Thermoplastic overmolded termoset, siklus 2 menit, satu sel

Otomatis preforming kaset termoplastik dan hybrid berikutnya molding - thermoforming dan injeksi overmolding tulang rusuk, klip dan bos ke permukaan bagian - telah digembar-gemborkan sebagai masa depan untuk komposit manufaktur di aplikasi volume tinggi seperti otomotif. Tapi bagaimana jika hal itu mungkin untuk menggabungkan ketangguhan termoplastik dan fungsi dari fitur injeksi dibentuk dengan kinerja tinggi karbon bagian epoxy diperkuat serat?

Ini adalah apa yang tiga tahun proyek Opto-Light, yang berakhir pada 2018, berangkat untuk jawaban. Hal ini didanai oleh Kementerian Federal Jerman Pendidikan dan Penelitian (BMBF) sebagai bagian dari strategi untuk mengembangkan Photonics - teknologi berbasis cahaya seperti laser - untuk produksi massal konstruksi ringan. Proyek ini diberikan kepada Aachen Pusat Integratif Konstruksi Ringan (azl) di RWTH Aachen University (Aachen, Jerman), yang menyediakan satu kampus bagi perusahaan untuk berkolaborasi dengan delapan lembaga penelitian untuk mengembangkan bahan ringan, teknologi produksi dan aplikasi.”

Prestasi jelas Opto-Light adalah menggabungkan kekakuan tinggi, ringan dan creep rendah dari berbasis epoxy karbon diperkuat serat plastik (CFRP) dengan kebebasan yang tinggi desain dan siklus rendah kali dari overmolding termoplastik. Tapi ini hanya salah satu potensi pengganggu industri komposit segudang proyek telah dicapai, termasuk:

• Pengembangan laser pretreatment untuk bergabung termoplastik untuk 3D termoset permukaan;
• Integrasi tiga teknologi - reaksi polimer pengolahan, pengolahan laser dan overmolding - menjadi satu, waktu siklus yang cepat manufaktur sel;
• Horizontal prepreg kompresi molding (HPCM) dimana bahan yang ditempelkan secara vertikal untuk pengolahan dalam injection standar molding mesin
• Pengembangan cetakan berputar tunggal yang mengintegrasikan semua persyaratan untuk prepreg pencetakan kompresi dan termoplastik overmolding;
• bagian Optical referensi metodologi untuk penyelarasan kritis laser pretreatment dan overmolding sepanjang bentuk yang unik permukaan 3D;
• Demonstrasi dari proses ini untuk menghasilkan sebagian struktural 3D dari panel lantai untuk BMW i3 kendaraan listrik Kehidupan Modul dengan waktu siklus 2 menit.

Memang, April 2018 laporan akhir proyek menegaskan bahwa teknologi ini dapat mengurangi otomotif CFRP bagian biaya hingga 30 persen dibandingkan produksi saat menggunakan basah molding kompresi dan ikatan perekat onserts tunggal untuk klip (lihat Gambar. 2).

Thermoplastic untuk termoset mitra

Mengapa bergabung termoplastik overmolding ke termoset bagian komposit? “Komponen termoset CFRP dibuat dengan resin epoxy menawarkan karakteristik terbaik untuk aplikasi body mobil,” menegaskan azl penelitian insinyur Richard Schares. Overmolding rusuk komposit termoplastik meningkatkan kekakuan desain bagian ini (modulus), sehingga mengurangi jumlah serat karbon yang diperlukan. “Menggunakan tulang rusuk ketebalan sama dengan yang ada pada shell CFRP, spesifik kekakuan lentur dari bagian demonstrasi Opto-Light dapat tiga kali lipat,” tambahnya. Overmolding selanjutnya dapat mengurangi biaya bagian dengan memberikan dibentuk-in klip attachment atau bos untuk sekrup sementara secara bersamaan menyediakan isolasi untuk mencegah korosi galvanik antara serat karbon dan pengencang logam.

Dengan demikian, tujuan didefinisikan, tetapi masalah adalah bagaimana untuk menggabungkan kedua bahan dalam sel molding tunggal. Schares menjelaskan bagaimana mitra industri yang dipilih. “BMW memiliki pengalaman yang paling dengan produksi serial bagian CFRP. KraussMaffei sangat proaktif dalam menciptakan teknologi kombinasi, seperti ColorForm multi-komponen injection molding mesin dan FiberForm hybrid molding mesin.”

Bagian demonstrasi Opto-Light adalah 470 milimeter panjang dengan 317-milimeter-lebar bagian 130-milimeter-mendalam dari BMW i3 Hidup Modul lantai, termasuk dinding akhir di sumur roda. “Kasus-kasus beban komponen ini membutuhkan baik kekakuan dan kekuatan karakteristik dalam kasus kecelakaan,” Schares menjelaskan. “Kami juga ingin kompleksitas bentuk dan mengalungkan untuk membuktikan keluar horizontal prepreg kompresi molding, ablasi laser dan overmolding sepanjang permukaan bebas-bentuk.”

