Hybride holle-profiel technologie: Combineren van composiet en metaal voor superieure versterking

Injectie overvormen is recentelijk veel in het composieten nieuws, maar primair in het domein van het creëren van hybride composieten. Vormgegeven continue vezelversterkte prepregs of voor-geharde composietvormen worden binnen de vormkavel gepositioneerd en vervolgens ingekapseld binnen een groter kort-vezelversterkt gesprongen onderdeel op zo'n manier dat extra versterking alleen daar wordt geleverd waar nodig om overdimensionering te vermijden en productiekosten te controleren. Bijna onopgemerkt in deze publiciteitssituatie is nieuws rond plastic/metaal hybride (PMH) structuren — die bladmetaal substructuren combineren die geïnjectie overvormd zijn met een thermoplastisch composiet.

De PMH categorie werd recentelijk uitgebreid dankzij een nieuwe ontwikkeling die eerst in Europa in maart aangekondigd werd. Gegeneven holle-profiel hybride (HPH) technologie, stelt de ontwikkeling het efficiënte gebruik van geëxtrudeerde of gelaste buisvormige metaal substructuren in plaats van gestempelde of gestempeld-plus-gelaste bladmetaal in om hogere mechanische prestaties te bereiken voor PMH componenten onderworpen aan hoge lasten. HPH technologie maakte haar Noord-Amerikaanse debuut 30 april - 1 mei op de 13e jaarlijkse Automotive Engineering Plastics Conference (AutoEPCON) georganiseerd door de Society of Plastics Engineers (SPE, Bethel, CT, VS) en gehouden in de Detroit voorsteden.

“Traditionele” plastic-metaal hybride structuren

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

PMH gebruikt een selectief geperforeerde gestempelde staal of aluminium bladmetaal substructuur die in een injectievormgereedschap geplaatst wordt dat, typisch, selectief overvormd wordt (dat is, het metaal substraat wordt niet volledig ingekapseld) met glasvezelversterkt polyamide 6 (GR-PA 6). De resulterende hybride structuur bevat de onderdeelontwerper's keuze van functionele onderdelen, inclusief beugels, ribben, bossen en andere geometrieën in composiet aan de buitenkant. De perforaties, die het thermoplastische composiet laten doorstromen en om de metaal substructuur heen, moedigen een sterke binding tussen beide materialen aan en stellen de resulterende structuur in staat het beste van twee werelden te bieden. Dat is, het onderdeel profiteert van de hoge stijfheid en sterkte van dunwand bladmetaal, maar het wordt verstevigd en gestabiliseerd door, bijv., composiet ribben die het metaal van knikken weerhouden. Bovendien draagt het composiet bij aan corrosiebestendigheid, goede oppervlakteafwerking, lager gewicht en verhoogde onderdeelconsolidatie en functionele integratie bereikt in één stap, waardoor hardware, beugels en secundaire operaties worden geëlimineerd. En omdat de matrix PA 6 is, biedt het ook goede en brede chemische bestendigheid plus uitstekende zwaarte (impact sterkte).

PMH structuren zijn lichter en hebben veel minder onderdelen (geproduceerd in veel minder stappen) dan vergelijkbare bladmetaalstructuren met dezelfde functionaliteit, toch hebben ze hogere mechanische waarden dan een discontinu vezelversterkt thermoplastisch composiet alleen. Dit is met name nuttig in gevallen waar ruimte beperkt is, en dikke wandsecties ongewenst zijn. Het vermogen om onderdeelaantal en productiestappen drastisch te reduceren verlaagt niet alleen kosten en de productievoetafdruk, maar het vermindert ook voorraad- en garantiekosten. En omdat de matrix een thermoplast is, kan de hybride structuur gescheiden en gerecycled worden aan het einde van de voertuiglevensduur.

Vanwege haar herbruikbaarheid en prestatievoordelen is PMH technologie al jaren gebruikt om een verscheidenheid aan auto-onderdelen te produceren, van grote assemblages zoals front-end modules en bumper balken tot onderkap componenten. Het is ook gebruikt in niet-auto toepassingen, zoals rolschaatsen, en onderdelen op scooters en kleine, off-road auto's.

Buisvormige structuren

Zoals waar van elke technologie, heeft PMH een paar nadelen. Ten eerste, afschrijving van metaal en kunststof gereedschapskosten (beide typen zijn nodig met deze techniek) zal waarschijnlijk toepassing noodzaken op medium- tot hoog-volume voertuigprogramma's. Het is te duur voor niche productie tenzij gereedschapskosten gedeeld kunnen worden met vergelijkbare modellen op hetzelfde platform. Ten tweede, zoals conventioneel toegepast, is PMH technologie het beste te gebruiken met eenvoudige 2D of 2.5D bladmetaal substructuren, bijv., L-, C-vormige of plattere secties. Echter, die structuren hebben vaak onvoldoende torsiesterkte om aan bepaalde hoog-prestatie eisen te voldoen. Ook is het niet mogelijk om gesloten-vorm/buisvormige structuren (denk O-sectie en andere buisvormige of vierkante dwarsdoorsnedes) via PMH te maken omdat een gesloten profiel onder de hoge drukken van injectievormen zou instorten.

