Teknologi Profil Longgong Hibrid: Menggabungkan Komposit dan Logam untuk Penguat Unggul
Injection overmolding telah banyak muncul dalam berita industri komposit akhir-akhir ini, tetapi terutama dalam bidang penciptaan komposit hibrida. Prepreg serat berkelanjutan yang dibentuk atau bentuk komposit yang sudah dikuring ditempatkan dalam ruang cetakan dan kemudian dikapsulasi dalam bagian injeksi mold yang lebih besar yang reinforced serat pendek sedemikian rupa sehingga memberikan penguat tambahan hanya di tempat yang diperlukan untuk menghindari bagian yang overdesigned dan mengontrol biaya produksi. Hampir tidak terlihat dalam keramaian publikasi ini adalah berita tentang struktur hibrida plastik/logam (PMH) — yang menggabungkan substruktur logam lem dengan komposit termoplastik yang di injection overmold.
Kategori PMH baru-baru ini diperluas berkat perkembangan baru yang pertama kali diumumkan di Eropa pada Maret. Disebut teknologi profil longgong hibrida (HPH), perkembangan ini memungkinkan penggunaan yang efisien dari substruktur logam tabung yang di ekstrud atau di las sebagai gantian lem atau lem plus las untuk mencapai performa mekanik yang lebih tinggi untuk komponen PMH yang tunduk pada beban tinggi. Teknologi HPH melakukan debut di Amerika Utara pada 30 April-1 Mei di Konferensi Plastik Teknik Otomotif ke-13 (AutoEPCON) yang diadakan oleh Society of Plastics Engineers (SPE, Bethel, CT, AS) dan diadakan di pinggiran Detroit.
“Tradisional” struktur hibrida plastik-logam
Teknologi PMH awalnya dikembangkan sekitar 1995 oleh Bayer AG (Leverkusen, Jerman). Tim komposit dan teknologi PMH dipisahkan sebagai bagian dari bisnis Kimia dan Polimer Bayer pada 2004 untuk menjadi LANXESS Corp. (Pittsburgh, PA, AS).
PMH menggunakan substruktur logam lem selektif yang ditempatkan dalam alat cetak injeksi yang biasanya secara selektif di overmold (yaitu, substrat logam tidak sepenuhnya dikapsulasi) dengan polyamide 6 reinforced serat kaca (GR-PA 6). Struktur hibrida yang dihasilkan menawarkan pilihan desainer bagian untuk bagian fungsional, termasuk braket, rib, boss dan geometri lain dalam komposit di luar. Perforasi, yang memungkinkan komposit termoplastik untuk mengalir melalui dan di sekitar substruktur logam, mendorong bonding yang kuat antara kedua material dan memungkinkan struktur yang dihasilkan menawarkan yang terbaik dari kedua dunia. Artinya, bagian mendapatkan manfaat dari kekakuan dan kekuatan tinggi lem logam tipis dinding, tetapi dikaksa dan stabil oleh, misalnya, rib komposit yang mencegah logam membungkuk. Secara tambahan, komposit menyumbang resistensi korosi, finishing permukaan yang baik, bobot lebih rendah dan konsolidasi bagian serta integrasi fungsional yang ditingkatkan yang dicapai dalam satu langkah, sehingga menghilangkan perangkat keras, braket dan operasi sekunder. Dan karena matriksnya adalah PA 6, ini juga menawarkan resistensi kimiawi yang baik dan luas serta keawetan yang luar biasa (kekuatan dampak).
Struktur PMH lebih ringan dan memiliki jauh lebih sedikit bagian (diproduksi dalam jauh lebih sedikit langkah) daripada struktur lem logam yang sebanding dengan fungsionalitas yang sama, namun mereka memiliki mekanik yang lebih tinggi daripada komposit termoplastik reinforced serat diskontinu saja. Ini sangat membantu dalam kasus di mana ruang terbatas, dan bagian dinding tebal tidak diinginkan. Kemampuan untuk sangat mengurangi jumlah bagian dan langkah produksi tidak hanya mengurangi biaya dan jejak manufaktur, tetapi juga mengurangi biaya inventori dan jaminan. Dan karena matriksnya adalah termoplastik, struktur hibrida dapat dipisahkan dan didaur ulang di akhir hayat kendaraan.
