Nieuw compressiemolproces combineert continue banden en D-LFT voor lichte elektrische voertuigkarrosseries

Een meerjarig, publiekelijk gefinancierd onderzoeksprogramma, beheerd door het Duitse Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) en System integrated Multi-Material Lightweight Design for E-mobility (SMiLE) genoemd, combineerde composieten en niet-ferrode metalen om massa en kosten te verminderen voor de volledige body-in-white (BIW) structuur van een batterij-elektrisch voertuig (BEV). De achterste vloermodule was ontworpen met twee typen thermoplastische composieten plus metallische profielen en inserts.

UD-tape + D-LFT

De hybride composiet achterste vloer gebruikt unidirectionele (UD) thermoplastische banden plus direct-long-fiber thermoplastic (D-LFT) composieten. Thermoplastische banden leverden hoge stijfheid/sterkte in een dunne, lichte structuur die in staat is hoge kettingslasten bij een botsing te weerstaan; D-LFT bood de mogelijkheid om complexe geometrieën te vormen, functionele integratie/onderdeelconsolidatie en de mogelijkheid om metallische bevestigingspunten in te gieten. Ultramid B3K polyamide 6 (PA6) D-LFT met 40-gew.% glasvezelversterking en acht lagen Ultratape B3WG12 PA6 met 60-gew.% glasvezellading, beide van BASF SE (Ludwigshafen, Duitsland), werden gebruikt.

Hoewel D-LFT geïnjecteerd of gecomprimeerd kan worden gegoten, en bandlaminaten geïnjecteerd kunnen worden overmold, worden beide materialen doorgaans gecomprimeerd gegoten – een goed begrepen automobielproces met voldoende geïnstalleerde capaciteit lokaal en wereldwijd om het SMiLE-doel van 300 voertuigen/dag te ondersteunen.

UD-banden en D-LFT worden vaak gecombineerd in hetzelfde onderdeel op twee manieren: of banden worden selectief toegevoegd aan lastpaden in voornamelijk D-LFT-structuren die betere mechanische eigenschappen nodig hebben – een techniek genaamd tailored D-LFT, die ook continue vezelrovings kan gebruiken in plaats van of in combinatie met banden – of banden en D-LFT worden gebruikt om tegenovergestelde zijden van een onderdeel te bedekken. In de eerste techniek is het gemakkelijk voor vloeibaar D-LFT om dunne banden tijdens overmolding uit positie te duwen, wat het gebruik van klemmen of andere hardware in het gereedschap nodig maakt om de bandpositie te behouden. Hoewel het goedkoper is om banden selectief in voornamelijk D-LFT-structuren te gebruiken, zijn dergelijke onderdelen niet zo sterk of licht als die die een hogere verhouding van banden tot D-LFT gebruiken. Met de tweede techniek, het aanbrengen van banden en D-LFT aan tegenovergestelde zijden van een onderdeel, wordt betere functionele integratie/onderdeelconsolidatie bereikt aan de D-LFT-kant, en hogere stijfheid/sterkte aan de UD-bandenkant, maar de resulterende structuur is nog steeds relatief zwaar en niet zo stijf en sterk als het zou kunnen zijn.

Gegeven de veiligheidskritieke aard van voertuigvloeren, en de wens van SMiLE-onderzoekers om de hele thermoplastische-composiet achterste vloer te gebruiken om botsenergieën te absorberen (niet alleen met metallische profielen gemonteerd aan de axiale zijden van conventionele volledig-metallische of de nieuwe hybride-composiet vloer), was het belangrijk om de achterste vloer zo stijf en sterk mogelijk te maken. Aangezien onderzoekers zowel gewicht als kosten wilden verminderen om projectdoelen te halen, wilden ze de vloer dun houden terwijl ketting tijdens impact werd vermeden, en ook functionaliteit op sleutellocaties wilden toevoegen (bijv. bevestigingspunten voor tweede-riem gordels), ontwikkelden ze een nieuw D-LFT/compressiemol-subproces waarbij het grootste deel van de vloer thermoplastische band was (pre-consolideerd in een laminaat voor het gieten), met D-LFT selectief alleen toegepast waar ribben en complexe geometrieën nodig waren, maar onmogelijk te vormen met alleen bandlaminaten.

Het team besloot ook te proberen de 1,3 bij 1,3 m achterste vloer in één stap te produceren binnen de compressiemolpers. Om al deze doelen te realiseren, had het team een combinatie van interessante en innovatieve gereedschappen en een sequentieel vormproces nodig.

