Гибридные композитные обложки: передовая защита для ультратонкой электроники

SABIC продемонстрировала в недавнем исследовании, что обложка толщиной 1 миллиметр может соответствовать всем соответствующим отраслевым спецификациям производительности для очень тонких ноутбуков или планшетов. Источник, все изображения | SABIC

Рынок потребительской электроники — динамичный рынок с довольно короткими циклами между поколениями продуктов. От своих смартфонов, умных часов, планшетов и ноутбуков потребители хотят более быстрые скорости работы, более долгие батареи, большую долговечность и больше функций при более низкой стоимости и весе. Для удовлетворения потребительского спроса OEM просят у поставщиков материалов с высокой эстетикой и свободой дизайна, отличной ударной стойкостью и высокой жесткостью — что в этом рынке коннотирует качество — при низком весе и тонких стенках. Они также хотят стоимоэффективные, высокоповторяемые методы обработки, отвечающие глобальному производственному спросу в десятки миллионов единиц ежегодно. Эти давления толкали рынок сначала к легким металлам для обложек/корпусов и рам, а теперь направляют его к металл/композит и полностью композитным решениям.

Изучение возможности, проведенное SABIC (Берген-оп-Зум, Нидерланды), включало использование двух типов термопластичных композитов для производства обложки ноутбука/планшета толщиной 1 миллиметр. Исследование показало, что гибридный термопластичный композитный дизайн может быть жизнеспособным решением для сложного рынка потребительской электроники.

Тестовый случай

С 2012 года SABIC сделала серию инвестиций для разработки собственных однонаправленных (UD) волокнисто-усиленных термопластичных композитных лент (см. «Эволюция в непрерывные волокнистые армирования»), что расширило основную компетенцию компании в коротковолокнисто-усиленных впрыске и длинноволокнистых термопластиках (LFT), и позволило SABIC расшириться в более высокопроизводительные термопластичные композиты. В 2015 году компания приобрела контрольный пакет в производителе лент Fiber Reinforced Thermoplastics B.V. (FRT, Лелистад, Нидерланды) и в 2017 году партнерствовала и стала миноритарным инвестором в Airborne (Гаага, Нидерланды), производителе машин и разработчике композитных производственных линий.

По мере того как SABIC и Airborne проектировали и строили технологию для быстрого и стоимоэффективного производства нетто-формы, высококачественных ламинатов на основе термопластичных лент для по-настоящему высокообъемных рынков (см. «Высокоскоростное, высокоскоростное термопластичное композитное производство»), команда начала искать тестовый случай. Этот демонстратор был бы важным маркетинговым инструментом для доказательства дизайн-концепций термопластичных композитных ламинатов, произведенных из композитных лент с надвпрыском неразрывных волокнисто-усиленных компаундов. Он также был бы важен для тестирования предиктивных инженерных инструментов, разработанных командой для обеих материаловых технологий, и демонстрации высокоскоростного производственного процесса, эволюционирующего в Нидерландах.

«Мы решили специализироваться на применениях потребительской электроники», — объясняет Джино Франкато, глобальный лидер композитов SABIC. «Этот рынок очень интересен, потому что есть реальная амбиция перейти к легким материалам, чтобы сделать наши мобильные телефоны и ноутбуки легче и тоньше. А так как они делают миллионы и миллионы их, мы решили принять вызов, который предложил этот рынок».

«Мы решили начать с чего-то, что было разумно сложно, но не слишком сложно», — объясняет Скотт Дэвис, научный сотрудник SABIC по глобальной прикладной технологии. Верхняя обложка очень тонкого ноутбука или даже планшета — которую команда надеялась в конечном счете перевести на компоненты смартфонов — казалась хорошим местом для начала. «Мы работали с простой общей геометрией, прямоугольником, который все еще должен был сохранять высокую эстетику и предлагать много сложностей на своей B-стороне, включая элементы крепления», — продолжает Дэвис. «Мы должны были держать обложку очень тонкой, но все еще соответствовать сложным требованиям к прогибу, обычным в отрасли. И, конечно, мы должны были доставить очень согласованный продукт через сложный новый производственный процесс».

