BMW's end-to-end CFRP productie: van tow naar tape naar eindonderdeel

Aan het begin van de huidige vooruitgang van koolstofvezelcomposieten in auto-toepassingen, leek BMW Group (München, Duitsland) uit te stijgen. Initieel werk om resin transfer molding (RTM) te versnellen voor productie van het dak van het M sportmodel leidde tot de vestiging van een complete toeleveringsketen voor koolstofvezelversterkte plastic (CFRP) onderdelen voor de i3 en i8 voertuigen en daarna tot geheel nieuwe fabricage- en assemblage werkcellen voor de multi-materiaal Carbon Core body-in-white (BIW) op de 7 Series.

BMW committeerde zich tot de i3 in 2009 met grote publiekheidsactie, maar datzelfde jaar vestigde Audi AG (Ingolstadt, Duitsland) een technisch centrum gewijd aan vezelversterkte kunststoffen. In 2011 kondigde Audi een partnerschap aan met Voith Composites (Garching, Duitsland) om CFRP onderdelen bij hoog volume te ontwikkelen en te produceren. Het volgende jaar publiceerde het de ontwikkeling van een CFRP-versterkte staal B-pilier, gemaakt met resin transfer molding (RTM), en zijn partnerschap met SOGEFI (Guyancourt, Frankrijk) om composiet veerlijfstangen te commercialiseren. In 2012 was Audi ook oprichtend partner voor de MAI Carbon leading-edge cluster, wat BMW, Voith Composites, SGL Group (Wiesbaden, Duitsland) en anderen omvatte.

Meest opvallend begint Audi's eigen verhaal van CFRP ontwikkeling met de eerste generatie R8 sportwagen, uitgebracht in 2006. Het had compartimentafdekkingen voor het cabrioletdak en zijkanten gemaakt met resin transfer molding (RTM). Het bedrijf ontwikkelde van esthetische exterieurs en kleinere structuren naar het Modular Sportscar System (MSS) in de Audi R8 e-tron. Hoewel die elektrisch supercar's hoofstructuur bestond uit extrudeerde aluminium balken verbonden door aluminium gietstukken, waren alle panelen en invullingen CFRP, inclusief een kofferruimte-invoegsel met golvende crashstructuren die de achtermodule in staat stelden vijf keer zoveel energie te absorberen als het metaalframe.

De ruggengraat van het MSS is de achterwand, die evolueerde van een initieel concept in 2011 naar de module die momenteel geproduceerd wordt voor de niet-elektrische R8 door SGL Technologies (voorheen BENTELER-SGL, Ort im Innkreis, Oostenrijk; zie "Plant Tour: BENTELER SGL"). Maar Audi plande al de volgende stap: de achterwand herhalen voor gebruik in de hogere-volume A8 luxueuze sedan, met Voith Composites als fabricagepartner.

Voith Composites is een 10-jarig dochterbedrijf van de multinationale Voith GmbH & Co. KGaA, opgericht in 1867. Het moederbedrijf heeft nu 19.000 werknemers, heeft een jaarlijkse omzet van €4,2 miljard (VS$5,2 miljard) en levert fabricageapparatuur en technologieën via vier divisies: Voith Digital Solutions, Voith Hydro, Voith Paper en Voith Turbo. Voith Composites ontwikkelde zich van productie van CFRP rollen gebruikt in papierproductie tot fabricage van auto- en industriële CFRP aandrijfasen/kardanassen en platte laminaten.

In 2011 begon Voith Composites werk aan een hoog geautomatiseerde CFRP procesketen, gericht op productie van de A8 achterwand. Als kern was de Voith Roving Applicator (VRA), die in een enkele lijn 35K koolstofvezel tow van Zoltek (St. Louis, MO, VS) spreidt in gebonden unidirectionele (UD) tape, die vervolgens wordt gesneden en gestapeld om een aangepaste blank te vormen. De VRA werd bekroond met een JEC Innovatieprijs in 2017. Het vestigde ook een robuuste basis voor daaropvolgende preforming en vormgevingsoperaties. Auto categorie toperezen werden opnieuw behaald voor Voith Composites en Audi op JEC World 2018 voor de voltooide VRA-gebaseerde digitale 4.0 productielijn gebruikt voor de fabricage van de Audi A8 achterwandmodule. Samen met harsleverancier Dow Automotive (Auburn Hills, MI, VS) en Zoltek, ontwikkelden deze partners niet alleen de materialen, processen en geïntegreerde inline inspectiesystemen nodig om hoogpresterende CFRP onderdelen bij hoge volumesnelheden te produceren, maar ook de volledige suite van essentiële computer-aided design/manufacturing (CAD/CAM) en simulatietools die al worden toegepast om toekomstige onderdelen te ontwikkelen.

