Komposit + logam:Teknologi hybrid profil berongga
Overmolding injeksi telah banyak menjadi berita industri komposit akhir-akhir ini, tetapi terutama di bidang pembuatan komposit hibrida. Prepreg yang diperkuat serat kontinu yang dibentuk atau bentuk komposit yang telah diawetkan sebelumnya diposisikan di dalam rongga cetakan dan kemudian dienkapsulasi dalam bagian cetakan injeksi yang diperkuat serat pendek yang lebih besar sedemikian rupa untuk memberikan penguatan ekstra hanya jika diperlukan untuk menghindari bagian yang dirancang berlebihan dan mengendalikan biaya produksi. Hampir tanpa disadari dalam kesibukan publisitas ini adalah berita seputar struktur plastik/logam hibrida (PMH) — struktur yang menggabungkan injeksi substruktur lembaran-logam yang dilapis dengan komposit termoplastik.
Kategori PMH baru-baru ini diperluas berkat perkembangan baru yang pertama kali diumumkan di Eropa pada bulan Maret. Disebut teknologi hollow-profile hybrid (HPH), pengembangan ini memungkinkan penggunaan substruktur logam tubular yang diekstrusi atau dilas secara efisien sebagai pengganti lembaran logam yang dicap atau dicap-plus-las untuk mencapai kinerja mekanis yang lebih tinggi untuk komponen PMH yang dikenai beban tinggi. Teknologi HPH memulai debutnya di Amerika Utara pada tanggal 30 April-1 Mei pada Konferensi Plastik Teknik Otomotif tahunan (AutoEPCON) ke-13 yang diselenggarakan oleh Society of Plastics Engineers (SPE, Bethel, CT, US) dan diadakan di pinggiran kota Detroit.
Struktur hibrida plastik-logam “tradisional”
Teknologi PMH awalnya dikembangkan sekitar tahun 1995 oleh Bayer AG (Leverkusen, Jerman). Tim komposit dan teknologi PMH dipisahkan sebagai bagian dari bisnis Kimia dan Polimer Bayer pada tahun 2004 menjadi LANXESS Corp. (Pittsburgh, PA, AS).
PMH menggunakan baja dicap berlubang selektif atau substruktur lembaran logam aluminium yang ditempatkan ke dalam alat cetak injeksi yang, biasanya, secara selektif overmolded (yaitu, substrat logam tidak seluruhnya dikemas) dengan poliamida yang diperkuat fiberglass 6 (GR-PA 6). Struktur hibrid yang dihasilkan menampilkan bagian-bagian fungsional pilihan perancang bagian, termasuk braket, rusuk, bos, dan geometri lainnya dalam komposit di bagian luar. Perforasi, yang memungkinkan komposit termoplastik mengalir melalui dan di sekitar substruktur logam, mendorong ikatan yang kuat antara kedua bahan dan memungkinkan struktur yang dihasilkan untuk menawarkan yang terbaik dari kedua dunia. Artinya, bagian tersebut diuntungkan oleh kekakuan dan kekuatan tinggi dari lembaran logam berdinding tipis, tetapi bagian tersebut dikakukan dan distabilkan oleh, misalnya, rusuk komposit yang mencegah logam dari tekuk. Selain itu, komposit berkontribusi terhadap ketahanan korosi, permukaan akhir yang baik, bobot yang lebih rendah dan peningkatan konsolidasi bagian dan integrasi fungsional yang dicapai dalam satu langkah, sehingga menghilangkan perangkat keras, braket, dan operasi sekunder. Dan karena matriksnya adalah PA 6, ia juga menawarkan ketahanan kimia yang baik dan luas ditambah ketangguhan (kekuatan benturan) yang sangat baik.