Lokaal geavanceerde tailored LFT

Het eindontwerp van de achterste vloer is een dunwandige, near-net-shape structuur geproduceerd via UD-banden geconsolideerd in een laminaat. Grote golvingen zijn opgenomen langs de longitudinale as van het onderdeel voor hoge sterkte bij lage massa en dikte. Echter, onderzoekers wisten dat deze golvingen moeilijk te gieten zouden zijn in het grote laminaat. Om goede draping te garanderen, werd simulatie gebruikt om het gereedschap te ontwerpen voor reproduceerbare vorming van de golvingen (50 mm hoog bij 115 mm breed) en om krullen te minimaliseren. Als ze het mis hadden en de golvingen niet correct gevormd werden, kon het laminaat krullen of uit het vlak verschuiven, en de hechtsterkte met het D-LFT zou slecht zijn. Virtueel prototyperen voorspelde dat de beste vormvolgorde was van binnen/centrum naar buiten toe, vergelijkbaar met wat typisch wordt gedaan met handleggen. De enige manier waarop een sequentieel vormproces in één gietstap kon worden gedaan (waar het laminaat niet buiten de hoofdpers werd vorgevormd) was door gebruik te maken van gereedschapsactie (schuiven).

Schuiven zijn gebruikelijk in zeer complexe injectiegietgereedschappen. Hoewel ze niet onbekend zijn in compressiegieten, zijn ze minder gebruikelijk en neigen ze ertoe veel minder complex te zijn wanneer ze wel gebruikt worden. Onderzoekers ontwierpen het gereedschap met zes verplaatsbare kaviteiten (met vier schuiven) om golvingen en andere structuren in het laminaat te vormen, in plaats van ze alleen in D-LFT te overmolden, wat anders significant massa en dikte aan het onderdeel zou hebben toegevoegd.

Eerder werk over interfaciale sterkte aan de laminaat/D-LFT-ribverbindingen had getoond dat superieure hechtsterkte werd bereikt als, vóór overmolding, het laminaat een temperatuur van minstens 130°C handhaafde – onder het smeltpunt van de PA6-matrix – en D-LFT werd geleverd aan het gereedschap op 280°C, boven PA6's smeltpunt. Om te voorkomen dat het laminaat te snel afkoelde tegen het gereedschap voordat D-LFT-ladingen werden geplaatst, legden onderzoekers het op volledig uitgezette uitwerppennen aan de kaviteitskant van het gereedschap. Toen twee D-LFT-ladingen werden geleverd, zakten de uitwerppennen en begon het gereedschap te sluiten. Vervolgens strekten de vier schuiven – drie van welke werkten met het hydraulische systeem van de machine, de vierde via veeractie – zich achtereenvolgens uit om het laminaat te vormen, inclusief de diepe golvingen. Zodra de pers volledig gesloten was, werden de D-LFT-ribstructuren (in een complexe X-vormige roosterstructuur) gevormd. Onderzoekers noemden deze sequentiële vormtechniek local advanced tailored LFT.

In een andere afwijking van conventioneel compressiegereedschapsontwerp werd het gereedschap geconstrueerd met afschuifkanten alleen in secties waar D-LFT naar een deelrand vloeide om selectieve ladingen van vloeibaar D-LFT te gieten tegen het onvloeibare bandlaminaat dat het grootste deel van de structuur uitmaakte.

Straling-geïnduceerde vacuümconsolidatietechnologie

Een belangrijke processtap om reproduceerbaar vormgedrag en hoge mechanische prestaties in het eindonderdeel te garanderen, is bandconsolidatie. Door thermoplastische bandstapels net vóór het vormen snel op te warmen, worden holtes binnen en tussen lagen geëlimineerd en wordt uitstekende consolidatie/vezelimpregnering bereikt. Om te voorkomen dat dit de snelheidsbeperkende stap wordt, werd het proces afgestemd op de snelheid van geautomatiseerde thermoplastische bandplaatsing – een Fiberforge RELAY bandleggemachine van Dieffenbacher GmbH (Eppingen, Duitsland) werd gebruikt – evenals molcycli op de compressiepers, een 3.600-ton Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS pers, ook van Dieffenbacher, gebruikt om de achterste vloer te vormen.

Voor SMiLE had het Fraunhofer Institute for Chemical Technology (F-ICT, Pfinztal, Duitsland) – dat de ontwikkeling van de voor- en achterste vloeren in het grotere SMiLE-programma leidde, en ook hielp bij de ontwikkeling van het local advanced tailored LFT sequentiële gietproces met andere programmapartners – een innovatief proces ontwikkeld genaamd radiation-induced vacuum-consolidation technology voor het snel consolideren van UD-bandstapels in laminaten dat vervolgens werd toegepast om de achterste thermoplastische vloer te produceren. Dieffenbacher heeft de technologie inmiddels gecommercialiseerd met een machine genaamd Fibercon. Het proces was ontworpen om impregneringsdefecten in banden te herstellen, wat het gebruik van goedkopere banden toestaat terwijl holtes in eindonderdelen worden geminimaliseerd. Het omvat het aanbrengen van grote hoeveelheden infrarood (IR) warmte aan de boven- en onderlaag van de laagstapel (transmissie via IR-doorlatende glasplaten waarop de laagstapel rust) terwijl de hele stapel onder vacuüm wordt gehouden. Dit verwijdert lucht, laat de hars vloeien en vult gaten in en tussen banden. De warmte wordt slechts korte tijd toegepast, waardoor de banden aan elkaar hechten en snel solidificeren zonder de laagstapel uit positie te brengen. Het was ook ontworpen voor snelle, homogene consolidatie van de laagstapel in een laminaat met hoge en consistente eigenschappen doorheen, wat vormgedrag reproduceerbaar en makkelijker te simuleren maakt, en hoge mechanische eigenschappen in het eindonderdeel garandeert. Een ander punt van aandacht was hoe warmte in het geconsolideerde laminaat onderweg naar de pers te behouden, om goede vorm-eigenschappen te garanderen zonder energie te verspillen om het laminaat voor het vormen opnieuw op te warmen. Eenmaal geconsolideerd, wordt het nu-gefuseerde laminaat snel opnieuw opgewarmd voordat het uit de machine wordt gehaald en snel naar de pers wordt verplaatst voor vorming.

