Composiet + metaal:holle hybride technologie

Injectie-overmolding is de laatste tijd veel in het nieuws over de composietenindustrie, maar vooral op het gebied van het maken van hybride composieten. Gevormde doorlopende vezelversterkte prepregs of voorgeharde composietvormen worden in de vormholte geplaatst en vervolgens ingekapseld in een groter, met korte vezel versterkt, spuitgegoten onderdeel op een zodanige manier dat alleen waar nodig extra versterking wordt geboden om overontworpen onderdelen en productiekosten beheersen. Bijna onopgemerkt in deze vlaag van publiciteit is nieuws over kunststof/metaal hybride (PMH) constructies - constructies die plaatmetalen onderconstructies combineren die zijn overgespoten met een thermoplastische composiet.

De PMH-categorie is onlangs uitgebreid dankzij een nieuwe ontwikkeling die in maart voor het eerst in Europa werd aangekondigd. Deze ontwikkeling, die holle profiel hybride (HPH) technologie wordt genoemd, maakt het efficiënte gebruik mogelijk van geëxtrudeerde of gelaste buisvormige metalen onderstructuren in plaats van gestempeld of gestempeld-plus-gelast plaatstaal om hogere mechanische prestaties te bereiken voor PMH-componenten die onderhevig zijn aan hoge belastingen. HPH-technologie maakte zijn Noord-Amerikaanse debuut op 30 april - 1 mei tijdens de 13e jaarlijkse Automotive Engineering Plastics Conference (AutoEPCON), georganiseerd door de Society of Plastics Engineers (SPE, Bethel, CT, VS) en gehouden in de buitenwijken van Detroit.

“Traditionele” kunststof-metaal hybride constructies

De PMH-technologie werd oorspronkelijk rond 1995 ontwikkeld door Bayer AG (Leverkusen, Duitsland). Het composietteam en PMH-technologie werden in 2004 afgesplitst als onderdeel van Bayer's Chemicals and Polymers-activiteiten om LANXESS Corp. (Pittsburgh, PA, VS) te worden.

PMH maakt gebruik van een selectief geperforeerde onderconstructie van gestempeld staal of aluminium die in een spuitgietgereedschap wordt geplaatst dat doorgaans selectief wordt overgoten (dat wil zeggen, het metalen substraat is niet volledig ingekapseld) met glasvezelversterkt polyamide 6 (GR-PA 6). De resulterende hybride structuur bevat de keuze van de onderdeelontwerper van functionele onderdelen, inclusief beugels, ribben, nokken en andere geometrieën in composiet aan de buitenkant. De perforaties, waardoor de thermoplastische composiet door en rond de metalen onderconstructie kan vloeien, bevorderen een sterke hechting tussen beide materialen en zorgen ervoor dat de resulterende structuur het beste van twee werelden biedt. Dat wil zeggen, het onderdeel profiteert van de hoge stijfheid en sterkte van dunwandig plaatstaal, maar wordt verstijfd en gestabiliseerd door bijvoorbeeld composietribben die voorkomen dat het metaal gaat knikken. Bovendien draagt ​​het composiet bij aan corrosieweerstand, goede oppervlakteafwerking, lager gewicht en verhoogde consolidatie van onderdelen en functionele integratie bereikt in één enkele stap, waardoor hardware, beugels en secundaire bewerkingen worden geëlimineerd. En omdat de matrix PA 6 is, biedt deze ook een goede en brede chemische bestendigheid plus uitstekende taaiheid (slagvastheid).

PMH-structuren zijn lichter en hebben veel minder onderdelen (geproduceerd in veel minder stappen) dan vergelijkbare plaatwerkstructuren met dezelfde functionaliteit, maar ze hebben hogere mechanische eigenschappen dan alleen een discontinue vezelversterkte thermoplastische composiet. Dit is vooral handig in gevallen waar de ruimte beperkt is en dikke wandsecties ongewenst zijn. De mogelijkheid om het aantal onderdelen en productiestappen aanzienlijk te verminderen, vermindert niet alleen de kosten en de productievoetafdruk, maar vermindert ook de voorraad- en garantiekosten. En omdat de matrix een thermoplast is, kan de hybride structuur aan het einde van de levensduur van het voertuig worden gescheiden en gerecycled.