“Het idee voor holle-profiel hybride structuren evolueerde uit een lijst van hoge-belasting structurele auto-toepassingen, waar het zeer wenselijk was om massa te reduceren en functionele integratie toe te voegen, maar waar huidige PMH technologie niet sterk genoeg was om prestatie-eisen te halen,” legt Joseph Aiello uit, LANXESS structurele toepassingsontwikkelingsengineer. Hij noemt de dwars-auto balk als een theoretisch ideaal HPH onderdeel, omdat het zwaar is en een veelvoud van beugels en andere bevestigingen in metaal bevat. Dwars-auto balken worden op elk personenvoertuig gebruikt om torsiesterkte aan het chassis te geven. Ze bieden ook bevestigingspunten voor componenten die van de motorkamer in de voertuigbinnenruimte penetreren (bijv., stuurwielen) en voor componenten die van punten voor de brandschot projecteren in de passagiershut (bijv., instrumentenpanelen en center consoles). Eerder werk PMH technologie toe te passen op een dwars-auto balk had onvoldoende mechanische prestaties omdat de inspanning gericht was op een poging om de buisvormige (gesloten-vorm) metaal substructuren voor de balk te creëren door twee open, L-vormige PMH structuren samen te lassen nadat ze overvormd waren. “Omdat een gesloten-vorm structuur in de engineering bekend is als sterker dan een open structuur, was een logische plek om de mechanische prestaties van plastic-metaal hybriden te verhogen om een manier te vinden om de technologie toe te passen op holle balken of buizen met ronde of rechthoekige dwarsdoorsnedes,” voegt Aiello toe.

De uitdaging, zoals altijd, was om een hoge-sterkte binding te bereiken tussen de metaal substructuur en elk composiet functioneel component dat erop overvormd was — een kenmerk met name belangrijk voor structuur-kritische componenten zoals dwars-auto balken. Initieel werkte het team aan een technologie die geschikt was voor overvormen van standaard buizen zonder de noodzaak voor speciaal apparatuur. De vraag werd hoe de buis selectief te vervormen — kuiltjes of depressies creëren — in de injectievormmachine die een goede vergrendeling tussen de metaal buis en de matrix zou waarborgen, en dus hoge bindingsterkte tussen de metaal substructuur en overvormde composiet zou bereiken zonder de buis te laten instorten bij de hoge drukken die typisch gezien worden tijdens de vormcyclus. Na veel studie, ontwikkelde hetzelfde LANXESS team dat initieel PMH technologie ontwikkelde, ook het HPH proces.

In essentie gebruikt HPH hoog-vloeibare, hoog glasversterkte PA 6 “structurele elementen” — injectie gevormde massieve buizen met speciaal ontworpen ribben/vinnen die van de buitenkant afsteken — die in het holle centrum van een staal of aluminium buis geplaatst worden die, op zijn beurt, in een injectievormmachine geplaatst wordt en overvormd wordt met additionele GR-PA 6 composiet om externe beugels en andere functionele componenten te vormen. De structurele elementen — die in een buis geplaatst worden voordat die buis in de pers voor overvormen geplaatst wordt — voorkomen buisinstorting tijdens vormgeven en helpen de buis vormgeven/vervormen via een proces genaamd beading of dimpling, tijdens het hoge-druk vormproces, waardoor een sterke binding tussen metaal en composiet materialen verzekerd wordt. Dit interne element blijft in de buis om structurele ondersteuning toe te voegen.

LANXESS rapporteert dat de interne geribde/gevinde elementen zelfs ontworpen kunnen worden om gebruikt te worden met geperforeerde staal of aluminium buizen. Deze functioneren zoals de perforaties gebruikt in conventionele PMH technologie.

Om de noodzaak voor een tweede vorm te elimineren, kan dat gereedschap ontworpen worden om ruimte in een zijkavel te omvatten om structurele elementen voor buizen te vormgeven die in de volgende schot gebruikt zullen worden terwijl het een gegeven buis versterkt met structurele elementen overvormt. En het hele proces kan naar verluidt volledig geautomatiseerd worden, indien gewenst.

Vergeleken met conventionele PMH structuren, met gestempelde of gestempeld-plus-gelaste substructuren, bieden HPH structuren naar verluidt hogere torsiesterkte en stijfheid en betere dimensionele stabiliteit bij vergelijkbare dwarsdoorsnede, massa en dikte, maar ze bieden nog steeds alle klassieke voordelen van LANXESS' oorspronkelijke PMH proces.

Wat is er volgende?

Doel HPH toepassingen omvatten hybride composiet/metaal structuren met hoge mechanische eisen die niet alleen dwars-auto balken maar ook auto zitframes en front-end modules, vrachtwagentailgates en spiegels beugels omvatten. Buiten de auto-arena, kan het gebruikt worden om meubels, ladders of zelfs babywagentjes te produceren. Te nieuw om gevestigde commerciële toepassingen te hebben, wordt gezegd dat HPH onderdeel is van veel ontwikkelingsprojecten in de werking en LANXESS zegt dat het kansen blijft evalueren, en rapporteert dat het nog aan sommige technologie releases werkt om haar octrooiapplicatie te voltooien, die later dit jaar ingediend zal worden.

Wat kan er volgende zijn voor HPH? LANXESS zegt ook dat het eerder PMH onderzoek gedaan heeft met PA 6/6 en polybutyleen tereftalaat (PBT) matrices en koolstofvezel versterking, en zelfs magnesium substructuren geëvalueerd heeft, hoewel de grote meerderheid van commerciële toepassingen in GR-PA 6 blijft met glasvullingsniveaus van 30-60%. Theoretisch kunnen dezelfde materiaalcombinaties voor HPH gebruikt worden, hoewel de focus van het team op 60% GR-PA 6 blijft. Als koolstofvezel versterking gebruikt werd, zouden metaal substructuren geïsoleerd moeten worden (waarschijnlijk via een coating) om galvanische corrosie te voorkomen. Of, voor minder structurele toepassingen, zou het mogelijk moeten zijn om een buis te gebruiken geëxtrudeerd of gepultrudeerd van een kunststof of composiet.