Struktur PMH lebih ringan dan memiliki bagian yang jauh lebih sedikit (diproduksi dalam langkah yang jauh lebih sedikit) daripada struktur lembaran logam yang sebanding dengan fungsi yang sama, namun mereka memiliki mekanik yang lebih tinggi daripada komposit termoplastik yang diperkuat serat terputus saja. Ini sangat membantu dalam kasus di mana ruang terbatas, dan bagian dinding yang tebal tidak diinginkan. Kemampuan untuk sangat mengurangi jumlah suku cadang dan langkah-langkah produksi tidak hanya mengurangi biaya dan jejak produksi, tetapi juga mengurangi biaya persediaan dan garansi. Dan karena matriksnya adalah termoplastik, struktur hibrida dapat dipisahkan dan didaur ulang pada akhir masa pakai kendaraan.
Karena manfaat daur ulang dan kinerjanya, teknologi PMH telah digunakan selama bertahun-tahun untuk memproduksi berbagai komponen otomotif, mulai dari rakitan besar seperti modul front-end dan bumper beam hingga komponen underhood. Ini juga telah digunakan dalam aplikasi non-otomotif, seperti rollerblade, dan komponen pada skuter dan mobil off-road kecil.
Struktur berbentuk tabung
Seperti halnya teknologi apa pun, PMH memiliki beberapa kelemahan. Pertama, amortisasi biaya perkakas logam dan plastik (kedua jenis diperlukan dengan teknik ini) kemungkinan besar memerlukan aplikasi untuk program kendaraan bervolume sedang hingga tinggi. Ini terlalu mahal untuk produksi khusus kecuali biaya perkakas dapat dibagi dengan model serupa pada platform yang sama. Kedua, seperti yang diterapkan secara konvensional, teknologi PMH paling baik digunakan dengan substruktur lembaran logam 2D atau 2.5D sederhana, misalnya, bagian berbentuk L, C atau lebih datar. Namun, struktur tersebut sering kekurangan kekuatan puntir yang cukup untuk memenuhi persyaratan kinerja tinggi tertentu. Selain itu, tidak mungkin membuat struktur bentuk tertutup/tubular (pikirkan penampang O dan penampang berbentuk tabung atau persegi lainnya) melalui PMH karena profil tertutup akan runtuh di bawah tekanan tinggi dari cetakan injeksi.
“Ide untuk struktur hybrid berongga berevolusi dari daftar aplikasi otomotif struktural 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 kinerja,” jelas Joseph Aiello, insinyur pengembangan aplikasi struktural LANXESS. Dia mengutip balok lintas mobil sebagai komponen HPH yang ideal secara teoritis, karena berat dan mengandung banyak braket dan lampiran lainnya dalam logam. Balok mobil silang digunakan pada setiap kendaraan penumpang untuk memberikan kekakuan torsional pada sasis. Mereka juga menyediakan titik pemasangan untuk komponen yang menembus dari kompartemen mesin ke interior kendaraan (misalnya, roda kemudi) dan untuk komponen yang dipasang dari titik di depan firewall dan diproyeksikan ke kabin penumpang (misalnya, panel instrumen dan konsol tengah) . Pekerjaan sebelumnya yang menerapkan teknologi PMH pada balok mobil silang tidak memiliki kinerja mekanis yang memadai karena upaya tersebut berpusat pada upaya untuk membuat substruktur logam berbentuk tabung (bentuk tertutup) untuk balok dengan mengelas dua struktur PMH terbuka berbentuk L bersama-sama setelah berlebihan. “Karena struktur bentuk tertutup dikenal di bidang teknik lebih kuat daripada struktur terbuka, tempat yang logis untuk mulai meningkatkan kinerja mekanis hibrida plastik-logam adalah menemukan cara untuk menerapkan teknologi pada balok atau tabung berongga dengan atau penampang persegi panjang,” tambah Aiello.
Tantangannya, seperti biasa, adalah untuk mencapai ikatan kekuatan tinggi antara substruktur metalik dan komponen fungsional komposit apa pun yang di-overmolding ke atasnya — fitur yang sangat penting untuk komponen penting struktur seperti balok lintas mobil. Awalnya, tim mengerjakan teknologi yang cocok untuk overmolding tabung standar tanpa memerlukan peralatan khusus. Pertanyaannya menjadi bagaimana selektif merusak tabung — membuat lesung pipit atau depresi — di mesin cetak injeksi yang akan memastikan interlock yang baik antara tabung logam dan matriks, dan dengan demikian mencapai kekuatan ikatan yang tinggi antara substruktur logam dan komposit overmolded tanpa menyebabkan tabung runtuh pada tekanan tinggi biasanya terlihat selama siklus pencetakan. Setelah banyak belajar, tim LANXESS yang sama yang awalnya mengembangkan teknologi PMH juga mengembangkan proses HPH.
