Kaset berkelanjutan, D-LFT bertemu dalam proses pencetakan kompresi baru

Program penelitian multi-tahun yang didanai publik, diawasi oleh Kementerian Pendidikan dan Penelitian Federal Jerman (BMBF) dan disebut Desain Ringan Multi-Material Terintegrasi Sistem untuk E-mobilitas (SMiLE), gabungan komposit dan logam non-ferrous untuk mengurangi massa dan biaya untuk seluruh struktur body-in-white (BIW) dari kendaraan baterai-listrik (BEV). Modul lantai belakang dirancang menggunakan dua jenis komposit termoplastik ditambah profil dan sisipan logam. (Pelajari lebih lanjut di CW 's Desember 2018 Fokus pada Desain. ) Untuk memproduksi lantai beban ini dengan cepat dan hemat biaya, subproses pencetakan kompresi satu langkah baru dikembangkan dan teknologi baru untuk memanaskan dan mengkonsolidasikan pita termoplastik dengan cepat digunakan.

pita UD + D-LFT

Lantai beban belakang komposit hibrida menggunakan pita termoplastik searah (UD) ditambah komposit termoplastik serat panjang langsung (D-LFT). Pita termoplastik memberikan kekakuan/kekuatan tinggi dalam struktur tipis dan ringan yang mampu menahan beban tekuk tinggi saat terjadi benturan; D-LFT memberikan kemampuan untuk membentuk geometri kompleks, integrasi fungsional/konsolidasi suku cadang, dan kemampuan untuk memasukkan fitur attachment logam cetakan. Ultramid B3K poliamida 6 (PA6) D-LFT dengan penguat fiberglass 40-berat dan delapan lapis Ultratape B3WG12 PA6 dengan pemuatan fiberglass 60-berat, keduanya dari BASF SE (Ludwigshafen, Jerman), digunakan.

Meskipun D-LFT dapat dicetak dengan injeksi atau kompresi, dan laminasi pita dapat dicetak secara injeksi, kedua bahan tersebut umumnya dicetak dengan kompresi — proses otomotif yang dipahami dengan baik dengan kapasitas terpasang yang memadai secara lokal dan global untuk mendukung target program SMiLE yaitu 300 kendaraan/hari .

Kaset UD dan D-LFT sering digabungkan di bagian yang sama dengan salah satu dari dua cara:Kaset ditambahkan secara selektif ke jalur beban di sebagian besar struktur D-LFT yang membutuhkan sifat mekanik yang lebih baik — teknik yang disebut D-LFT yang disesuaikan, yang juga dapat gunakan roving serat kontinu alih-alih atau dalam kombinasi dengan kaset — atau kaset dan D-LFT digunakan untuk menutupi sisi yang berlawanan dari suatu bagian. Pada teknik pertama, mudah bagi D-LFT yang dapat mengalir untuk mendorong pita tipis keluar dari posisinya selama overmolding, yang mengharuskan penggunaan klip atau perangkat keras lain di dalam alat untuk mempertahankan posisi pita. Meskipun lebih murah untuk menggunakan kaset secara selektif di sebagian besar struktur D-LFT, bagian tersebut tidak sekuat atau seringan yang menggunakan rasio kaset yang lebih tinggi ke D-LFT. Dengan teknik kedua, menerapkan pita perekat dan D-LFT pada sisi berlawanan dari suatu bagian, integrasi fungsional/konsolidasi bagian yang lebih baik dicapai pada sisi D-LFT, dan kekakuan/kekuatan yang lebih tinggi dicapai pada sisi pita UD (lihat “Termoplastik hibrida). moulding:Menguatkan komposit otomotif”), tetapi struktur yang dihasilkan masih relatif berat dan tidak kaku dan kuat seperti yang diharapkan.

