken. Er zijn drie mogelijke mechanismen voor hechting tussen niet-uitgeharde epoxy en PA6:

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

Het voordeel van dit proces in twee stappen, zegt Schares, “is dat je de voorbehandeling kunt overslaan, maar de vereiste procesbeheersing is veel uitdagender en de oppervlaktekwaliteit is niet zo hoogglans. Een verdere verlaging van de onderdeelkosten door vereenvoudiging van de productie is echter zeer aantrekkelijk.”

De sleutel tot dit procestraject is procesbewaking. "Je moet in het prepreg-persgietproces kijken, want kennis over de uithardingstoestand moet zeker zijn om een ​​goede verbinding met de thermoplastische overmolding te krijgen", legt hij uit. Deze bewaking van de uithardingstoestand werd bereikt door gebruik te maken van in-mold druk- en temperatuursensoren, evenals in-mold gelijkstroomweerstandsvermogen (DCR) en diëlektrische analyse (DEA) sensoren.

DCR en DEA zijn goed ingeburgerd voor het bewaken van uitharding in composieten. In OPTO-Light omvat de DCR/DEA-procesbesturing een Optimold-systeem van Synthesites (Ukkel, België) inclusief een duurzame 16 millimeter DCR-sensor en Optiview-software. Optimold bewaakt de elektrische weerstand en temperatuur van de hars tot 210°C en een druk van 90 bar met een bemonsteringsfrequentie van 1 Hz. Het DEA288 Epsilon-analyseapparaat van Netzsch Gerätebau (Selb, Duitsland) bevat een keramische monotrode van 4 millimeter en Proteus-software. Kistler Instruments (Winterthur, Zwitserland) DataFlow-software voor optimalisatie van spuitgieten is een ander belangrijk onderdeel.

Het proces, beginnend met fixatie van de prepreg-voorvorm in de mal en eindigend met uitwerpen uit de spuitgietholte, wordt beschreven door de DCR/DEA-sensorsignalen. Deze gegevens zijn cruciaal voor het bepalen van de optimale uithardingstijd bij persvormen voordat de spil naar spuitgieten gaat voor voltooiing van de uitharding en overgieten. De sensoren helpen het materiaal tijdens de verwerking te karakteriseren voor een optimale productkwaliteit. In de toekomst kan het proces adaptief en intelligent zijn, waarbij het draaien van het proces wordt geactiveerd door de DEA- en DCR-sensorsignalen.

Eerste tests tonen een treksterkte van 9 N/mm ² en een nog hogere afschuifsterkte voor de epoxy-PA6-verbinding met behulp van deze tweede, kortere OPTO-Light-procesroute. Er wordt gewerkt aan het verbeteren van deze verbindingskracht, inclusief verder gebruik van procesmonitoring. Het team onderzoekt ook een eenstapsproces waarbij horizontaal prepreg-persgieten niet langer een afzonderlijk proces is, maar in plaats daarvan gelijktijdig met overmolding wordt bereikt.

Hybridisatie voor toekomstige verstoring

Het potentieel van OPTO-Light voor disruptie werd erkend met de AVK Innovation Award voor de categorie onderzoek en wetenschap in 2017. In het eindrapport van het project 2018 wordt gesteld dat voor composieten om kostenpariteit te bereiken met metaal in seriematige autoproductie, het niet alleen noodzakelijk is om de integratie van functies in onderdelen, maar ook de integratie van de processen die worden gebruikt om die onderdelen te vervaardigen. OPTO-Light heeft een scala aan technologieën ontwikkeld, waaronder op fotonica gebaseerde metrologie, oppervlaktebehandeling en thermoplastisch/thermohard gieten, die beide mogelijk maken. Deze technologieën openen ook de deur naar verdere hybride processen, zoals laserverwerking om het spuitgieten te verbeteren. “Door de ontwikkelde lasertool te integreren in de vormcel, heb je nu de mogelijkheid om laserablatie, snijden, voorbehandeling of verwarming uit te voeren voor, tussen of na polymeerprocessen in de spuitgietmachine”, legt Schares uit. "Dit vergroot de functionaliteit van toekomstige onderdelen."

Het idee om meerdere productieprocessen te combineren in een enkele werkcel wint aan kracht in composieten. Veel van de CNC-machinefabrikanten bieden nu bijvoorbeeld cellen aan die additieve fabricage en subtractieve CNC-bewerking combineren. MF Tech (Argentan, Frankrijk) heeft 3D-filamentwikkeling gecombineerd en CNC-bewerkingscentrum, en mede-oprichter Emanuel Flouvat bevestigt verdere hybridisatie, met robots die eindeffectors kunnen overschakelen naar een ultrasone of laserlasser voor het verbinden van thermoplasten, of een geautomatiseerde vezelplaatsingskop om lokale patches van unidirectionele tape aan te brengen. "Door een robotgestuurd lasersysteem te integreren, wordt de 'toolbox' voor het definiëren van verdere inline-combinatietechnologieën uitgebreid", zegt Schares. Dit is weer een belangrijke stap voorwaarts in deze opmars naar geautomatiseerde, multi-process composietproductie die ongetwijfeld binnenkort elektronica zal integreren in afgewerkte producten.

De laatste les die OPTO-Light biedt in hybridisatie, is in zijn partnerschap. “De meest interessante uitdaging bij het managen van dit project was hoe je alle verschillende partners, elk met hun unieke expertise — bijvoorbeeld fotonica, reactiepolymeren, spuitgieten, metrologie — kunt betrekken bij het ontwikkelen en bevorderen van een gemeenschappelijk begrip van de effecten. van elke operatie om deze ene procesketen succesvol te maken”, zegt Schares. Hij benadrukt het belang van de expertise en ondersteuning van vijf partnerinstituten:IKV-spuitgieten, IKV-reactiepolymeren, ISF voor lassen en verbinden, Fraunhofer IPT voor laserintegratie en Fraunhofer ILT voor alternatieve laserbronnen. "Dit project demonstreerde het vermogen van een dergelijke interdisciplinaire ontwikkeling om technische uitdagingen voor de productie van composieten tegen lagere kosten efficiënt op te lossen", zegt Schares. Het heeft ook de basis gelegd voor nog meer disruptieve innovatie.

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