Непрерывные ленты, D-LFT встречаются в новом процессе компрессионного формования

Многолетняя финансируемая государством исследовательская программа под надзором Федерального министерства образования и исследований Германии (BMBF) под названием Системная интегрированная многоматериальная облегченная конструкция для электромобилей (SMiLE), комбинированные композиты и цветные металлы для снижения массы и затрат на полная структура кузова в белом (BIW) аккумуляторно-электрического транспортного средства (BEV). Модуль заднего пола был спроектирован с использованием двух типов термопластичных композитов плюс металлические профили и вставки. (Подробнее в CW Декабрь 2018 г. Сосредоточьтесь на дизайне . ) Для быстрого и экономичного производства этого грузового пола был разработан новый подпроцесс одностадийного формования под давлением и использована новая технология быстрого нагрева и уплотнения термопластичных лент.

Лента UD + D-LFT

В заднем грузовом полу из гибридного композитного материала используются однонаправленные (UD) термопластические ленты и композиты из термопласта с прямыми длинными волокнами (D-LFT). Термопластические ленты обеспечивают высокую жесткость / прочность в тонкой, легкой структуре, способной противостоять высоким нагрузкам изгиба при столкновении; D-LFT предоставил возможность формировать сложные геометрические формы, функциональную интеграцию / объединение деталей и возможность вставлять в форму металлические элементы крепления. Использовали Ultramid B3K polyamide 6 (PA6) D-LFT с 40 мас.% Армирования стекловолокном и восемь слоев Ultratape B3WG12 PA6 с 60 мас.% Стекловолокна, оба от BASF SE (Людвигсхафен, Германия).

Несмотря на то, что D-LFT можно формовать под давлением или прессованием, а ламинаты из ленты можно формовать под давлением, оба материала обычно подвергаются прессованию - хорошо изученный автомобильный процесс с достаточной установленной производительностью на местном и глобальном уровнях для поддержки цели программы SMiLE - 300 автомобилей в день. .

Ленты UD и D-LFT часто объединяются в одной детали одним из двух способов:Либо ленты выборочно добавляются к путям нагрузки в структурах преимущественно D-LFT, которым требуются лучшие механические свойства - метод, называемый адаптированным D-LFT, который также может использовать ровницы из непрерывных волокон вместо лент или в сочетании с ними - или ленты, а D-LFT используются для покрытия противоположных сторон детали. В первом методе текучий D-LFT легко выталкивает тонкие ленты из положения во время повторного формования, что требует использования зажимов или другого оборудования внутри инструмента для сохранения положения ленты. Хотя выборочное использование лент в структурах преимущественно D-LFT обходится дешевле, такие части не такие прочные или легкие, как те, в которых используется более высокое соотношение лент к D-LFT. При использовании второго метода, наложения лент и D-LFT на противоположных сторонах детали, достигается лучшая функциональная интеграция / консолидация деталей на стороне D-LFT, а более высокая жесткость / прочность достигается на стороне ленты UD (см. «Гибридный термопласт. литье:упрочнение автомобильных композитов »), но получившаяся структура все еще относительно тяжелая и не такая жесткая и прочная, как могла бы.

Учитывая критически важный для безопасности характер грузовых полов транспортных средств и желание исследователей SMiLE использовать весь задний грузовой пол из термопластичного композита для поглощения энергии удара (не только с помощью металлических профилей, установленных на осевых сторонах обычных цельнометаллических или новых гибридных конструкций). композитный грузовой пол), было важно сделать задний грузовой пол максимально жестким и прочным. Поскольку исследователям нужно было снизить как вес, так и стоимость, чтобы достичь целей проекта, они хотели сохранить тонкость грузового пола, избегая при этом деформации во время удара, а также хотели добавить функциональность в ключевых местах (например, в точках крепления ремней безопасности второго ряда), они разработали новый подпроцесс D-LFT / компрессионного формования, при котором большая часть нагрузочного пола представляла собой термопластичную ленту (предварительно уплотненную в ламинат перед формованием), причем D-LFT выборочно применялся только там, где требовались ребра и сложная геометрия, но невозможно сформировать с помощью ленточных ламинатов один.

Группа также решила попробовать изготовить задний грузовой пол размером 1,3 на 1,3 м за один этап внутри пресса для формования под давлением. Для реализации всех этих целей , команде требовалось сочетание интересных и инновационных инструментов и последовательного процесса формовки.

