Термопластические формованные термореактивные пластмассы, 2-минутный цикл, одна ячейка

Автоматизированное предварительное формование термопластических лент и последующее гибридное формование - термоформование и литье под давлением ребер, зажимов и выступов на поверхности деталей - были провозглашены как будущее для производства композитов в больших объемах, таких как автомобилестроение. Но что, если бы можно было совместить прочность термопластов и функциональность деталей, полученных литьем под давлением, с высокими характеристиками эпоксидных деталей, армированных углеродным волокном?

Это то, на что намеревался ответить трехлетний проект OPTO-Light, завершившийся в 2018 году. Он финансировался Федеральным министерством образования и исследований Германии (BMBF) в рамках его стратегии по развитию фотоники - световых технологий, таких как лазеры - для массового производства легких конструкций. Проект был присужден Ахенскому центру интегративного легкого строительства (AZL) при RWTH Ахенского университета (Ахен, Германия), который предоставляет компаниям единый кампус для сотрудничества с восемью научно-исследовательскими институтами для разработки легких материалов, производственных технологий и приложений ».

Очевидным достижением OPTO-Light является сочетание высокой жесткости, легкости и низкой ползучести эпоксидной пластмассы, армированной углеродным волокном (CFRP), с большой свободой дизайна и малым временем цикла формовки термопластов. Но это всего лишь один из множества возможных прорывов в индустрии композитов, которых удалось достичь в рамках проекта, в том числе:

• Разработка предварительной обработки лазером для соединения термопласта с 3D термореактивными поверхностями;
• Интеграция трех технологий - реакционной обработки полимера, лазерной обработки и повторного формования - в единой производственной ячейке с коротким циклом;
• Горизонтальное формование препрега под давлением (HPCM), при котором материалы прикрепляются вертикально для обработки в стандартной литьевой машине.
• Разработка единой вращающейся формы, которая объединяет все требования для формования препрега под давлением и формование термопластов;
• Методология привязки оптических деталей для критического выравнивания предварительной обработки лазером и формовки по трехмерной поверхности произвольной формы;
• Демонстрация этого процесса для создания трехмерной структурной части панели пола для BMW i3 жизненный модуль электромобиля с продолжительностью цикла 2 минуты.

Действительно, в заключительном отчете проекта за апрель 2018 года утверждается, что эта технология может снизить стоимость автомобильных деталей из углепластика до 30 процентов по сравнению с текущим производством с использованием мокрого прессования и склеивания отдельных вставок для зажимов (см. Рис. 2).

От термопласта к термореактивным партнерам

Зачем присоединять термопластическое формование к детали из термореактивного композита? «Компоненты из термоактивного углепластика, изготовленные из эпоксидной смолы, обладают наилучшими характеристиками для кузовов автомобилей», - утверждает инженер-исследователь AZL Ричард Шарес. Формовка ребер из термопластичного композита увеличивает конструктивную жесткость детали (модуль упругости сечения), тем самым уменьшая количество необходимого углеродного волокна. «Используя толщину ребра, равную толщине оболочки из углепластика, удельную жесткость на изгиб демонстрационной части OPTO-Light можно увеличить втрое», - добавляет он. Дополнительное формование может дополнительно снизить стоимость детали за счет создания литых крепежных зажимов или выступов для винтов, одновременно обеспечивая изоляцию для предотвращения гальванической коррозии между углеродным волокном и металлическими крепежными деталями.

Таким образом, цель была определена, но вопрос заключался в том, как объединить оба материала в одной формовочной камере. Шарес объясняет, как выбирались отраслевые партнеры. «У BMW был самый большой опыт в серийном производстве деталей из углепластика. KraussMaffei очень активно создавала комбинированные технологии, такие как многокомпонентная литьевая машина ColorForm и гибридная формовочная машина FiberForm ».

Демонстрационная часть OPTO-Light представляла собой часть BMW i3 длиной 470 миллиметров, шириной 317 миллиметров и глубиной 130 миллиметров. Пол модуля Life, включая торцевую стенку у колесной арки. «Нагрузки этого компонента требуют хороших характеристик жесткости и прочности в случае аварии», - поясняет Шарес. «Мы также хотели сложность формы и драпировки, чтобы доказать возможность горизонтального прессования препрега, лазерной абляции и повторного формования по поверхности произвольной формы».

