Композит + металл:гибридная технология полого профиля

В последнее время формование методом литья под давлением часто упоминается в новостях индустрии композитов, но в основном это касается создания гибридных композитов. Формованные препреги, армированные непрерывными волокнами, или предварительно отвержденные композитные формы помещаются в полость пресс-формы, а затем инкапсулируются в более крупную деталь, отлитую под давлением, армированную короткими волокнами, таким образом, чтобы обеспечить дополнительное армирование только там, где это необходимо, чтобы избежать чрезмерно сконструированных деталей и контролировать производственные затраты. Почти незамеченными в этом шквале рекламы остаются новости о гибридных конструкциях из пластика и металла (PMH) - тех, которые сочетают в себе подструктуры из листового металла, отформованные методом литья под давлением с термопластичным композитом.

Категория PMH была недавно расширена благодаря новой разработке, впервые анонсированной в Европе в марте. Эта разработка, получившая название гибридной технологии полых профилей (HPH), позволяет эффективно использовать экструдированные или сварные трубчатые металлические каркасы вместо штампованных или сваренных со штамповкой листового металла для достижения более высоких механических характеристик компонентов PMH, подверженных высоким нагрузкам. Технология HPH дебютировала в Северной Америке 30 апреля - 1 мая на 13-й ежегодной конференции по автомобильной инженерии по пластмассам (AutoEPCON), организованной Обществом инженеров по пластмассам (SPE, Бетел, Коннектикут, США) и проходившей в пригороде Детройта.

«Традиционные» гибридные конструкции из пластика и металла

Технология PMH была первоначально разработана примерно в 1995 году компанией Bayer AG (Леверкузен, Германия). Команда разработчиков композитов и технология PMH были выделены в 2004 году как часть бизнеса Bayer Chemicals and Polymers и превратились в LANXESS Corp. (Питтсбург, Пенсильвания, США).

PMH использует выборочно перфорированную подструктуру из штампованной стали или алюминиевого листового металла, которая помещается в инструмент для литья под давлением, который, как правило, выборочно отформован (то есть металлическая основа не полностью инкапсулирована) армированным стекловолокном полиамидом 6 (GR-PA 6). В результате гибридная конструкция включает в себя функциональные части, выбранные проектировщиком детали, включая кронштейны, ребра, выступы и другие геометрические формы, выполненные из композитного материала снаружи. Перфорация, которая позволяет термопластичному композиту проходить через металлическую подструктуру и вокруг нее, способствует прочной связи между обоими материалами и позволяет полученной структуре сочетать лучшее из обоих миров. То есть деталь выигрывает от высокой жесткости и прочности тонкостенного листового металла, но она усилена и стабилизирована, например, композитными ребрами, предотвращающими коробление металла. Кроме того, композит способствует коррозионной стойкости, хорошей отделке поверхности, меньшему весу и большей консолидации деталей и функциональной интеграции, достигаемой за один этап, тем самым устраняя необходимость в аппаратных средствах, кронштейнах и второстепенных операциях. А поскольку матрица - PA 6, она также обеспечивает хорошую и широкую химическую стойкость, а также превосходную ударную вязкость.

Конструкции из PMH легче и имеют гораздо меньше деталей (которые производятся за меньшее количество этапов), чем сопоставимые конструкции из листового металла с той же функциональностью, но при этом они имеют более высокие механические характеристики, чем один только прерывистый армированный волокном термопластический композит. Это особенно полезно в тех случаях, когда пространство ограничено, а толстые участки стены нежелательны. Возможность значительно сократить количество деталей и количество этапов производства не только снижает стоимость и занимаемую площадь, но также снижает затраты на складские запасы и гарантийные обязательства. А поскольку его матрица представляет собой термопласт, гибридная структура может быть отделена и переработана по окончании срока службы автомобиля.

Благодаря возможности повторного использования и преимуществам в производительности технология PMH уже много лет используется для производства различных автомобильных компонентов, от крупных узлов, таких как передние модули и балки бампера, до компонентов под капотом. Он также использовался в неавтомобильных приложениях, таких как роликовые коньки и компоненты скутеров и небольших внедорожников.

Трубчатые конструкции

Как и любая технология, PMH имеет несколько недостатков. Во-первых, амортизация затрат на инструмент из металла и пластика (для этого метода необходимы оба типа), вероятно, потребует применения в программах для средних и крупных транспортных средств. Это слишком дорого для нишевого производства, если только затраты на инструменты не могут быть разделены с аналогичными моделями на той же платформе. Во-вторых, обычно применяемая технология PMH лучше всего подходит для простых 2D или 2,5D подконструкций из листового металла, например, L-, C-образных или более плоских секций. Однако этим конструкциям часто не хватает прочности на скручивание для удовлетворения определенных требований к высоким характеристикам. Кроме того, невозможно изготавливать замкнутые / трубчатые конструкции (например, O-образное сечение и другие трубчатые или квадратные поперечные сечения) с помощью PMH, потому что замкнутый профиль разрушится под высоким давлением при литье под давлением.