Локальный расширенный LFT

Окончательная конструкция заднего грузового пола представляет собой структуру с тонкой оболочкой почти чистой формы, изготовленную с помощью лент UD, предварительно уплотненных в ламинат. По продольной оси детали имеются крупные гофры, обеспечивающие высокую прочность при малой массе и толщине. Однако исследователи знали, что эти гофры будет трудно отлить в большой ламинат. Чтобы гарантировать хорошее драпирование, моделирование было использовано для проектирования пресс-формы для проверки воспроизводимого формирования гофр (50 мм в высоту и 115 мм в ширину) и для минимизации складок. Если они сделали это неправильно и гофры не отлились должным образом, ламинат мог сморщиться или сместиться из плоскости, и прочность соединения с D-LFT была бы низкой. Виртуальное прототипирование предсказывает, что наилучшая последовательность формования - от центра / центра к краям, аналогично тому, что обычно делается при укладке вручную. Единственный способ выполнить последовательный процесс формования за один этап формования (когда ламинат не был предварительно сформирован за пределами основного пресса) - это использование инструментов (слайдов).

Слайды часто встречаются в очень сложных инструментах для литья под давлением. Хотя они не являются чем-то необычным в компрессионном формовании, они менее распространены и, как правило, гораздо менее сложны при использовании. Исследователи разработали инструмент с шестью перемещаемыми полостями (с использованием четырех направляющих) для образования гофров и других структур в ламинате, а не просто формовать их в D-LFT, что в противном случае добавило бы детали значительной массы и толщины.

Более ранние исследования межфазной прочности на стыках ребер ламината / D-LFT показали, что превосходная прочность сцепления достигается, если перед формованием ламинат поддерживает температуру не менее 130 ° C - ниже точки плавления матрицы PA6 - и D -LFT был доставлен в инструмент при 280 ° C, выше точки плавления PA6. Чтобы ламинат не охлаждается слишком быстро относительно инструмента до того, как будут размещены заряды D-LFT, исследователи положили его на полностью выталкивающие штифты со стороны полости инструмента. Когда были доставлены два заряда D-LFT, выталкивающие штифты опустились, и форма начала закрываться. Затем четыре ползуна - три из которых работали с помощью гидравлической системы машины, а четвертая - с помощью пружины - последовательно выдвигались, образуя ламинат, включая его глубокие гофры. После того, как пресс был полностью закрыт, были сформированы ребристые структуры D-LFT (в сложной X-образной решетке). Исследователи назвали эту технику последовательного формования локальной продвинутой адаптированной LFT .

В другом отклонении от традиционной конструкции инструмента для сжатия пресс-форма была сконструирована с кромками среза только в тех секциях, где D-LFT стекала к кромке детали, чтобы отформовать выбранные заряды текучего D-LFT против негерметичного слоистого материала с лентой, который составлял основную часть материала. структура.

Технология радиационно-индуцированного вакуумного уплотнения

Важным этапом процесса, обеспечивающим воспроизводимые характеристики формования и высокие механические характеристики конечной детали, является уплотнение ленты. За счет быстрого нагрева стопок термопластичных лент непосредственно перед формованием устраняются пустоты внутри и между слоями, и достигается отличное уплотнение / пропитка волокон. Чтобы это не ограничивало скорость, процесс был согласован со скоростью автоматической укладки термопластической ленты - использовалась машина для укладки ленты Fiberforge RELAY от Dieffenbacher GmbH (Эппинген, Германия), а также циклы формования при сжатии. пресс, пресс Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS грузоподъемностью 3600 тонн, также от Dieffenbacher, используемый для формирования заднего грузового пола.

До SMiLE Институт химической технологии им. Фраунгофера (F-ICT, Пфицталь, Германия) руководил разработкой передних и задних грузовых полов в более крупной программе SMiLE, а также помогал в разработке местного усовершенствованного индивидуального процесса последовательного формования LFT с другой программой. партнеры - разработали инновационный процесс, называемый радиационно-индуцированной технологией вакуумного уплотнения для быстрого объединения стопок UD-лент в ламинат, который впоследствии был применен для производства заднего термопластичного грузового пола. С тех пор Диффенбахер выпустил машину под названием Fibercon. Этот процесс был разработан для устранения дефектов пропитки на лентах, что позволяет использовать менее дорогие ленты при минимизации пустот в готовых деталях. Он включает в себя приложение большого количества инфракрасного (ИК) тепла к верхнему и нижнему слоям стопки слоев (передача осуществляется через прозрачные для инфракрасного излучения стеклянные пластины, на которые опирается стопка слоев), при этом вся стопка находится в вакууме. Это удаляет воздух, растекает смолу и заполняет промежутки между лентами. Нагревание применяется только на короткое время, позволяя лентам склеиваться друг с другом и быстро затвердевать, не сдвигая стопку слоев. Он также был разработан для быстрого однородного уплотнения стопки слоев в ламинат с высокими и постоянными свойствами, что делает процесс формовки воспроизводимым и более легким для моделирования, а также обеспечивает высокие механические свойства конечной детали. Еще одна проблема заключалась в том, как сохранить тепло в консолидированном ламинате в пути . к прессу, чтобы обеспечить хорошие формовочные свойства без затрат энергии на повторный нагрев ламината перед формованием. После консолидации сплавленный ламинат быстро повторно нагревается перед тем, как вынимается из машины и быстро перемещается в пресс для формования.