Поскольку они не работали с реальным дизайном клиента, а создавали только защитную обложку для экрана, они использовали общую геометрию. Фактически, Дэвис отмечает, когда они начали резать инструментарий для внутренней разработки, они даже не были уверены, делают ли они обложку для планшета или ноутбука, поэтому обложка была спроектирована для работы с обоими. «Было много вызовов, чтобы подготовить композитное решение для высокообъемного производства», — добавляет Дэвис. «Фактически, происходило много всего одновременно — разработка ленты, разработка ламината и разработка процесса — и мы не могли ждать, пока все эти вещи будут финализированы, чтобы начать наш инструментарий, поэтому мы и закончили с этим дизайном». С базовым дизайном завершенным, команда сфокусировалась на других деталях, таких как лучший способ входа, какие перекрытия нужны между ламинатной вставкой и надвпрыскным компаундом, как обрабатывать автоматизированную укладку внутри инструмента, как справляться с несоответствием коэффициента (линейного) теплового расширения (CLTE или CTE) между двумя композитами и как создать легко повторяемую деталь.

Выполнение сложных требований

Цель — разработать верхнюю обложку толщиной 1 миллиметр, обеспечивающую высокую жесткость и проходящую все требования производительности и эстетики — особенно тест на прогиб в центральной точке, регулярно применяемый к обложкам ноутбуков для оценки нагрузок, необходимых для повреждения базового экрана. Требования нагрузка/прогиб варьируются по OEM, устройству и модели, но обычно не более 3-5 мм прогиба допускается под 40-120 Ньютонами давления — ситуация, имитирующая нагрузки, оказываемые пальцем или локтем, вдавливаемым в обложку, когда пользователь встает. Во многих отраслях стратегия для прохождения таких тестов — увеличение толщины стенки, но этот рынок ценит более тонкие дизайны, освобождающие пространство для более крупных батарей и других компонентов без увеличения размера или веса устройства. Следовательно, команде нужно было использовать другую дизайн-стратегию для предотвращения повреждения экрана — а именно выбор более жестких материалов (через ламинатную вставку) и использование геометрии (например, ребристости через впрыск). Но сначала им нужно было специфицировать материалы.

Один из этих материалов, поликарбонат (PC), уже широко используется в этой отрасли для обложек и других компонентов благодаря своей отличной эстетике и высокой ударной прочности. Главные слабости полимера — химическая стойкость и царапанность поверхности, но покрытие, краска или комбинации обоих, применяемые к большинству обложек, обычно преодолевают эти потенциальные проблемы.

«Поскольку ультралегкие компьютеры такие тонкие, внутреннее пространство упаковки находится под реальным дефицитом, поэтому прогибы и механика становятся действительно критическими», — указывает Франкато. «Хотя вы хотели бы использовать стекло [армирование] с точки зрения стоимости, нам пришлось использовать углерод [волокно], чтобы получить нужную нам жесткость». В результате все оцениваемые ламинатные вставки на основе лент были вариациями углеродно-волокнисто-усиленного поликарбоната — классов, тогда находившихся в разработке у дочерней компании SABIC FRT.

SABIC разработала предиктивные модели для симуляции типа и архитектуры ламината (с и без надвпрыскных компаундов) против производительности отлитой детали и сообщает о достижении сильной корреляции между предсказаниями и экспериментальными результатами. Предиктивные инженерные инструменты, как говорится, ускоряют разработку материалов.