Mengingat sifat lantai beban kendaraan yang kritis terhadap keselamatan, dan keinginan peneliti SMiLE untuk menggunakan seluruh lantai beban belakang termoplastik-komposit untuk menyerap energi benturan (tidak hanya dengan profil logam yang dipasang ke sisi aksial dari semua logam konvensional atau hibrida baru- lantai beban komposit), penting untuk membuat lantai beban belakang sekuat dan sekuat mungkin. Karena para peneliti perlu mengurangi berat dan biaya untuk mencapai target proyek, ingin menjaga lantai beban tetap tipis sambil menghindari tekuk selama tumbukan, dan juga ingin menambahkan fungsionalitas di lokasi utama (misalnya, titik pemasangan untuk sabuk pengaman baris kedua), mereka mengembangkan subproses pencetakan D-LFT/kompresi baru di mana sebagian besar lantai beban adalah pita termoplastik (prakonsolidasi menjadi laminasi sebelum pencetakan), dengan D-LFT diterapkan secara selektif hanya di mana tulang rusuk dan geometri kompleks diperlukan, tetapi tidak mungkin dibentuk dengan pita laminasi sendirian.

Tim juga memutuskan untuk mencoba membuat lantai beban belakang 1,3 kali 1,3 m dalam satu langkah di dalam mesin cetak-kompresi. Untuk mewujudkan semua tujuan ini, tim membutuhkan kombinasi alat yang menarik dan inovatif serta proses pembentukan yang berurutan.

LFT lokal lanjutan yang disesuaikan

Desain akhir lantai beban belakang adalah cangkang tipis, struktur hampir berbentuk jaring yang diproduksi melalui pita UD yang dikonsolidasikan sebelumnya menjadi laminasi. Kerutan besar disertakan di sepanjang sumbu longitudinal bagian untuk kekuatan tinggi pada massa dan ketebalan rendah. Namun, para peneliti tahu bahwa kerutan ini akan sulit dicetak dalam laminasi besar. Untuk memastikan draping yang baik, simulasi digunakan untuk merancang cetakan untuk memverifikasi pembentukan kerutan yang dapat direproduksi (tinggi 50 mm dengan lebar 115 mm) dan untuk meminimalkan kerutan. Jika mereka salah dan kerutan tidak terbentuk dengan benar, laminasi bisa kusut atau bergeser dari bidang, dan kekuatan ikatan dengan D-LFT akan buruk. Pembuatan prototipe virtual memperkirakan bahwa urutan pembentukan terbaik adalah dari dalam/tengah ke luar menuju ke samping, mirip dengan apa yang biasanya dilakukan dengan hand layup. Satu-satunya cara proses pembentukan berurutan dapat dilakukan dalam satu langkah pencetakan (di mana laminasi tidak dibentuk sebelumnya di luar mesin press utama) adalah dengan menggunakan tindakan perkakas (slide).

Slide biasa terjadi pada alat cetakan injeksi yang sangat kompleks. Meskipun mereka tidak pernah terdengar dalam cetakan kompresi, mereka kurang umum dan cenderung jauh lebih kompleks saat digunakan. Para peneliti merancang alat dengan enam rongga yang dapat dipindahkan (menggunakan empat slide) untuk membentuk kerut dan struktur lain dalam laminasi, daripada hanya membentuknya di D-LFT, yang jika tidak, akan menambah massa dan ketebalan yang signifikan pada bagian tersebut.

Pekerjaan sebelumnya pada kekuatan antarmuka pada sambungan rusuk laminasi/D-LFT telah menunjukkan kekuatan ikatan yang unggul dicapai jika, sebelum overmolding, laminasi mempertahankan suhu setidaknya 130°C — di bawah titik leleh matriks PA6 — dan D -LFT dikirim ke alat pada 280 ° C, di atas titik leleh PA6. Untuk menjaga laminasi dari pendinginan terlalu cepat terhadap alat sebelum biaya D-LFT ditempatkan, peneliti meletakkannya di pin ejector diperpanjang sepenuhnya di sisi rongga alat. Saat dua muatan D-LFT dikirimkan, pin ejektor diturunkan dan cetakan mulai menutup. Selanjutnya, empat slide — tiga di antaranya dioperasikan menggunakan sistem hidraulik alat berat, dengan yang keempat dioperasikan melalui aksi pegas — diperpanjang secara berurutan untuk membentuk laminasi, termasuk kerutan dalamnya. Setelah pers ditutup sepenuhnya, struktur rusuk D-LFT (dalam kisi berbentuk X yang kompleks) terbentuk. Para peneliti menyebut teknik pembentukan sekuensial ini sebagai LFT lokal yang disesuaikan dengan tingkat lanjut.