«Идея гибридных конструкций с полым профилем возникла из списка высоконагруженных автомобильных конструкций, где было крайне желательно уменьшить массу и добавить функциональную интеграцию, но где текущая технология PMH была недостаточно сильной для удовлетворения требований к производительности», объясняет Джозеф Айелло, инженер по разработке приложений для строительных конструкций LANXESS. Он называет поперечную балку теоретически идеальным компонентом HPH, поскольку она тяжелая и содержит множество кронштейнов и других металлических креплений. Поперечные балки используются на каждом легковом автомобиле для обеспечения жесткости шасси на кручение. Они также обеспечивают точки крепления для компонентов, которые проникают из моторного отсека в салон автомобиля (например, рулевые колеса), и для компонентов, которые крепятся из точек перед брандмауэром и выступают в пассажирский салон (например, приборные панели и центральные консоли). . Предыдущие работы по применению технологии PMH в поперечной балке не имели достаточных механических характеристик, потому что усилия были сосредоточены на попытке создать трубчатые (замкнутые) металлические каркасы для балки путем сварки двух открытых L-образных конструкций PMH вместе после того, как они были переформованный. «Поскольку в технике хорошо известно, что конструкция закрытой формы прочнее открытой конструкции, логичным местом для начала повышения механических характеристик гибридов пластик-металл было найти способ применить эту технологию к полым балкам или трубам с круглым или прямоугольные сечения », - добавляет Айелло.

Задача, как всегда, заключалась в достижении высокопрочного соединения между металлическим каркасом и любым композитным функциональным компонентом, который был наложен на него - особенность, особенно важная для критически важных компонентов, таких как поперечные балки. Первоначально команда работала над технологией, которая подходила для формования стандартных труб без специального оборудования. Возник вопрос, как избирательно деформировать трубку - создавать углубления или углубления - в машине для литья под давлением, чтобы обеспечить хорошее сцепление между металлической трубкой и матрицей и, таким образом, достичь высокой прочности связи между металлической подструктурой и формованным композитом, не вызывая повреждений. трубка разрушается при высоких давлениях, которые обычно наблюдаются во время цикла формования. После долгих исследований та же команда LANXESS, которая изначально разработала технологию PMH, также разработала процесс HPH.

По сути, HPH использует высокопроточные, сильно армированные стекловолокном «структурные элементы» PA 6 - литые под давлением цельные трубы со специально разработанными ребрами / ребрами, выступающими наружу, - которые помещаются в полый центр стальной или алюминиевой трубы, т. Е. в свою очередь, вставляется в машину для литья под давлением и покрывается дополнительным композитом GR-PA 6 для формирования внешнего кронштейна и других функциональных компонентов. Структурные элементы, которые вставляются в трубу перед тем, как эта труба помещается в пресс для повторного формования, предотвращают сжатие трубы во время формования и помогают формировать / деформировать трубу с помощью процесса, называемого бороздкой или углублением, во время процесса формования под высоким давлением, тем самым обеспечение прочной связи между металлическими и композитными материалами. Этот внутренний элемент остается в трубе, чтобы добавить структурную опору.

LANXESS сообщает, что внутренние ребристые / ребристые элементы могут быть спроектированы даже для использования с перфорированными стальными или алюминиевыми трубами. Они функционируют аналогично перфорациям, используемым в традиционной технологии PMH.

Чтобы исключить необходимость во второй пресс-форме, этот инструмент может быть спроектирован таким образом, чтобы включать пространство в боковой полости для формования структурных элементов для труб, которые будут использоваться в следующем кадре, в то время как он формует данную трубу, армированную конструктивными элементами. Сообщается, что при желании весь процесс можно полностью автоматизировать.

По сравнению с обычными конструкциями из PMH, со штампованными или штампованными и сварными каркасами, конструкции HPH обладают более высокой жесткостью и прочностью на кручение, а также лучшей стабильностью размеров при сопоставимых поперечном сечении, массе и толщине, но при этом обеспечивают все классические преимущества Оригинальный процесс PMH LANXESS.

Что дальше?

Целевые области применения HPH включают гибридные композитные / металлические конструкции с высокими механическими требованиями, которые включают не только поперечные балки автомобиля, но также каркасы автомобильных сидений и передние модули, задние двери грузовиков и кронштейны зеркал. Вне автомобильной арены его можно использовать для производства мебели, лестниц или даже детских колясок. HPH - слишком новичок для того, чтобы внедрять коммерческие приложения, но, как говорят, участвует во многих разрабатываемых проектах, и LANXESS заявляет, что продолжает оценивать возможности и сообщает, что все еще работает над некоторыми технологическими выпусками для завершения своей патентной заявки, которая будет будут представлены позже в этом году.

Что может быть дальше для HPH? LANXESS также заявляет, что ранее проводил исследования PMH с использованием матриц PA 6/6 и полибутилентерефталата (PBT) и армирования углеродным волокном, и даже оценивал каркасы из магния, хотя подавляющее большинство коммерческих приложений остается в GR-PA 6 с уровнями загрузки стекла. 30-60%. Теоретически те же комбинации материалов могут быть использованы для HPH, хотя группа по-прежнему сосредоточена на 60% GR-PA 6. Если бы использовалось армирование углеродным волокном, металлические каркасные конструкции необходимо было бы изолировать (вероятно, с помощью покрытия) для предотвращения гальванической коррозии. Или, для менее конструктивных применений, должно быть возможно использование трубы, экструдированной или пултрузированной из пластика или композита.