Mengapa Photonics?

Jerman telah mendanai strategi jangka panjang untuk terus mengembangkan teknologi Photonics karena itplays peran kunci dalam transformasi digital global saat ini manufaktur. Industri komposit harus perhatikan, karena Photonics memungkinkan tidak hanya pengolahan canggih seperti penempatan fiber otomatis, Laser pengelasan termoplastik, mesin presisi dan berbagai proses pencetakan 3D, tetapi juga sensor dan komunikasi visual untuk metrologi, proses pemantauan dan inspeksi inline. Dalam Opto-Light, dekat inframerah (NIR) laser digunakan untuk permukaan pretreat untuk overmolding; di samping itu, berbagai sensor berbasis laser memberikan data untuk pengendalian proses dan jaminan kualitas inline (QA).

Empat final mitra Opto-Light adalah Jerman pemasok sistem fotonik. Yang pertama, Arges (Wackersdorf), adalah seorang ahli dalam scanner 3D digunakan untuk mesin laser. “Ini biasanya mengembangkan sistem pemindaian laser yang inovatif, posisi dan membelokkan sinar laser dalam bahan industri pengolahan dan aplikasi medis,” kata Schares. “Sebuah Arges unit double-beam dikembangkan untuk ablasi dan pemanasan. Precitec (Gaggenau) memasok sensor interferometric untuk mengukur jarak digunakan selama ablasi dan bagian referensi seluruh proses. Sensortherm (Sulzbach) menyediakan pyrometer (sensor suhu) yang dibantu kontrol proses, dan Carl Zeiss Optotechnik (sebelumnya Steinbichler, Neubeuern) menyumbang laser scanner T-scan untuk QA. “Ini ukuran bagian geometri dan mendeteksi potensi deformasi,” jelas Schares. “Ini akan menunjukkan cacat, seperti tulang rusuk overmolded tidak sepenuhnya terikat pada shell CFRP.” Semua sistem ini diintegrasikan ke dalam multifungsi scanner laser (Gambar. 2), yang terpasang pada akhir enam sumbu Kuka (Augsburg, Jerman) lengan robot.

HP-RTM ke tape prepreg

Ide awal adalah untuk membuat bagian-bagian CFRP epoxy menggunakan C-RTM, semacam tekanan tinggi resin transfer moulding (HP-RTM) juga dikenal sebagai kesenjangan impregnasi, yang dikembangkan oleh IKV Institut Plastik Pengolahan. Namun, selama ini, proses berbasis pita otomatis mulai menantang molding cair noncrimp kain (NCF), menawarkan melaporkan penurunan 30 persen dalam memo pemotongan. Snap-menyembuhkan epoxy resin cair juga diperluas menjadi bahan prepreg, membuat kompresi molding menarik, dengan waktu siklus potensial satu sampai dua menit.

Empat prepregs searah dievaluasi untuk shell demonstran ini. Tersebut diubah menjadi net-berbentuk, 2D disesuaikan kosong menggunakan Broetje-Automation (Rastede, Jerman) STAXX penempatan pita sel.

kerang CFRP yang dibentuk kemudian akan overmolded dengan 30 persen gelas pendek diperkuat serat poliamida 6 (GF / PA6) menggunakan Lanxess (Cologne, Jerman) Durethan BKV 30 H2.0 901510. A KraussMaffei CXW-200-380 / 180 SpinForm injeksi cetakan mesin terpilih sebagai dasar untuk sel manufaktur Opto-Light dan dipasang di azl. Ini fitur putar pelat teknologi yang dikembangkan untuk memungkinkan multi-komponen molding injection.

Cetakan melekat pada pelat berputar digunakan untuk membentuk dua rongga cetakan yang berbeda untuk dua proses yang berbeda - expoxy prepreg pencetakan kompresi dan termoplastik injection overmolding. “Tidak ada yang telah menciptakan alat tersebut sebelumnya,” Schares menunjukkan. BMW dan KraussMaffei menghabiskan berminggu-minggu menyelesaikan semua persyaratan untuk kedua proses, termasuk toleransi karena zona suhu yang berbeda, mengubah akurasi dan penyegelan untuk resin termoset, serta rincian standar untuk alat injeksi molding.

ablasi Laser dan bagian referensi

Shell CFRP epoxy yang dihasilkan dari proses molding kompresi harus diperlakukan sebelum overmolding termoplastik untuk mencapai yang cukup bergabung kekuatan antara bahan yang berbeda. Laser ablasi penawaran yang ramah lingkungan, proses satu langkah dibandingkan dengan pretreatment mekanik atau kimia dan memungkinkan kedalaman ablasi tepat dan jalan, cocok untuk bergabung rusuk ke bagian bersama 3D permukaan. Metode ablasi memerlukan mengekspos serat karbon dengan lokal menghapus lapisan 10-mikron-tebal paling atas resin epoxy. Ini membersihkan permukaan dan menghasilkan mikro yang memungkinkan senyawa overmolding basah dan menyusup ke serat terkena.

