Overmolding Termoplastik 2 Menit pada Termoset: Proses Sel Tunggal untuk Komposit Otomotif

Preforming otomatis pita termoplastik dan hybrid molding berikutnya — termoforming dan injeksi overmolding rib, klip dan boss pada permukaan bagian — telah diumumkan sebagai masa depan manufaktur komposit dalam aplikasi volume tinggi seperti otomotif. Tetapi bagaimana jika mungkin untuk menggabungkan keawetan termoplastik dan fungsionalitas fitur injeksi molding dengan kinerja tinggi bagian epoksi terkuat serat karbon?

Inilah yang ditanggapi oleh proyek tiga tahun OPTO-Light, yang berakhir pada 2018. Proyek ini didanai oleh Kementerian Pendidikan dan Riset Jerman (BMBF) sebagai bagian dari strateginya untuk mengembangkan photonics — teknologi berbasis cahaya seperti laser — untuk produksi massal konstruksi ringan. Proyek diberikan kepada Aachen Center for Integrative Light Construction (AZL) di RWTH Aachen University (Aachen, Jerman), yang menyediakan satu kampus untuk perusahaan bekerjasama dengan delapan institusi penelitian untuk mengembangkan material ringan, teknologi produksi dan aplikasi.

Pencapaian yang jelas OPTO-Light adalah menggabungkan kekakuan tinggi, berat ringan dan creep rendah plastik terkuat serat karbon berbasis epoksi (CFRP) dengan kebebasan desain tinggi dan waktu siklus rendah overmolding termoplastik. Tetapi ini hanyalah satu dari banyak pengganggu industri komposit potensial yang telah dicapai proyek, termasuk:

• Pengembangan pretreatment laser untuk menggabungkan termoplastik ke permukaan termoset 3D;
• Integrasi tiga teknologi — pemrosesan polimer reaksi, pemrosesan laser dan overmolding — ke dalam satu sel manufaktur dengan waktu siklus cepat;
• Kompresi molding prepreg horizontal (HPCM) di mana material dipasang vertikal untuk pemrosesan dalam mesin injeksi molding standar
• Pengembangan satu cetakan berputar yang mengintegrasikan semua persyaratan untuk kompresi molding prepreg dan overmolding termoplastik;
• Metode referensi bagian optik untuk penyelarasan kritis pretreatment laser dan overmolding di sepanjang permukaan 3D bebas bentuk;
• Demonstrasi proses ini untuk menghasilkan bagian struktural 3D dari panel lantai untuk Life Module mobil listrik BMW i3 dengan waktu siklus 2 menit.

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

Partners termoplastik ke termoset

Mengapa menggabungkan overmolding termoplastik dengan bagian komposit termoset? “Komponen CFRP termoset yang dibuat dengan resin epoksi menawarkan karakteristik terbaik untuk aplikasi badan mobil,” asserts peneliti riset AZL Richard Schares. Overmolding rib komposit termoplastik meningkatkan kekakuan desain bagian (modulus bagian), sehingga mengurangi jumlah serat karbon yang diperlukan. “Menggunakan tebal rib yang sama dengan cangkang CFRP, kekakuan lentur spesifik bagian demonstrasi OPTO-Light dapat ditingkatkan tiga kali lipat,” tambahnya. Overmolding juga dapat mengurangi biaya bagian dengan menyediakan klip lampiran atau boss untuk baut yang dicetak sambil secara simultan menyediakan isolasi untuk mencegah korosi galvanik antara serat karbon dan pemasok logam.

Oleh karena itu, tujuan telah ditetapkan, tetapi masalahnya adalah bagaimana menggabungkan kedua material dalam satu sel cetakan. Schares menjelaskan bagaimana partner industri dipilih. “BMW memiliki pengalaman paling banyak dengan produksi serial bagian CFRP. KraussMaffei sangat proaktif dalam menciptakan teknologi kombinasi, seperti mesin injeksi molding multi-komponen ColorForm-nya dan mesin hybrid molding FiberForm.”

Bagian demonstrasi OPTO-Light adalah bagian lantai Life Module BMW i3 sepanjang 470 milimeter, lebar 317 milimeter dan dalam 130 milimeter, termasuk dinding akhir di well roda. “Kasus beban komponen ini memerlukan karakteristik kekakuan dan kekuatan yang baik dalam kasus tabrakan,” jelas Schares. “Kami juga ingin kompleksitas bentuk dan draping untuk membuktikan kompresi molding prepreg horizontal, ablasi laser dan overmolding di sepanjang permukaan bebas bentuk.”

Mengapa photonics?