Надвпрыскный компаунд требовал другого подхода. Изначально стратегия была использовать длинноволокнистый LFT компаунд, но по ряду причин — включая высокие эстетические требования, размер детали и стратегию входа — коротковолокнистые компаунды лучше соответствовали требованиям проекта. Другой вопрос был типом волокна. «Коротковолокнистые углеродные впрыскные компаунды действительно трудно обрабатывать и все еще получать высокую эстетику», — продолжает Франкато, — «поэтому для нашего надвпрыскного материала мы посмотрели на коротковолокнисто-стекловолокнистые классы». Дочерняя компания SABIC LNP Engineering Plastics, Inc. (Экстон, Пенсильвания, США) предлагает много стекловолокнисто/PC классов с хорошей эстетикой и жесткостью, популярных среди OEM устройств, поэтому команда сфокусировалась на тех.

Хотя полностью аморфный PC менее склонен к деформации, чем полукристаллические полимеры, команда все равно беспокоилась о различиях CLTE между высокоармированными анизотропными UD углеродно-волокнистыми лентами и более изотропными неразрывными коротковолокнистыми надвпрыскными классами при низких загрузках волокна. «В таких тонких стенках очень мало места для ошибки, поэтому незначительные различия в CLTE были вещами, которые мы должны были тщательно учитывать», — объясняет Дэвис. «И это даже не касается всех нормальных проблем, о которых вы беспокоитесь при впрыске, таких как расположение входов, паттерны заполнения, давления уплотнения и сварные линии. Все эти факторы симулировались и верифицировались физическим тестированием».

После выбора материалов инженеры SABIC провели множество итераций заполнения формы, структурного анализа и симуляции деформации для оценки укладки ламината, геометрии и комбинаций материалов для оптимизации жесткости для теста нагрузка/прогиб, а также других требований производительности и стоимости. Компания говорит, что разработала комплексные и точные инструменты моделирования композитов (доступные клиентам и работающие в общих структурных и процессинговых кодах), которые могут быстро моделировать и симулировать архитектуру ламината, состав надвпрыскного компаунда и различные опции обработки и инструментария против производительности отлитой детали. Эти инструменты, как говорится, достигают сильной корреляции между предсказаниями и измеренной производительностью и идеальны для ускорения разработки кастомных материалов.

Готово для основного времени

Лицевая сторона финальной обложки ноутбука/планшета, произведённой с использованием ламинатной вставки из углеродно-волокнисто-усиленного поликарбонатного лент на основе лент, надвпрыскованной короткостекловолокнистым поликарбонатным компаундом, комбинация, отвечающая всем соответствующим механическим и эстетическим требованиям в детали толщиной 1 миллиметр.

Финальный демонстратор имеет ламинатную вставку, произведенную из семи слоев развиваемых UDMAX углеродно-волокнистых/PC лент (55% объемная доля волокна), затем консолидированную, обрезанную, предварительно сформированную и снова обрезанную до финальной нетто-формы, перед впрыском с 40% массовой долей волокна THERMOCOMP D452 короткостекловолокнистым/PC-кополемером (класс, оптимизированный для высокого потока и высокой эстетики и уже широко используемым в этом сегменте). Комбинация производит обложку с высокой жесткостью и прочностью при низкой массе и толщине стенки, включая многочисленные 3D-детали дизайна, элементы крепления и хорошую эстетику, тем самым используя лучшее от каждого материала. Обложка, как сообщается, прошла все необходимые отраслевые тесты и в настоящее время оценивается OEM устройств.

Обратная сторона готовой обложки.

Работа между Airborne и SABIC также принесла плоды для целей SABIC на рынке потребительской электроники. Партнерство было анонсировано в 2018 году, и в этом году были предоставлены дополнительные детали о том, что обе компании называют своей Цифровой линией производства композитов, которая может производить четыре нетто-формы консолидированных ламинатных вставок из термопластичных композитных лент в минуту или 1,5 млн ламинатов в год с одной производственной линии. Система, как говорится, гибкая (в терминах архитектуры укладки и материалов) и быстрая. Начиная с 2020 года Airborne будет использовать линию для производства ламинатов для коммерческого использования в потребительской электронике, становясь ресурсом, который обе компании надеются значительно увеличит проникновение термопластичных композитов в этом высококонкурентном и быстром сегменте.