Почему фотоника?

Германия профинансировала долгосрочную стратегию по продолжению развития фотонных технологий, поскольку она играет ключевую роль в текущей глобальной цифровой трансформации производства. Промышленность композитов должна принять это к сведению, потому что фотоника обеспечивает не только расширенную обработку, такую ​​как автоматическое размещение волокон, лазерная сварка термопластов, прецизионная обработка и различные процессы 3D-печати, но также датчики и визуальную связь для метрологии, мониторинга процессов и встроенного контроля. В OPTO-Light для предварительной обработки поверхностей перед формованием использовался ближний инфракрасный (NIR) лазер; Кроме того, различные лазерные датчики предоставляли данные для управления технологическим процессом и встроенного контроля качества (QA).

Последние четыре партнера OPTO-Light - немецкие поставщики фотонных систем. Первый, Арджеш (Ваккерсдорф), является экспертом в области 3D-сканеров, используемых для лазерной обработки. «Обычно он разрабатывает инновационные системы лазерного сканирования, позиционирование и отклонение лазерных лучей при промышленной обработке материалов и медицинских приложениях», - говорит Шарес. «Двухлучевая установка Arges была разработана для абляции и нагрева. Компания Precitec (Gaggenau) предоставила интерферометрический датчик для измерения расстояния, используемого во время абляции, и привязки деталей на протяжении всего процесса. Компания Sensortherm (Sulzbach) предоставила пирометр (датчик температуры), который помогает контролировать процесс, а компания Carl Zeiss Optotechnik (ранее Steinbichler, Neubeuern) предоставила лазерный сканер T-scan для обеспечения качества. «Он измеряет геометрию детали и обнаруживает потенциальную деформацию», - объясняет Шарес. «На нем будут обнаружены дефекты, такие как отформованное ребро, не полностью связанное с оболочкой из углепластика». Все эти системы интегрированы в многофункциональный лазерный сканер . (Рис. 2), который установлен на конце шестиосевой роботизированной руки Kuka (Аугсбург, Германия).

HP-RTM для препрег-ленты

Первоначальная идея заключалась в том, чтобы изготавливать детали из углепластика из эпоксидной смолы с использованием C-RTM, разновидности литьевого формования смолой под высоким давлением (HP-RTM), также известной как пропитка зазоров, разработанной IKV Institute of Plastics Processing. Однако за это время автоматизированные процессы на основе лент начали ставить под сомнение жидкое формование не изгибаемой ткани (NCF), предлагая, как сообщается, 30-процентное сокращение обрезков отходов. Жидкие эпоксидные смолы мгновенного отверждения также были превращены в препрег, что сделало прессование привлекательным с потенциальным временем цикла от одной до двух минут.

Для оболочки демонстратора были оценены четыре однонаправленных препрега. Они были преобразованы в сетчатые 2D-заготовки с использованием ячейки для укладки ленты STAXX компании Broetje-Automation (Растеде, Германия).

Затем формованные оболочки из углепластика будут подвергнуты формованию из 30-процентного армированного коротким стекловолокном полиамида 6 (GF / PA6) с использованием Lanxess (Кельн, Германия) Durethan BKV 30 H2.0 901510. Система впрыска KraussMaffei CXW-200-380 / 180 SpinForm Формовочная машина была выбрана в качестве основы для производственной ячейки OPTO-Light и установлена ​​на AZL. В нем используется технология поворотной плиты, разработанная для многокомпонентного литья под давлением.

Форма, прикрепленная к поворотной плите, использовалась для формирования двух различных формующих полостей для двух различных процессов - прессования прессованного препрега из экспоксидной смолы и литьевого формования термопласта под давлением. «Никто раньше не создавал такого инструмента», - отмечает Шарес. BMW и KraussMaffei потратили много недель на разработку всех требований для обоих процессов, включая допуски из-за различных температурных зон, точность точения и уплотнение для термореактивной смолы, а также стандартные детали для инструментов для литья под давлением.