Jerman telah mendanai strategi jangka panjang untuk terus mengembangkan teknologi photonics karena peran kunci yang dimainkannya dalam transformasi digital manufaktur global saat ini. Industri komposit harus memperhatikan hal ini, karena photonics memungkinkan tidak hanya pemrosesan canggih seperti penempatan serat otomatis, pengelasan termoplastik laser, mesin presisi dan berbagai proses cetak 3D, tetapi juga sensor dan komunikasi visual untuk metrologi, pemantauan proses dan inspeksi inline. Dalam OPTO-Light, laser near infrared (NIR) digunakan untuk pretreatment permukaan untuk overmolding; selain itu, berbagai sensor berbasis laser menyediakan data untuk kontrol proses dan jaminan kualitas inline (QA).

Empat partner akhir OPTO-Light adalah pemasok sistem photonik Jerman. Yang pertama, Arges (Wackersdorf), adalah ahli dalam scanner 3D yang digunakan untuk pemesinan laser. “Biasa mengembangkan sistem scan laser inovatif, penempatan dan refleksi sinar laser dalam pemrosesan material industri dan aplikasi medis,” kata Schares. “Unit double-beam Arges dikembangkan untuk ablasi dan pemanasan. Precitec (Gaggenau) menyediakan sensor interferometri untuk pengukuran jarak yang digunakan selama ablasi dan referensi bagian selama proses. Sensortherm (Sulzbach) menyediakan pyrometer (sensor suhu) yang membantu kontrol proses, dan Carl Zeiss Optotechnik (dahulu Steinbichler, Neubeuern) menyumbangkan scanner laser T-scan untuk QA. “Ia mengukur geometri bagian dan mendeteksi deformasi potensial,” menjelaskan Schares. “Ia akan menunjukkan defek, seperti rib overmolding yang tidak sepenuhnya melekat pada cangkang CFRP.” Semua sistem ini terintegrasi ke dalam multifunctional laser scanner (Fig. 2), yang dipasang di ujung lengan robotik sumbu enam Kuka (Augsburg, Jerman).

HP-RTM ke pita prepreg

Ide awal adalah untuk membuat bagian CFRP epoksi menggunakan C-RTM, jenis high-pressure resin transfer molding (HP-RTM) yang juga dikenal sebagai gap impregnation, yang dikembangkan oleh IKV Institute of Plastics Processing. Namun, selama waktu ini, proses berbasis pita otomatis mulai menantang liquid molding dari noncrimp fabric (NCF), menawarkan pengurangan 30 persen dalam sisa pemotongan yang dilaporkan. Resin epoksi snap-cure cair juga diperluas ke dalam material prepreg, membuat kompresi molding menarik, dengan potensi waktu siklus satu hingga dua menit.

Empat prepreg unidirectional dievaluasi untuk cangkang demonstrator. Ini dikonversi menjadi blank tailored 2D berbentuk net menggunakan sel penempatan pita STAXX Broetje-Automation (Rastede, Jerman).

Cangkang CFRP yang dicetak kemudian akan overmolded dengan 30 persen serat kaca pendek terkuat poliamida 6 (GF/PA6) menggunakan Durethan BKV 30 H2.0 901510 Lanxess (Cologne, Jerman). Mesin injeksi molding KraussMaffei CXW-200-380/180 SpinForm dipilih sebagai fondasi untuk sel manufaktur OPTO-Light dan dipasang di AZL. Ini menampilkan teknologi platen swivel yang dikembangkan untuk mengaktifkan injeksi molding multi-komponen.

Cetakan yang dipasang pada platen berputar digunakan untuk membentuk dua rongga cetakan yang berbeda untuk dua proses yang berbeda — kompresi molding prepreg epoksi dan injeksi overmolding termoplastik. “Tidak pernah ada yang membuat alat seperti ini sebelumnya,” menurut Schares. BMW dan KraussMaffei menghabiskan banyak waktu untuk menyelesaikan semua persyaratan untuk kedua proses, termasuk toleransi karena zona suhu yang berbeda, akurasi peningkatan dan sealing untuk resin termoset, serta detail standar untuk alat injeksi molding.

Ablasi laser dan referensi bagian

Cangkang CFRP epoksi yang dihasilkan dari proses kompresi molding harus diperlakukan sebelum overmolding termoplastik untuk mencapai kekuatan gabungan yang cukup antara material yang berbeda. Ablasi laser menawarkan proses satu langkah yang ramah lingkungan dibandingkan pretreatment mekanis atau kimia dan memungkinkan kedalaman dan jalur ablasi yang presisi, yang cocok untuk menggabungkan rib ke bagian di sepanjang permukaan 3D. Metode ablasi melibatkan pembukaan serat karbon dengan secara lokal menghapus lapisan teratas tebal 10 mikron resin epoksi. Ini membersihkan permukaan dan menghasilkan mikrostruktur yang memungkinkan campuran overmolding untuk membasahi dan meresap ke serat yang terbuka.