Dalam keberangkatan lain dari desain alat kompresi konvensional, cetakan dibangun dengan tepi geser hanya di bagian di mana D-LFT mengalir ke tepi bagian untuk mencetak muatan pilihan D-LFT yang dapat mengalir terhadap laminasi pita tidak mengalir yang membentuk sebagian besar strukturnya.

Teknologi konsolidasi vakum akibat radiasi

Langkah proses penting untuk memastikan perilaku pembentukan yang dapat direproduksi dan kinerja mekanis yang tinggi di bagian akhir adalah konsolidasi pita. Dengan memanaskan tumpukan pita termoplastik dengan cepat sesaat sebelum pembentukan, rongga dihilangkan di dalam dan di antara lapisan dan konsolidasi/peresapan serat yang sangat baik tercapai. Agar hal ini tidak menjadi langkah yang membatasi kecepatan, prosesnya disesuaikan dengan kecepatan pemasangan pita termoplastik otomatis — mesin pelapis pita Fiberforge RELAY dari Dieffenbacher GmbH (Eppingen, Jerman) digunakan — serta siklus pencetakan pada kompresi mesin press, mesin press Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS seberat 3.600 ton, juga dari Dieffenbacher, digunakan untuk membentuk lantai beban belakang.

Sebelum SMiLE, Institut Teknologi Kimia Fraunhofer (F-ICT, Pfitztal, Jerman) — yang memimpin pengembangan lantai beban depan dan belakang dalam program SMiLE yang lebih besar, dan juga membantu mengembangkan proses pencetakan berurutan LFT lokal yang disesuaikan dengan program lain partner — telah mengembangkan proses inovatif yang disebut teknologi konsolidasi vakum yang diinduksi radiasi untuk mengkonsolidasikan tumpukan pita UD dengan cepat menjadi laminasi yang kemudian diterapkan untuk menghasilkan lantai beban termoplastik belakang. Dieffenbacher sejak dikomersialkan dengan mesin yang disebut Fibercon. Proses ini dirancang untuk menyembuhkan cacat impregnasi pada pita, yang memungkinkan pita yang lebih murah digunakan sambil meminimalkan rongga di bagian akhir. Ini melibatkan penerapan sejumlah besar panas inframerah (IR) ke lapisan atas dan bawah tumpukan lapis (transmisi melalui pelat kaca IR-transparan tempat tumpukan lapis diletakkan) sambil menahan seluruh tumpukan di bawah vakum. Ini menghilangkan udara, mengalirkan resin dan mengisi celah di dalam dan di antara kaset. Panas hanya diterapkan untuk jangka waktu yang singkat, memungkinkan pita perekat untuk mengikat satu sama lain dan mengeras dengan cepat tanpa memindahkan tumpukan lapisan keluar dari tempatnya. Itu juga dirancang untuk konsolidasi cepat dan homogen dari tumpukan lapis menjadi laminasi dengan sifat tinggi dan konsisten di seluruh, membuat perilaku pembentukan dapat direproduksi dan lebih mudah untuk disimulasikan, dan memastikan sifat mekanik yang tinggi di bagian akhir. Kekhawatiran lain adalah bagaimana mempertahankan panas dalam laminasi konsolidasi dalam perjalanan ke pers, untuk memastikan sifat cetakan yang baik tanpa membuang energi untuk memanaskan ulang laminasi sebelum dibentuk. Setelah dikonsolidasikan, laminasi yang sekarang menyatu dengan cepat dipanaskan kembali sebelum dikeluarkan dari mesin dan dengan cepat dipindahkan ke mesin pres untuk dibentuk.

Urutan proses akhir

Urutan proses akhir untuk lantai beban belakang terjadi pada empat peralatan, tiga di antaranya beroperasi secara bersamaan di sel kerja.