Scanner laser multifungsi memancarkan sinar laser dengan panjang gelombang 1,064 nanometer pulsa nanodetik. “Anda perlu intensitas tinggi, dan berdenyut mencapai ini paling efisien,” Schares menjelaskan. “Kami mencoba laser gelombang terus menerus, tetapi memperkenalkan terlalu banyak stres termal ke dalam laminasi komposit bawah zona bergabung, mengurangi adhesi epoxy serat-. Menemukan proses-cocok sumber sinar yang dapat digunakan untuk remote pengolahan di lingkungan industri tidak mudah.”

Karena tulang rusuk overmolded harus sesuai dengan daerah pretreated, proses ablasi membutuhkan ketelitian yang tinggi. menempatkan berikutnya dari fiber glass overmolded / PA6 material komposit secara ketat ditentukan oleh alat cetakan. Dengan demikian, metodologi bagian referensi yang diperlukan dikembangkan oleh azl. “The offset antara geometri dengan perlakuan khusus dan senyawa overmolded harus kurang dari 300 mikron. Dengan demikian, akurasi untuk titik pusat laser pemindaian lapangan (alat titik pusat) harus berada dalam 150 mikron relatif terhadap titik referensi. Ini dicapai, serta waktu siklus kurang dari dua menit untuk pretreatment laser. “Sangat penting adalah awal bekerja dengan Institut Fraunhofer untuk Teknologi Produksi (IPT) untuk mengembangkan generasi jalan untuk robot dan sinar laser - ini bukan sepele,” kata Schares. Sistem ini memang membuktikan keberanian nya - hasil tes menunjukkan kekuatan geser dari 27 MPa antara GF / PA6 overmold dan epoxy CFRP substrat

.

proses Shorter rute

Bahkan sebagai manfaat dari proses awal sedang didokumentasikan, tim OPTO-Light menyadari itu mungkin untuk menghilangkan pretreatment laser. proses dua-langkah ini akan hanya sebagian menyembuhkan shell epoxy prepreg dan penggunaan sisa reaktivitas dalam resin epoxy untuk mencapai attachment dengan overmolding termoplastik. Tiga mekanisme potensi yang ada untuk ikatan antara epoxy tidak diawetkan dan PA6:

• kovalen ikatan antara cincin epoxy reaktif dan kelompok amina PA;
• Ikatan hidrogen dengan hidrogen amina sebagai donator dan oksigen epoxy sebagai akseptor;
• Semi-yang saling jaringan dengan efek difusi, mungkin dengan mobilitas tinggi suhu dari rantai molekul PA.

Keuntungan dari proses dua langkah ini, kata Schares, “adalah bahwa Anda dapat melewatkan pretreatment, tetapi kontrol proses yang diperlukan jauh lebih menantang dan kualitas permukaan tidak tinggi-gloss. Namun, pengurangan lebih lanjut dalam biaya sebagian oleh penyederhanaan produksi sangat menarik.”

Kunci untuk rute proses ini adalah proses pemantauan. “Anda harus melihat ke dalam proses molding kompresi prepreg karena pengetahuan tentang keadaan penyembuhan harus yakin untuk mencapai yang baik bergabung dengan overmolding termoplastik,” ia menjelaskan. monitoring negara obat ini dicapai dengan menggunakan tekanan dan temperatur sensor di-cetakan, serta di-cetakan resistivitas arus searah (DCR) dan analisis dielektrik (DEA) sensor.

DCR dan DEA yang mapan untuk menyembuhkan pemantauan di composites.In Opto-Light, DCR / DEA proses kontrol terdiri dari sistem Optimold dari Synthesites (Uccle, Belgia) termasuk tahan lama 16-milimeter DCR sensor dan software Optiview. monitor Optimold perlawanan resin listrik dan suhu sampai 210 ° C dan tekanan 90 bar dengan sampling rate dari 1 Hz. The DEA288 Epsilon perangkat analitik dari Netzsch Gerätebau (Selb, Jerman) termasuk monotrode keramik 4 milimeter dan software Proteus. Kistler Instrumen (Winterthur, Swiss) dataflow perangkat lunak untuk injection molding optimasi merupakan komponen kunci.