Eindprocesvolgorde

De eindprocesvolgorde voor de achterste vloer vond plaats op vier stukken apparatuur, waarvan drie gelijktijdig in de werkcel werken.

Eerst werden banden automatisch gelegd met oriëntaties bepaald door simulatie via een Fiberforge RELAY bandleggesysteem. Een indexeertafel maakt het gemakkelijk om banden in praktisch elke oriëntatie op elke laag van de laagstapel te leggen. Individuele banden op elke laag worden licht getackt aan de laag eronder via spotwelding, en de onderlaag wordt tijdens het leggen op zijn plaats gehouden via vacuüm. Het systeem kan ook gaten/vensters in de stapel leggen door bandranden voor het tacken te trimmen, wat na-gieten trimmen verder vermindert en afval en kosten verlaagt.

Vervolgens werd de laagstapel verplaatst van de Fiberforge RELAY-machine naar de Fibercon-machine en tussen die eenheden glasplaten geplaatst. Toen de eenheid sloeg, werd een vacuüm op de stapel getrokken en IR-warmte voor korte tijd door de boven- en onderplaten geprojecteerd, waardoor de PA6-matrix snel boven het smeltpunt (~230°C) werd verhit, hars liet vloeien en holtes verwijderde. Het laminaat werd vervolgens gekoeld onder de kristallisatietemperatuur van de hars (~180°C), waardoor individuele banden geconsolideerden tot een enkel laminaat.

In de nu-open compressiepers, die net zijn vorige onderdeel had uitgezet, werden uitwerppennen uitgezet en handmatig twee aluminiumprofielen en verschillende metallische inserts in de bovenzijde/kernzijde van het gereedschap geladen tijdens het wachten op de volgende ronde materialen.

Het nog-warme laminaat in de Fibercon werd opnieuw boven PA6's smeltpunt verhit, de eenheid werd geopend en het laminaat werd overgebracht naar de open compressiepers. Omdat lucht een slechtere warmteleider is dan staal, werd het laminaat op volledig uitgezette uitwerppennen aan de kaviteitskant van het gereedschap gelegde om warmte in het laminaat te houden vóór de aankomst van de D-LFT-ladingen.

Terwijl banden werden gelegd en geconsolideerd, werd in de buurt D-LFT-materiaal gecompound met behulp van twee extruders (het In-Line Compounder systeem van Dieffenbacher). De eerste extruder combineerde hars en additieven terwijl de tweede vezel knipte tot de gewenste lengte en vervolgens hars/additieven met vezel combineerde om volledig gemengde, voorgewogen ladingen van heet D-LFT te produceren die vervolgens aan de compressiepers werden geleverd. In het geval van de vloer werden twee D-LFT-ladingen op het laminaat geplaatst toen het door intrekken van de uitwerppennen op het gereedschap werd gezakt.

Met de hottere D-LFT-ladingen op het coolere laminaat, begon de pers te sluiten terwijl de vier schuiven achtereenvolgens uittreden om het laminaat te pre-vormen vóór volledige gereedschapssluiting. Achtereenvolgende toepassing van de schuiven voorkwam krullen van het laminaat toen 3D-kenmerken, inclusief golvingen, gevormd werden. Zodra de bovenste tool sloeg, was het bandlaminaat volledig gevormd en de hete D-LFT-ladingen werden in 1.430 MT in geribbelde roosterstructuren gegoten. Het complete onderdeel, met volledig geïntegreerde metallische inserts, werd vervolgens uitgezet nadat de pers open ging.

In een productieomgeving zou alle materialenhantering gedaan worden met portaalkranen uitgerust met naaldgrepers, maar voor het SMiLE-onderzoeksprogramma werd het handmatig gedaan. Voor het onderzoeksprogramma was de totale molcyclus 240 seconden, vertraagd door het gieten van de dikke ribben van de vloer. Onderzoekers geloven dat in een productieomgeving cyclus tijden onder de 100 seconden bereikt kunnen worden met verdere gereedschapswijzigingen, en ze nog lager kunnen drijven als het laminaat vóór plaatsing in de pers vorgevormd was.