Efficiëntie-gedreven ontwerpevolutie

"We begonnen vroeg met Audi te werken," zegt Dr. Jaromir Ufer, Voith Composites' head of business development. De eerste prioriteit was het ontwikkelen van het nieuwe A8 achterwandontwerp, dat zou bepalen hoe het onderdeel geproduceerd moest worden.

"Toen we met de engineering voor deze productie begonnen, konden we geen kant-en-klare [software] producten vinden die alles hadden wat we nodig hadden," legt Ufer uit. "Zo brachten we ontwerptools zoals ABAQUS samen, maar bouwden onze eigen materiaalkaarten en ontwikkelden onze eigen simulatiemethoden." Audi had al gereduceerd BIW gewicht en verhoogde torsiestijfheid geïdentificeerd als sleuteldoelstellingen voor het R8 achterwandontwerp (zie "Audi R8 seat wall: A prelude to production"). Voor de A8 module werd een integraal ontwerp voorgesteld om de multi-component MSS assemblage te reduceren tot een enkel, gevormd CFRP paneel met een klein aantal gelijmde en geribbelde bevestigingen. Dit ontwerp dreef de ontwikkeling van een hoog anisotroop laminaat met gelokaliseerde belastingspaden, wat het afgewerkte onderdeel in staat stelt 33% van de dryfcellen torsiestijfheid te leveren bij 50% van het gewicht vs. een assemblage van drie tot vijf gelaste aluminium onderdelen.

"De composiet preform voor de Audi A8 achterwand varieert van een basis van 6 lagen tot 19 lagen waar lokale versterking wordt toegevoegd – bijvoorbeeld waar er uittredingen of puntlasten zijn, zoals de kinderzitbevestigingen," legt Ufer uit.

Voith Roving Applicator

Ufer merkt op dat de ontwikkeling van dit ontwerp en de VRA hand in hand gingen. "Alleen door de ontwerpvrijheid die de VRA biedt was de prestatie van de nieuwe A8 achterwand mogelijk." Ook belangrijk was het feit dat vezelleverancier Zoltek een 7-jarige prijscommitment maakte aan het programma.

De VRA's proces begint met een creel van Zoltek's PX 35 koolstofvezel. Meerdere klossen van 50K tow worden in elke VRA lijn gevoerd en gespreid om 50-mm brede tapes te produceren. Vervolgens wordt een epoxy-gebaseerde binder aangebracht die later zal reageren met de Dow VORAFORCE snap-cure epoxy matrixhars tijdens resin transfer molding (RTM) van het composietonderdeel. Een kleine hoeveelheid infrarood (IR) warmte wordt toegepast om de binder voldoende te smelten om de tape bij elkaar te houden door de daaropvolgende consolidatie, snij- en stapelstappen (Stap 1).

"Dit is een continu proces dat volledig geautomatiseerd is," zegt Ufer. "Als het om een of andere reden nodig is de lijn te stoppen, reageert de apparatuur automatisch. Bijvoorbeeld, de IR verwarmder wordt onmiddellijk uitgeschakeld en ingetrokken om schade aan de tape door oververhitting te voorkomen. Er zijn honderden dergelijke details in de apparatuur, en digitale controle die deze technologie mogelijk maakt."