Proses, dimulai dengan fiksasi preform prepreg dalam cetakan dan berakhir dengan ejeksi dari injeksi overmolding rongga, dijelaskan oleh DCR / DEA sensor sinyal. Data-data ini sangat penting untuk menentukan waktu penyembuhan yang optimal dalam kompresi molding sebelum pivot untuk injection molding untuk menyembuhkan penyelesaian dan overmolding. Sensor bantuan untuk mengkarakterisasi bahan selama pengolahan untuk kualitas bagian optimal. Di masa depan, proses mungkin adaptif dan cerdas, dengan proses berputar dipicu oleh DEA ​​dan DCR sensor sinyal.

tes awal menunjukkan kekuatan tarik-off dari 9 N / mm ² dan kekuatan yang lebih tinggi geser untuk epoxy-PA6 bergabung menggunakan kedua ini, lebih pendek Opto-Light proses rute. Pekerjaan yang terus menerus untuk meningkatkan ini bergabung kekuatan, termasuk penggunaan lebih lanjut dari proses pemantauan. Tim ini juga menjajaki proses satu langkah yang horisontal prepreg kompresi molding tidak lagi menjadi proses yang terpisah, tetapi bukan dicapai bersamaan dengan overmolding.

Hibridisasi untuk gangguan masa depan

potensial Opto-Light untuk gangguan diakui dengan AVK Innovation Award untuk penelitian dan ilmu pengetahuan kategori di 2017. 2018 laporan akhir proyek ini menegaskan bahwa untuk komposit untuk mencapai paritas biaya dengan logam dalam seri produksi otomotif, perlu tidak hanya untuk memaksimalkan integrasi fungsi di bagian tetapi juga integrasi proses yang digunakan untuk memproduksi bagian-bagian. Opto-Light telah mengembangkan berbagai teknologi, termasuk Photonics berbasis metrologi, pengobatan permukaan dan termoplastik / termoset cetakan, yang memungkinkan keduanya. Teknologi ini juga membuka pintu untuk proses hybrid lebih lanjut, seperti pengolahan laser untuk molding injection Augment. “Dengan mengintegrasikan alat laser yang maju dalam sel molding, Anda sekarang memiliki kemungkinan untuk melakukan ablasi laser, pemotongan, pretreatment atau pemanasan sebelum, antara atau setelah proses polimer dalam mesin injection molding,” jelas Schares. “Hal ini memperbesar fungsi bagian masa depan.”

Ide menggabungkan beberapa proses manufaktur ke dalam sel karya tunggal adalah mendapatkan momentum dalam komposit. Misalnya, banyak produsen mesin CNC sekarang menawarkan sel yang menggabungkan manufaktur aditif dan subtraktif mesin CNC. MF Tech (Argentan, Prancis) telah menggabungkan filamen 3D berliku dan mesin CNC, dan co-founder Emanuel Flouvat menegaskan hibridisasi lanjut, dengan robot dapat beralih keluar efektor akhir ke tukang las ultrasonik atau laser untuk bergabung termoplastik, atau otomatis kepala penempatan serat untuk menerapkan patch lokal tape searah. “Dengan mengintegrasikan sistem laser robot-dipandu, yang‘kotak alat’untuk definisi lebih lanjut teknologi kombinasi inline diperpanjang,” kata Schares. Ini merupakan langkah maju yang signifikan di muka ini menuju komposit otomatis, multi-proses manufaktur yang tidak diragukan lagi akan segera mengintegrasikan elektronik ke produk jadi.

Pelajaran akhir penawaran Opto-Light di hibridisasi dalam kemitraan. “Tantangan yang paling menarik dalam mengelola proyek ini adalah bagaimana untuk mengambil semua mitra yang berbeda, masing-masing dengan keahlian yang unik mereka - misalnya, Photonics, polimer reaksi, injection molding, metrologi - dan mereka mengembangkan dan memajukan pemahaman umum dari efek dari setiap operasi dalam rangka untuk membuat rantai proses tunggal ini sukses,”kata Schares. Dia menekankan pentingnya keahlian dan dukungan disumbangkan oleh lima lembaga mitra - IKV injection molding, polimer reaksi IKV, ISF untuk pengelasan dan bergabung, Fraunhofer IPT untuk integrasi laser dan Fraunhofer ILT untuk sumber laser alternatif. “Proyek ini menunjukkan kemampuan pengembangan interdisipliner tersebut untuk memecahkan efisien tantangan teknis untuk produksi komposit pengurangan biaya,” kata Schares. Hal ini juga telah meletakkan dasar bagi bahkan inovasi lebih lanjut mengganggu.

Menonton video dari OPTO-Cahaya proses yang terintegrasi di https://youtu.be/b9HmgnuGQY0.