Лазерная абляция и привязка деталей

Эпоксидная оболочка из углепластика, полученная в процессе компрессионного формования, должна быть обработана перед термопластическим формованием, чтобы достичь достаточной прочности соединения разнородных материалов. Лазерная абляция предлагает экологически безопасный одностадийный процесс по сравнению с механической или химической предварительной обработкой и обеспечивает точную глубину и траекторию абляции, что хорошо подходит для соединения ребер с деталями вдоль трехмерных поверхностей. Метод абляции включает обнажение углеродных волокон путем локального удаления верхнего слоя эпоксидной смолы толщиной 10 микрон. Это очищает поверхность и создает микроструктуру, которая позволяет формовочной смеси смачиваться и проникать в открытые волокна.

Многофункциональный лазерный сканер излучает лазерный луч с длиной волны 1,064 нанометра в импульсах наносекундной длительности. «Вам нужна высокая интенсивность, и пульсация позволяет добиться этого наиболее эффективно», - объясняет Шарес. «Мы пробовали использовать лазер непрерывного действия, но он создает слишком большое тепловое напряжение в многослойном композитном материале ниже зон соединения, снижая адгезию волокна к эпоксидной смоле. Было нелегко найти подходящий для процесса источник луча, который можно было бы использовать для удаленной обработки в промышленных условиях ».

Поскольку отформованные ребра должны соответствовать предварительно обработанным участкам, процесс абляции требует высокой точности позиционирования. Последующее размещение формованного композитного материала стекловолокно / PA6 строго определяется пресс-формой. Таким образом, AZL разработала необходимую методологию привязки деталей. «Смещение между предварительно обработанной геометрией и формованным компаундом должно быть менее 300 микрон. Таким образом, точность для центральной точки поля лазерного сканирования (центральной точки инструмента) должна быть в пределах 150 микрон относительно контрольной точки. Это было достигнуто, а также время цикла предварительной обработки лазером составляло менее двух минут. «Очень важна была предварительная работа Института производственных технологий Фраунгофера (IPT) по созданию траектории для робота и лазерного луча - это было нетривиально», - говорит Шарес. Система действительно доказала свою надежность - результаты испытаний показали прочность на сдвиг 27 МПа между формованным материалом GF / PA6 и эпоксидной подложкой из углепластика.

Более короткие технологические маршруты

Даже когда преимущества первоначального процесса были задокументированы, команда OPTO-Light поняла, что можно отказаться от предварительной обработки лазером. Этот двухэтапный процесс только частично отверждал бы оболочку эпоксидного препрега и использовал оставшуюся реакционную способность эпоксидной смолы для достижения соединения с термопластичным формованием. Существует три возможных механизма соединения неотвержденной эпоксидной смолы с PA6:

• Ковалентная связь между реакционноспособными эпоксидными кольцами и аминогруппами ПА;
• Водород связывается с водородом амина в качестве донора и кислородом эпоксидной смолы в качестве акцептора;
• Полувзаимопроникающие сети за счет эффектов диффузии, которые возможны благодаря подвижности молекулярных цепей ПА при высоких температурах.

Преимущество этого двухэтапного процесса, говорит Шарес, «в том, что вы можете пропустить предварительную обработку, но требуемый контроль процесса намного сложнее, а качество поверхности не такое блестящее. Однако дальнейшее снижение стоимости деталей за счет упрощения производства очень привлекательно ».

Ключ к этому процессу - мониторинг процесса. «Вы должны заглянуть внутрь процесса компрессионного формования препрега, потому что необходимо знать состояние отверждения, чтобы добиться хорошего соединения с термопластическим формованием», - объясняет он. Мониторинг состояния отверждения достигается с помощью датчиков давления и температуры в форме, а также датчиков удельного сопротивления постоянному току (DCR) и диэлектрического анализа (DEA).

DCR и DEA хорошо зарекомендовали себя для мониторинга отверждения композитов. В OPTO-Light управление процессом DCR / DEA включает в себя систему Optimold от Synthesites (Uccle, Бельгия), включая надежный 16-миллиметровый датчик DCR и программное обеспечение Optiview. Optimold контролирует электрическое сопротивление смолы, температуру до 210 ° C и давление 90 бар с частотой дискретизации 1 Гц. Аналитическое устройство DEA288 Epsilon от Netzsch Gerätebau (Зельб, Германия) включает 4-миллиметровый керамический монотрод и программное обеспечение Proteus. Еще одним ключевым компонентом является программное обеспечение Kistler Instruments (Винтертур, Швейцария) DataFlow для оптимизации литья под давлением.