Na bindertoepassing wordt tapeconsolidatie bereikt als het door meerdere rollen onder spanning passeert (Stap 2). Ufer legt uit dat dit ook een buffer in de lijn inbouwt. "We hebben een eenheid die de continue trekkstroom van het vezel onderbreekt, wat een overgang biedt naar het pulsformaaat van het tape snij-en-plaats mechanisme." Dit portaal-gebaseerde mechanisme snijt de tapes op maat en plaatst ze op gespecificeerde hoeken van 0-360° op een draaitafel (Stap 3). Elke aangepaste stapel, bestaande uit 6 tot 19 lagen tape, varieert in dikte van 1,5 tot 3,7 mm respectievelijk.

Voith heeft vier VRA lijnen geïnstalleerd (zie openingsfoto), en hoewel elk tot vier 50-mm brede tapes tegelijk toepast, wijst Ufer erop, "de lijnen hebben een modulair aanpak, dus ze zouden 10 of meer tapes tegelijk kunnen toepassen. Het hangt af van de onderdeelsgrootte en productiesnelheid."

Automatisering omvat kwaliteitsinspectie. Scans van de tapes en preforms worden vergeleken met een afkeuralgoritme. "De VRA's 100% scanning van de tape zorgt voor de juiste vezelverdeling voor de hele productielijn," legt Ufer uit. "We gebruiken ook thermografie en lasersensoren om de preforms op aangewezen gebieden te controleren." De VRA kan vervolgens reageren op eventuele gedetecteerde problemen. "Als één tape niet correct is," wijst hij erop, "zal de VRA de deficiënte lengte uitsnijden en een andere produceren om het te vervangen." Een QR-code wordt op de afgewerkte preform geplaatst voor traceerbaarheid. (QR-codes worden vorgezogen boven radiofrequentie identificatie (RFID) tags omdat ze naar verluidt de harsinjectieproces beter weerstaan.)

Vormen, vormgeven en assemblage

De 2D stapel verlaat de VRA en wordt geshutteld in de productielijn's vorm-, vormgevings- en assemblagesectie. De eerste pers waarin het geplaatst wordt, geleverd door composiet automatiseringsspecialist FILL (Gurten, Oostenrijk), gebruikt warmte en druk om de 2D tape stapel in een 3D preform te vormen (Stap 4). Ufer legt uit dat omdat de preform in dikte en vorm varieert, de pers de toegepaste druk kan aanpassen terwijl het afzonderlijke regio's van de preform inkt in het vormhulpmiddel stempelvormt. ALPEX Technologies (Mils bei Hall, Oostenrijk) maakte de matched-steel RTM vormen, gebaseerd op een ontwerp geleverd door Voith Composites. "We hebben de tooling en persproces virtueel ontwikkeld," zegt Ufer. "Hoewel geen echte testlus vereist was, hebben we de simulatiemodellen wel gevalideerd en geverifieerd op andere vormen en onderdelen voordat de A8 achterwand productietools werden gemachineerd. Deze simulatie van het vormgevingsproces liep recht in de echte productie en hielp de optimalisatie versnellen."

De pers houdt enkele seconden om de poederbinder te laten reageren en de vorm te fixeren, wat resulteert in een stabiele preform die vezelwassing tijdens harsinjectie kan weerstaan. "De binderdeeltjes functioneren ook om de vezels uit elkaar te houden voor verbeterde harsstroom tijdens RTM," merkt Ufer op. "Dit is nuttig omdat er geen steken in de preform is om de harsstroom te helpen, dus deze binderdeeltjes fungeren als micro stroomkanalen."

De gevormde preform wordt vervolgens per robot overgebracht in een EiMa Maschinenbau GmbH (Frickenhausen, Duitsland) CNC-cel, waar een ultrasonisch mes de uiterlijke eindcontour afsnijdt. Het wordt vervolgens robotisch in een RTM pers geplaatst (Stap 5) geleverd door ENGEL (Schwertberg, Oostenrijk). Alle robots in de lijn worden geleverd door KUKA Robotics (Augsburg, Duitsland).

Het RTM proces gebruikt om de A8 achterwand te vormgeven is hetzelfde ontwikkeld op het Audi Lightweight Center voor de vorige R8 achterwand, aangeduid als ultra-RTM. Het maakt vormgeven van grote onderdelen mogelijk met snelle injectie maar lage druk. Vergeleken met de 140 bar typisch voor HP-RTM, is de in-mold harsinjectiedruk tijdens ultra-RTM van de Audi A8 achterwand <15 bar, zelfs minder dan die voor de R8. Als resultaat, in plaats van 2.500 kN perskracht, is slechts 350 kN vereist. Daarom kan een kleinere, minder dure pers gebruikt worden om hoge-kwaliteit, hoog vezelvolume onderdelen te produceren.