Scanner laser multifungsi memancarkan sinar laser dengan panjang gelombang 1,064 nanometer dalam pulsa nanodetik. “Anda membutuhkan intensitas tinggi, dan pulsa mencapai ini secara paling efisien,” Schares menjelaskan. “Kami mencoba laser continuous wave, tetapi itu memperkenalkan terlalu banyak stres termal ke dalam laminat komposit di bawah zona penggabungan, mengurangi adhesi serat-epoksi. Menemukan sumber sinar yang cocok untuk proses yang dapat digunakan untuk pemrosesan jarak jauh di lingkungan industri tidak mudah.”

Karena rib overmolding harus cocok dengan area yang dipretrasi, proses ablasi memerlukan akurasi peningkatan yang tinggi. Penempatan berikutnya dari material komposit serat kaca/PA6 overmolding didefinisikan secara ketat oleh alat cetakan. Dengan demikian, metodologi referensi bagian yang diperlukan dikembangkan oleh AZL. “Offset antara geometri yang dipretrasi dan campuran overmolding harus kurang dari 300 mikron. Jadi, akurasi untuk titik pusat bidang scan laser (titik pusat alat) harus dalam 150 mikron relatif terhadap titik referensi. Ini tercapai, serta waktu siklus kurang dari dua menit untuk pretreatment laser. “Penting sekali adalah pekerjaan awal Fraunhofer Institute for Production Technology (IPT) untuk mengembangkan generasi jalur untuk robot dan sinar laser — ini bukan hal yang sepele,” kata Schares. Sistem memang terbukti berdaya — hasil uji menunjukkan kekuatan geser 27 MPa antara overmolding GF/PA6 dan substrat CFRP epoksi.

Rute proses yang lebih pendek

Sementara manfaat proses awal sedang didokumentasikan, tim OPTO-Light menyadari mungkin untuk menghilangkan pretreatment laser. Proses dua tahap ini hanya akan menguruti sebagian cangkang prepreg epoksi dan menggunakan reaktivitas yang tersisa dalam resin epoksi untuk mencapai lampiran dengan overmolding termoplastik. Tiga mekanisme potensial ada untuk bonding antara epoksi yang belum diuruti dan PA6:

• Bonding kovalen antara reaksi cincang epoksi dan grup amine PA;
• Ikatan hidrogen dengan hidrogen amine sebagai donator dan oksigen epoksi sebagai penerima;
• Jaringan semi-interpenetrating melalui efek difusi, yang mungkin dengan mobilitas tinggi rantai molekular PA pada suhu tinggi.

Keuntungan dari proses dua tahap ini, kata Schares, “adalah Anda dapat melewati pretreatment, tetapi kontrol proses yang diperlukan jauh lebih menantang dan kualitas permukaan tidak setinggi glos. Namun, pengurangan biaya bagian lebih lanjut dengan penyederhanaan produksi sangat menarik.”

Kunci dari rute proses ini adalah pemantauan proses. “Anda harus melihat di dalam proses kompresi molding prepreg karena pengetahuan tentang keadaan pengurutan harus yakin untuk mencapai gabungan yang baik dengan overmolding termoplastik,” katanya. Pemantauan keadaan pengurutan ini tercapai dengan menggunakan sensor tekanan dan suhu dalam cetakan, serta analisis resistansi arus langsung (DCR) dan dielektrik (DEA) dalam cetakan.

DCR dan DEA telah terbukti untuk pemantauan pengurutan dalam komposit. Dalam OPTO-Light, kontrol proses DCR/DEA terdiri dari sistem Optimold dari Synthesites (Uccle, Belgia) termasuk sensor DCR tebal 16 milimeter yang awet dan perangkat lunak Optiview. Optimold memantau resistansi listrik dan suhu resin hingga 210°C dan tekanan 90 bar dengan tingkat sampling 1 Hz. Perangkat analitik DEA288 Epsilon dari Netzsch Gerätebau (Selb, Jerman) termasuk monotrode keramik 4 milimeter dan perangkat lunak Proteus. Perangkat lunak DataFlow Kistler Instruments (Winterthur, Swiss) untuk optimasi injeksi molding adalah komponen kunci lainnya.