Vanwege de recyclebaarheid en prestatievoordelen wordt PMH-technologie al vele jaren gebruikt om een ​​verscheidenheid aan auto-onderdelen te produceren, van grote assemblages zoals front-end modules en bumperbalken tot underhood-componenten. Het is ook gebruikt in niet-automobiele toepassingen, zoals skeelers, en componenten op scooters en kleine, off-road auto's.

Buisstructuren

Zoals geldt voor elke technologie, heeft PMH een paar nadelen. Ten eerste is het waarschijnlijk dat de afschrijving van de gereedschapskosten van metaal en kunststof (beide typen zijn nodig bij deze techniek) moet worden toegepast op voertuigprogramma's met een gemiddeld tot hoog volume. Het is te duur voor nicheproductie, tenzij de gereedschapskosten kunnen worden gedeeld met vergelijkbare modellen op hetzelfde platform. Ten tweede kan PMH-technologie, zoals conventioneel wordt toegepast, het best worden gebruikt met eenvoudige 2D- of 2,5D-plaatmetalen onderstructuren, bijvoorbeeld L-, C-vormige of vlakkere secties. Deze constructies missen echter vaak voldoende torsiesterkte om aan bepaalde hoge prestatie-eisen te voldoen. Ook is het niet mogelijk om via PMH gesloten/buisconstructies te maken (denk aan O-profiel en andere buisvormige of vierkante doorsneden) omdat een gesloten profiel zou bezwijken onder de hoge druk van spuitgieten.

"Het idee voor hybride constructies met hol profiel is voortgekomen uit een lijst van structurele automobieltoepassingen met hoge belasting, waar het zeer wenselijk was om de massa te verminderen en functionele integratie toe te voegen, maar waar de huidige PMH-technologie niet sterk genoeg was om aan de prestatie-eisen te voldoen," legt Joseph Aiello uit, ingenieur voor de ontwikkeling van structurele toepassingen van LANXESS. Hij noemt de dwarsbalk als een theoretisch ideaal HPH-onderdeel, omdat het zwaar is en een veelvoud aan beugels en andere bevestigingen in metaal bevat. Op elk personenvoertuig worden dwarsbalken gebruikt om het chassis torsiestijfheid te geven. Ze bieden ook bevestigingspunten voor componenten die vanuit het motorcompartiment het interieur van het voertuig binnendringen (bijv. stuurwielen) en voor componenten die worden bevestigd vanaf punten voor de firewall en uitsteken in de passagierscabine (bijv. instrumentenpanelen en middenconsoles) . Voorafgaand werk waarbij PMH-technologie werd toegepast op een dwarsliggerbalk, ontbrak voldoende mechanische prestatie omdat de inspanning zich concentreerde rond een poging om de buisvormige (gesloten) metalen substructuren voor de balk te creëren door twee open, L-vormige PMH-structuren aan elkaar te lassen nadat ze waren overgoten. “Aangezien het in de techniek algemeen bekend is dat een gesloten structuur sterker is dan een open structuur, was een logische plaats om te beginnen met het verbeteren van de mechanische prestaties van kunststof-metaalhybriden het vinden van een manier om de technologie toe te passen op holle balken of buizen met ronde of rechthoekige doorsneden”, voegt Aiello toe.

De uitdaging was, zoals altijd, om een ​​zeer sterke verbinding tot stand te brengen tussen de metalen onderconstructie en alle functionele composietcomponenten die erop werden gegoten - een functie die met name belangrijk is voor structuurkritieke componenten zoals dwarsbalken. Aanvankelijk werkte het team aan een technologie die geschikt was voor het overgieten van standaardbuizen zonder dat er speciale apparatuur nodig was. De vraag werd hoe de buis selectief te vervormen - kuiltjes of depressies te creëren - in de spuitgietmachine die zou zorgen voor een goede vergrendeling tussen de metalen buis en de matrix, en zo een hoge hechtsterkte tussen de metalen onderbouw en het gegoten composiet zou bereiken zonder dat de buis bezwijken bij de hoge drukken die typisch worden waargenomen tijdens de vormcyclus. Na veel onderzoek ontwikkelde hetzelfde LANXESS-team dat aanvankelijk de PMH-technologie ontwikkelde ook het HPH-proces.