Karena kemampuan daur ulang dan manfaat performa, teknologi PMH telah digunakan selama bertahun-tahun untuk memproduksi berbagai komponen otomotif, dari rangka besar seperti modul bagian depan dan balok bumper hingga komponen underhood. Ini juga telah digunakan dalam aplikasi non-otomotif, seperti rollerblade, dan komponen pada skuter dan mobil off-road kecil.
Struktur tabung
Seperti halnya teknologi apa pun, PMH memiliki beberapa kelemahan. Pertama, amortisasi biaya alat logam dan plastik (keduanya dibutuhkan dengan teknik ini) kemungkinan akan memerlukan aplikasi pada program kendaraan volume menengah hingga tinggi. Ini terlalu mahal untuk produksi niche kecuali biaya alat dapat dibagi dengan model serupa pada platform yang sama. Kedua, seperti yang diterapkan secara konvensional, teknologi PMH paling baik digunakan dengan substruktur lem logam 2D atau 2.5D sederhana, misalnya, bagian L-, C-bentuk atau lebih datar. Namun, struktur tersebut seringkali tidak memiliki kekuatan torsi yang cukup untuk memenuhi persyaratan performa tinggi. Juga, tidak mungkin untuk membuat struktur bentuk tertutup/tabung (pikir O-bentuk dan other cross section tabung atau persegi) melalui PMH karena profil tertutup akan runtuh di bawah tekanan tinggi cetak injeksi.
“Ide untuk struktur hibrida profil longgong timbul dari daftar aplikasi struktural otomotif beban tinggi, di mana sangat diinginkan untuk mengurangi massa dan menambahkan integrasi fungsional, tetapi di mana teknologi PMH saat ini tidak cukup kuat untuk memenuhi persyaratan performa,” menjelaskan Joseph Aiello, insinyur pengembangan aplikasi struktural LANXESS. Ia menyebut balok lintas sebagai komponen HPH yang ideal secara teori, karena berat dan mengandung banyak braket dan pasang lainnya dalam logam. Balok lintas digunakan di setiap mobil penumpang untuk memberikan kekakuan torsi pada rangka. Mereka juga menyediakan titik pemasang untuk komponen yang menembus dari ruang mesin ke interior kendaraan (misalnya, stiran) dan untuk komponen yang melekat dari titik di depan dinding api dan merambah ke kabin penumpang (misalnya, panel instrumen dan konsol tengah). Pekerjaan sebelumnya yang menerapkan teknologi PMH pada balok lintas tidak memiliki performa mekanik yang cukup karena upaya berpusat pada upaya untuk menciptakan substruktur logam bentuk tertutup (tabung) untuk balok dengan me-las dua struktur PMH L-bentuk terbuka bersama setelah di overmold. “Karena struktur bentuk tertutup dikenal dalam teknik lebih kuat dari struktur terbuka, tempat logis untuk memulai meningkatkan performa mekanik dari hibrida plastik-logam adalah menemukan cara untuk menerapkan teknologi pada balok longgong atau tabung dengan cross section bundar atau persegi,” tambah Aiello.
Tantangan, seperti selalu, adalah untuk mencapai bonding yang kuat antara substruktur logam dan komponen fungsional komposit apa pun yang di overmold padanya — fitur yang sangat penting untuk komponen kritis struktur seperti balok lintas. Awalnya, tim bekerja pada teknologi yang cocok untuk overmolding tabung standar tanpa perlu peralatan khusus. Pertanyaan menjadi bagaimana untuk secara selektif melebar tabung — membuat dimples atau depresi — dalam mesin cetak injeksi yang akan memastikan interlock yang baik antara tabung logam dan matriks, dan sehingga mencapai kekuatan bonding yang tinggi antara substruktur logam dan komposit yang di overmold tanpa menyebabkan tabung runtuh pada tekanan tinggi yang biasanya terjadi selama siklus molding. Setelah banyak studi, tim LANXESS yang awalnya mengembangkan teknologi PMH juga mengembangkan proses HPH.