Proses, dimulai dengan pengefiksan preform prepreg di dalam cetakan dan berakhir dengan eksekusi dari ruang cetakan injeksi overmolding, dijelaskan oleh sinyal sensor DCR/DEA. Data ini penting untuk menentukan waktu pengurutan optimal dalam kompresi molding sebelum beralih ke injeksi molding untuk penyelesaian pengurutan dan overmolding. Sensor membantu memproses karakterisasi material selama pemrosesan untuk kualitas bagian optimal. Di masa depan, proses mungkin adaptif dan cerdas, dengan pemicu pivot proses oleh sinyal sensor DEA dan DCR.

Uji awal menunjukkan kekuatan lepas tarik 9 N/mm² dan kekuatan geser yang lebih tinggi untuk gabungan epoksi-PA6 menggunakan rute proses OPTO-Light yang lebih pendek ini. Pekerjaan sedang berlangsung untuk meningkatkan kekuatan gabungan ini, termasuk penggunaan lebih lanjut dari pemantauan proses. Tim juga menjelajahi proses satu langkah di mana kompresi molding prepreg horizontal tidak lagi merupakan proses terpisah, tetapi alih-alih dicapai secara bersamaan dengan overmolding.

Hybridisasi untuk gangguan di masa depan

Potensi gangguan OPTO-Light diakui dengan Penghargaan Inovasi AVK untuk kategori riset dan ilmu pengetahuan pada 2017. Laporan akhir proyek 2018 menyatakan bahwa agar komposit mencapai paritas biaya dengan logam dalam produksi otomotif serial, diperlukan tidak hanya untuk memaksimalkan integrasi fungsi dalam bagian tetapi juga integrasi proses yang digunakan untuk memproduksi bagian tersebut. OPTO-Light telah mengembangkan array teknologi, termasuk metrologi berbasis photonics, treatment permukaan dan molding termoplastik/termoset, yang memungkinkan keduanya. Teknologi ini juga membuka pintu untuk proses hibrida lebih lanjut, seperti pemrosesan laser untuk melengkapi injeksi molding. “Dengan mengintegrasikan alat laser yang dikembangkan di dalam sel cetakan, Anda sekarang memiliki kemampuan untuk melakukan ablasi laser, pemotongan, pretreatment atau pemanasan sebelum, di antara atau setelah proses polimer di dalam mesin injeksi molding,” menjelaskan Schares. “Ini memperluas fungsionalitas bagian masa depan.”

Ide menggabungkan banyak proses manufaktur ke dalam satu sel kerja semakin mendapatkan momentum dalam komposit. Misalnya, banyak produsen mesin CNC kini menawarkan sel yang menggabungkan manufaktur additif dan pemesinan CNC subtraktif. MF Tech (Argentan, Prancis) telah menggabungkan 3D filament winding dan pemesinan CNC, dan co-founder Emanuel Flouvat mengonfirmasi hibridisasi lebih lanjut, dengan robot yang dapat beralih end effector ke pengelasan ultrasonik atau laser untuk menggabungkan termoplastik, atau head penempatan serat otomatis untuk menerapkan patch lokal pita unidirectional. “Dengan mengintegrasikan sistem laser yang dipandu robot, ‘tool box’ untuk definisi teknologi kombinasi inline lebih lanjut diperluas,” kata Schares. Ini adalah langkah signifikan lainnya dalam kemajuan ini menuju manufaktur komposit multi-proses otomatis yang tidak diragukan lagi akan mengintegrasikan elektronika ke dalam produk jadi.

Pelajaran akhir OPTO-Light menawarkan dalam hibridisasi adalah dalam partnerannya. “Tantangan yang paling menarik dalam mengelola proyek ini adalah bagaimana mengambil semua partner yang berbeda, masing-masing dengan keahlian unik mereka — misalnya, photonics, polimer reaksi, injeksi molding, metrologi — dan membuat mereka mengembangkan dan memperkembang pemahaman umum tentang efek setiap operasi untuk membuat rantai proses tunggal ini sukses,” kata Schares. Dia menekankan pentingnya keahlian dan dukungan yang disumbangkan oleh lima institusi partner — IKV injeksi molding, IKV polimer reaksi, ISF untuk pengelasan dan penggabungan, Fraunhofer IPT untuk integrasi laser dan Fraunhofer ILT untuk sumber laser alternatif. “Proyek ini mendemonstrasikan kemampuan pengembangan disiplin seperti itu untuk secara efisien menyelesaikan tantangan teknis untuk produksi komposit dengan biaya lebih rendah,” kata Schares. Ini juga telah memberikan landasan untuk inovasi gangguan yang lebih lanjut.

Tonton video proses terintegrasi OPTO-Light di https://youtu.be/b9HmgnuGQY0.