Kortom, HPH gebruikt high-flow, sterk glasversterkte PA 6 "structurele elementen" - spuitgegoten massieve buizen met speciaal ontworpen ribben / vinnen die uit de buitenkant steken - die in het holle midden van een stalen of aluminium buis worden geplaatst, dat wil zeggen, op zijn beurt in een spuitgietmachine gestoken en overgoten met extra GR-PA 6-composiet om externe beugels en andere functionele componenten te vormen. De structurele elementen - die in een buis worden gestoken voordat die buis in de pers wordt geplaatst voor overgieten - voorkomen dat de buis instort tijdens het gieten en helpen de buis te vormen/vervormen via een proces dat kralen of kuiltjes wordt genoemd, tijdens het hogedrukgietproces, waardoor zorgen voor een sterke binding tussen metalen en composietmaterialen. Dit interne element blijft in de buis om structurele ondersteuning toe te voegen.

LANXESS meldt dat de interne geribbelde/finned elementen zelfs kunnen worden ontworpen om te worden gebruikt met geperforeerde stalen of aluminium buizen. Deze werken zoals de perforaties die worden gebruikt in conventionele PMH-technologie.

Om de noodzaak van een tweede mal te elimineren, kan dat gereedschap worden ontworpen om ruimte in een zijholte op te nemen om structurele elementen te vormen voor buizen die in de volgende opname moeten worden gebruikt, terwijl het een bepaalde buis bedekt die is versterkt met structurele elementen. En naar verluidt kan het hele proces desgewenst volledig worden geautomatiseerd.

Vergeleken met conventionele PMH-structuren, met gestempelde of gestempelde-plus-gelaste onderstructuren, wordt gezegd dat HPH-structuren een hogere torsiestijfheid en sterkte en een betere maatvastheid bieden bij vergelijkbare doorsnede, massa en dikte, maar toch alle klassieke voordelen van LANXESS' oorspronkelijke PMH-proces.

Wat nu?

Doelgerichte HPH-toepassingen omvatten hybride composiet/metalen constructies met hoge mechanische eisen, waaronder niet alleen dwarsbalken, maar ook autostoelframes en front-end modules, vrachtwagenlaadkleppen en spiegelsteunen. Buiten de auto-industrie kan het worden gebruikt om meubels, ladders of zelfs kinderwagens te produceren. HPH is nog te nieuw om commerciële toepassingen tot stand te brengen en zou deel uitmaken van vele ontwikkelingsprojecten die in de maak zijn en LANXESS zegt dat het de mogelijkheden blijft evalueren, en meldt dat het nog steeds werkt aan een aantal technologische releases om zijn octrooiaanvraag te voltooien, die zal later dit jaar worden ingediend.

Wat is de toekomst voor HPH? LANXESS zegt ook dat het eerder PMH-onderzoek heeft gedaan met behulp van PA 6/6 en polybutyleentereftalaat (PBT)-matrices en koolstofvezelversterking, en zelfs magnesiumsubstructuren heeft geëvalueerd, hoewel de overgrote meerderheid van commerciële toepassingen in GR-PA 6 blijft met glasbelastingsniveaus van 30-60%. Theoretisch zouden dezelfde materiaalcombinaties kunnen worden gebruikt voor HPH, hoewel de focus van het team blijft op 60% GR-PA 6. Als koolstofvezelversterking werd gebruikt, zouden metalen onderstructuren moeten worden geïsoleerd (waarschijnlijk via een coating) om galvanische corrosie te voorkomen. Of voor minder structurele toepassingen moet het mogelijk zijn om een ​​buis te gebruiken die is geëxtrudeerd of gepultrudeerd uit een kunststof of composiet.