Процесс, начиная с фиксации преформы препрега внутри формы и заканчивая выталкиванием из полости литья под давлением, описывается сигналами датчиков DCR / DEA. Эти данные имеют решающее значение для определения оптимального времени отверждения при компрессионном формовании перед поворотом к литью под давлением для завершения отверждения и повторного формования. Датчики помогают определять характеристики материала во время обработки для достижения оптимального качества детали. В будущем процесс может быть адаптивным и интеллектуальным, с переключением процесса, запускаемым сигналами датчиков DEA и DCR.

Первоначальные испытания показывают прочность на отрыв 9 Н / мм ² . и даже более высокая прочность на сдвиг для соединения эпоксидной смолы-PA6 с использованием этого второго, более короткого технологического маршрута OPTO-Light. Работа над улучшением этого соединения продолжается, включая дальнейшее использование мониторинга процессов. Команда также изучает одноэтапный процесс, в котором горизонтальное прессование препрега больше не является отдельным процессом, а вместо этого выполняется одновременно с формованием поверх.

Гибридизация на случай будущих потрясений

Потенциал OPTO-Light для разрушения был отмечен наградой AVK Innovation Award в категории исследований и науки в 2017 году. В заключительном отчете проекта за 2018 год утверждается, что для достижения паритета стоимости композитов с металлом в серийном автомобильном производстве необходимо не только максимизировать интеграция функций в деталях, а также интеграция процессов, используемых для производства этих деталей. OPTO-Light разработала ряд технологий, включая метрологию на основе фотоники, обработку поверхности и формование из термопластов / термореактивных материалов, которые обеспечивают и то, и другое. Эти технологии также открывают двери для дальнейших гибридных процессов, таких как лазерная обработка для улучшения литья под давлением. «Благодаря интеграции разработанного лазерного инструмента в ячейку для литья под давлением у вас теперь есть возможность выполнять лазерную абляцию, резку, предварительную обработку или нагрев до, между или после полимерных процессов внутри машины для литья под давлением», - объясняет Шарес. «Это расширяет функциональные возможности будущих деталей».

Идея объединения нескольких производственных процессов в одну рабочую ячейку набирает обороты в композитах. Например, многие производители станков с ЧПУ теперь предлагают ячейки, которые сочетают в себе аддитивное производство и субтрактивную обработку с ЧПУ. MF Tech (Аргентан, Франция) объединила намотку трехмерной нити и обработки с ЧПУ, и соучредитель Эмануэль Флуват подтверждает дальнейшую гибридизацию с роботами, способными переключать концевые эффекторы на ультразвуковой или лазерный сварочный аппарат для соединения термопластов, или автоматическую головку для размещения волокон для нанесения локальных участков однонаправленной ленты. «За счет интеграции лазерной системы, управляемой роботом, расширяется« ящик для инструментов »для определения дополнительных встроенных комбинированных технологий», - говорит Шарес. Это еще один значительный шаг вперед на пути к автоматизированному многопроцессному производству композитов, которое, несомненно, вскоре позволит интегрировать электронику в готовую продукцию.

Последний урок, который OPTO-Light предлагает в области гибридизации, заключается в ее партнерстве. «Самая интересная задача в управлении этим проектом заключалась в том, как привлечь всех разных партнеров, каждый из которых обладает своим уникальным опытом, например, в фотонике, реакционных полимерах, литье под давлением, метрологии, и заставить их разработать и продвинуть общее понимание эффектов каждой операции, чтобы сделать эту единую технологическую цепочку успешной », - говорит Шарес. Он подчеркивает важность опыта и поддержки со стороны пяти партнерских институтов - IKV литьевого формования, реакционных полимеров IKV, ISF для сварки и соединения, Fraunhofer IPT для интеграции лазеров и Fraunhofer ILT для альтернативных источников лазерного излучения. «Этот проект продемонстрировал способность таких междисциплинарных разработок эффективно решать технические задачи по производству недорогих композитов», - говорит Шарес. Это также заложило основу для дальнейших революционных инноваций.

Посмотрите видео интегрированного процесса OPTO-Light на https://youtu.be/b9HmgnuGQY0.