Pada dasarnya, HPH menggunakan elemen struktural PA 6 reinforced serat kaca tinggi dengan aliran tinggi “elemen struktural” — tabung padat yang di cetak injeksi dengan ribs/fins yang dirancang khusus yang menjalar dari luar — yang ditempatkan ke dalam pusat longgong tabung logam baja atau aluminium yang, giliran, dimasukkan ke dalam mesin cetak injeksi dan di overmold dengan komposit GR-PA 6 tambahan untuk membentuk braket eksternal dan komponen fungsional lainnya. Elemen struktural — yang dimasukkan ke dalam tabung sebelum tabung itu ditempatkan ke dalam press untuk overmolding — mencegah runtuhnya tabung selama molding dan membantu membentuk/melebar tabung melalui proses yang disebut beading atau dimpling, selama proses molding tekanan tinggi, sehingga memastikan bonding yang kuat antara material logam dan komposit. Elemen internal ini tetap ada di dalam tabung untuk menambahkan dukungan struktural.
LANXESS melaporkan bahwa elemen internal berrib/fins dapat dirancang untuk digunakan dengan tabung baja atau aluminium yang berlubang. Fungsi ini seperti lubang yang digunakan dalam teknologi PMH konvensional.
Untuk menghilangkan kebutuhan untuk cetakan kedua, alat dapat dirancang untuk menyertakan ruang dalam cavit samping untuk molding elemen struktural untuk tabung yang akan digunakan dalam shot berikutnya sementara ia overmolds tabung yang diberikan yang di kuat dengan elemen struktural. Dan seluruh proses reportedly dapat sepenuhnya diotomatisasi, jika diinginkan.
Dibandingkan struktur PMH konvensional, dengan substruktur lem atau lem plus las, struktur HPH dikatakan menawarkan kekakuan dan kekuatan torsi yang lebih tinggi dan stabilitas dimensi yang lebih baik pada cross section, massa dan ketebalan yang sebanding, namun mereka masih memberikan semua manfaat klasik dari proses PMH asli LANXESS.
Apa selanjutnya?
Aplikasi target HPH termasuk struktur hibrida komposit/logam dengan tuntutan mekanik tinggi yang mencakup tidak hanya balok lintas tetapi juga frame kursi mobil dan modul bagian depan, pintu klep truk dan braket cermin. Di luar arena otomotif, ini dapat digunakan untuk memproduksi furnitur, tangga atau bahkan stroller bayi. Terlalu baru untuk memiliki aplikasi komersial yang terbentuk, HPH dikatakan menjadi bagian dari banyak proyek pengembangan yang sedang berjalan dan LANXESS mengatakan terus mengevaluasi peluang, dan melaporkan masih bekerja pada beberapa rilis teknologi untuk menyelesaikan aplikasi paten, yang akan diajukan lebih akhir tahun ini.
Apa yang mungkin selanjutnya untuk HPH? LANXESS juga mengatakan sebelumnya telah melakukan riset PMH menggunakan matriks PA 6/6 dan polybutylene terephthalate (PBT) dan penguatan serat karbon, dan bahkan telah mengevaluasi substruktur magnesium, meski sebagian besar aplikasi komersial masih tetap pada GR-PA 6 dengan level loading serat kaca 30-60%. Secara teoritis kombinasi material yang sama dapat digunakan untuk HPH, meski fokus tim tetap pada 60% GR-PA 6. Jika penguatan serat karbon digunakan, substruktur logam perlu diisolasi (kemungkinan melalui lapisan) untuk mencegah korosi galvanik. Atau, untuk aplikasi yang kurang struktural, seharusnya mungkin untuk menggunakan tabung yang di ekstrud atau di pultruded dari plastik atau komposit.