De VORAFORCE 5300 epoxyhars, een drie-component systeem dat mold release omvat, verhardt in 90-120 seconden bij 120°C en heeft een verwerkingsviscositeit van 20 cps. Voor de A8 achterwand wordt een 1,3 kg harsinjectie in de preform geïnjecteerd, gevolgd door een 120-seconde verharding.

Het verhardede onderdeel wordt robotisch gedemold en in een gesloten CNC freescel geladen voor het machineeren van uittredingen. Vervolgens wordt het gefreesde onderdeel in een geautomatiseerde wasmachine geplaatst om residueel CFRP stof af te wassen.

De gewassen achterwand wordt overgebracht in een assemblagecel uitgerust met twee robots. De eerste robot plaatst het gevormde onderdeel in een geautomatiseerde nietmachine, die de kracht documenteert die tijdens nietinstallatie wordt toegepast. Dit is onderdeel van de fabricage-informatie ingebouwd in het gehele proces en wordt toegevoegd aan elk onderdeel's digitale verwerkingsrecord (d.w.z. digitale draad). Het onderdeel wordt vervolgens in het lijmgebied verplaatst en een tweede robot bereidt gebieden voor lijmen, met een geautomatiseerde oplosmiddelwis. Dezelfde robot brengt vervolgens de snelle-verhardende, twee-component Dow BETAFORCE 9050M polyurethaan structurele lijm (Stap 6) aan, wat compatibel is met de drie-deel epoxy. Het onderdeel wordt vervolgens in een oven geplaatst voor een korte lijmverhardingscyclus.

Deze productielijn handhaaft een 5-minuten cyclus voor het voltooide onderdeel en de huidige vraag naar onderdelen kan in één of twee 8-uur shifts worden vervuld. Een 3D laserscantoestel wordt periodiek gebruikt om de 3D vorm en metingen van het onderdeel te controleren. Afgewerkte onderdelen worden vervolgens voorbereid voor verzending naar de Audi A8 eindassemblagelijnen in Neckarsulm, Duitsland, ongeveer 3 uur weg per weg (Stap 7).

Directe vezelplaatsing = toekomstige flexibiliteit

Met al de investeringen die gedaan zijn, is het verrassend te leren dat Voith Composites niet verzekerd was van deze opdracht, maar inderdaad het bedrijf de ontwikkeling voltooide en vervolgens deelnam aan een competitieve aanbestedingsprocedure om de productie te winnen. "We konden de doelonderdeelskost gedefinieerd door Audi halen, evenals kwaliteit en onderdeelprestatie-eisen," zegt Ufer. Dit was geen kleine prestatie, aangezien vrij wat bedrijven om het programma rijdden.

Voith Composites heeft meerdere delen van zijn proces gecertificeerd. "De VRA heeft industrialisatie aangetoond met directe vezelplaatsing [DFP] van tapes, wat afval reduceert evenals materiaalgebruik via een hoog geoptimaliseerde leging," zegt Ufer. Het gebruikt ook de meest kosteneffectieve materialen – onbehandelde zware-tow vezel en poederbinder. Het tweede generatie proces vervangt poederbinder door directe toepassing van hars, wat meer processtappen elimineert. Echter, het bedrijf heeft andere DFP processen ontwikkeld, inclusief de Voith Longfiber Preformer en Voith Prepreg Winding.

"We stellen nieuwe standaarden voor koolstofvezelonderdelen voor hoog-volume auto-serieproductie," zegt Voith Composites managing director Dr. Lars Herbeck. "De slimme fabriek die we hebben opgezet brengt de geautomatiseerde productie van CFRP componenten naar een nieuw niveau van efficiëntie en flexibiliteit, inclusief bijna elke vorm alsmede individuele lotgroottes." Dit is inderdaad waar de industrie naartoe gaat.