Окончательная последовательность процесса

Заключительная последовательность операций для заднего грузового пола проводилась на четырех единицах оборудования, три из которых работают одновременно в рабочей камере.

Сначала ленты автоматически укладывались с использованием ориентации, определенной путем моделирования с помощью системы укладки лент Fiberforge RELAY. Индексирующий стол позволяет легко наложить ленту практически в любой ориентации на каждый слой стопки. Отдельные ленты на каждом слое слегка приклеиваются к нижнему слою с помощью точечной сварки, а нижний слой удерживается на месте во время укладки с помощью вакуума. Поскольку лента разрезается индивидуально для каждой части каждого слоя, отходы минимальны, и требуется минимальная обрезка после формования. Система также может складывать отверстия / окна в штабеле, обрезая края ленты перед закрепкой, что сокращает обрезку после формования и еще больше снижает количество брака и затраты.

Затем пакет слоев был перемещен из машины Fiberforge RELAY в машину Fibercon и установлен между стеклянными пластинами этого устройства. Когда установка закрывалась, на батарею создавался вакуум, и инфракрасное тепло излучалось на короткое время через верхнюю и нижнюю пластины, быстро нагревая матрицу PA6 выше ее точки плавления (~ 230 ° C), текла смола и удалялись пустоты. Затем ламинат охлаждали ниже температуры кристаллизации смолы (~ 180 ° C), объединяя отдельные ленты в единый ламинат.

В теперь открытом прессе для сжатия, который только что выбросил свою предыдущую часть, выталкивающие штифты были исключены, и исследователи вручную загрузили два алюминиевых профиля и несколько металлических вставок в верхнюю / центральную сторону инструмента, ожидая прибытия следующего раунда материалов.

Еще горячий ламинат в Fibercon снова нагревали до температуры выше точки плавления PA6, блок открывали, и ламинат переносили в открытый пресс для сжатия. Поскольку воздух является более плохим проводником тепла, чем сталь, ламинат затем был уложен на полностью выталкивающие штифты со стороны полости инструмента, чтобы удерживать тепло в ламинате до прибытия зарядов D-LFT.

Пока ленты укладывались и уплотнялись, соседний материал D-LFT компаундировался с использованием двух экструдеров (система In-Line Compounder от Dieffenbacher). Первый экструдер объединил смолу и добавки, в то время как второй нарезал волокно до желаемой длины, а затем объединил смолу / добавки с волокном для получения полностью смешанных, предварительно взвешенных загрузок горячего D-LFT, которые затем были доставлены в пресс для сжатия. В случае грузового пола два заряда D-LFT были помещены на ламинат, когда он был опущен на инструмент путем втягивания выталкивающих штифтов.

Когда более горячие заряды D-LFT сидели на более холодном ламинате, пресс начал закрываться, когда четыре слайда развернулись последовательно, чтобы предварительно сформировать ламинат до полного закрытия инструмента. Последовательное наложение слайдов предотвратило образование складок на ламинате при образовании трехмерных элементов, включая гофры. Как только верхний инструмент закрылся, ламинат из ленты был полностью сформирован, и горячие заряды D-LFT были отформованы при нагрузке 1430 МТ в структуры с ребристой решеткой. Вся деталь с полностью интегрированными металлическими вставками была выброшена после открытия пресса.

В производственной среде все манипуляции с материалами будут выполняться с помощью портальных роботов, оснащенных игольчатыми захватами, но в рамках исследовательской программы SMiLE это выполнялось вручную. Для программы исследований полный цикл формования составлял 240 секунд, замедленный за счет формования толстых ребер пола. Исследователи полагают, что в производственной среде они могли бы сократить время цикла менее 100 секунд с дальнейшими модификациями инструментов и что они могли бы снизить его, если бы ламинат был предварительно сформирован до помещения в пресс.