Pertama, kaset secara otomatis diletakkan menggunakan orientasi yang ditentukan oleh simulasi melalui sistem peletakan kaset Fiberforge RELAY. Tabel pengindeksan memudahkan untuk meletakkan pita di hampir semua orientasi pada setiap lapisan tumpukan lapis. Kaset individu pada setiap lapisan ditempelkan dengan ringan ke lapisan di bawah melalui pengelasan titik, dan lapisan bawah ditahan di tempatnya selama layup melalui vakum. Karena selotip dipotong secara individual untuk setiap bagian dari setiap lapisan, ada sedikit limbah dan pemangkasan pasca-cetakan minimal diperlukan. Sistem ini juga dapat membuat lubang/jendela di tumpukan dengan memangkas tepi pita sebelum tackdown, yang mengurangi pemangkasan pasca-cetakan dan selanjutnya mengurangi sisa dan biaya.

Selanjutnya, tumpukan lapis dipindahkan dari mesin Fiberforge RELAY ke mesin Fibercon dan dipasang di antara pelat kaca unit tersebut. Saat unit ditutup, vakum ditarik pada tumpukan dan panas IR diproyeksikan untuk waktu yang singkat melalui pelat atas dan bawah, dengan cepat memanaskan matriks PA6 di atas titik lelehnya (~ 230 ° C), mengalirkan resin dan menghilangkan rongga. Laminasi kemudian didinginkan di bawah suhu kristalisasi resin (~180 °C), mengkonsolidasikan masing-masing pita menjadi satu laminasi.

Dalam mesin press kompresi yang sekarang terbuka, yang baru saja mengeluarkan bagian sebelumnya, pin ejektor ditinggalkan dan peneliti secara manual memuat dua profil aluminium dan beberapa sisipan logam ke sisi atas/inti alat sambil menunggu putaran bahan berikutnya tiba.

Laminasi yang masih panas di Fibercon dipanaskan lagi di atas titik leleh PA6, unit dibuka dan laminasi dipindahkan ke press kompresi terbuka. Karena udara adalah konduktor termal yang lebih buruk daripada baja, laminasi kemudian diletakkan pada pin ejektor yang diperpanjang sepenuhnya di sisi rongga alat untuk membantu menahan panas di laminasi sebelum kedatangan muatan D-LFT.

Sementara kaset sedang diletakkan dan dikonsolidasikan, bahan D-LFT di dekatnya sedang digabungkan menggunakan dua ekstruder (sistem In-Line Compounder dari Dieffenbacher). Pengekstrusi pertama mengombinasikan resin dan aditif sedangkan serat cincang kedua hingga panjang yang diinginkan dan kemudian menggabungkan resin/aditif dengan serat untuk menghasilkan muatan D-LFT panas yang telah ditimbang dan tercampur sepenuhnya yang kemudian dikirim ke mesin pres kompresi. Dalam kasus lantai beban, dua muatan D-LFT ditempatkan pada laminasi saat diturunkan ke pahat dengan menarik kembali pin ejektor.

Dengan muatan D-LFT yang lebih panas berada di atas laminasi yang lebih dingin, mesin pres mulai menutup saat keempat slide dikerahkan secara berurutan untuk membentuk laminasi sebelum penutupan alat penuh. Aplikasi berurutan dari slide mencegah kerutan pada laminasi saat fitur 3D, termasuk kerutan, terbentuk. Setelah alat atas ditutup, laminasi pita sepenuhnya terbentuk dan muatan D-LFT panas dicetak pada 1.430 MT ke dalam struktur kisi-bergaris. Bagian yang lengkap, dengan sisipan logam yang terintegrasi penuh, kemudian dikeluarkan setelah mesin pres dibuka.

Dalam lingkungan produksi, semua penanganan material akan dilakukan menggunakan robot gantry yang dilengkapi dengan gripper jarum, tetapi untuk program penelitian SMiLE dilakukan dengan tangan. Untuk program penelitian, total siklus pencetakan adalah 240 detik, diperlambat dengan mencetak rusuk tebal lantai beban. Para peneliti percaya bahwa dalam lingkungan produksi mereka dapat memperoleh waktu siklus di bawah 100 detik dengan modifikasi perkakas lebih lanjut, dan bahwa mereka dapat mendorongnya lebih rendah lagi jika laminasi telah dibentuk sebelumnya sebelum ditempatkan di mesin cetak.