Pada dasarnya, HPH menggunakan aliran tinggi, sangat diperkuat kaca PA 6 "elemen struktural" - tabung padat cetakan injeksi dengan rusuk/sirip yang dirancang khusus yang menonjol dari luar - yang ditempatkan ke pusat berongga dari tabung baja atau aluminium yang, pada gilirannya, dimasukkan ke dalam mesin cetak injeksi dan di-overmolding 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 pers untuk overmolding — mencegah keruntuhan tabung selama pencetakan dan membantu membentuk / merusak tabung melalui proses yang disebut beading atau dimpling, selama proses pencetakan bertekanan tinggi, dengan demikian memastikan ikatan yang kuat antara logam dan material komposit. Elemen internal ini tetap berada di dalam tabung untuk menambah dukungan struktural.
LANXESS melaporkan bahwa elemen berusuk/bersirip internal bahkan dapat dirancang untuk digunakan dengan tabung baja atau aluminium berlubang. Ini berfungsi seperti perforasi yang digunakan dalam teknologi PMH konvensional.
Untuk menghilangkan kebutuhan akan cetakan kedua, alat itu dapat dirancang untuk memasukkan ruang di rongga samping untuk mencetak elemen struktural untuk tabung yang akan digunakan dalam bidikan berikutnya sementara itu menutupi tabung tertentu yang diperkuat dengan elemen struktural. Dan seluruh proses dilaporkan dapat sepenuhnya otomatis, jika diinginkan.
Dibandingkan dengan struktur PMH konvensional, dengan substruktur yang dicap atau dicap-plus-las, struktur HPH dikatakan menawarkan kekakuan dan kekuatan torsional yang lebih tinggi dan stabilitas dimensi yang lebih baik pada penampang, massa dan ketebalan yang sebanding, namun tetap memberikan semua manfaat klasik dari Proses PMH asli LANXESS.
Apa selanjutnya?
Aplikasi target HPH mencakup komposit hibrid/struktur logam dengan tuntutan mekanis tinggi yang mencakup tidak hanya balok lintas mobil tetapi juga rangka kursi mobil dan modul ujung depan, bak truk, dan braket cermin. Di luar arena otomotif, bisa digunakan untuk memproduksi furnitur, tangga, atau bahkan kereta bayi. Terlalu baru untuk membuat aplikasi komersial, HPH dikatakan menjadi bagian dari banyak proyek pengembangan yang sedang dikerjakan dan LANXESS mengatakan terus mengevaluasi peluang, dan melaporkan masih mengerjakan beberapa rilis teknologi untuk menyelesaikan aplikasi patennya, yang akan diajukan akhir tahun ini.
Apa yang mungkin terjadi selanjutnya untuk HPH? LANXESS juga mengatakan sebelumnya telah melakukan penelitian PMH menggunakan matriks PA 6/6 dan polybutylene terephthalate (PBT) dan penguatan serat karbon, dan bahkan telah mengevaluasi substruktur magnesium, meskipun sebagian besar aplikasi komersial tetap menggunakan GR-PA 6 dengan tingkat pemuatan kaca sebesar 30-60%. Secara teoritis kombinasi material yang sama dapat digunakan untuk HPH, meskipun fokus tim tetap pada 60% GR-PA 6. Jika penguatan serat karbon digunakan, substruktur logam perlu diisolasi (kemungkinan melalui pelapisan) untuk mencegah korosi galvanik. Atau, untuk aplikasi yang lebih sedikit struktural, harus dimungkinkan untuk menggunakan tabung yang diekstrusi atau pultruded dari plastik atau komposit.
