Передовое роботизированное литье под давлением для функционализированных композитных компонентов

Anybrid GmbH (Дрезден, Германия) — спин-офф Института легкой инженерии и полимерных технологий (ILK) в TU Dresden. ILK работает с промышленностью для разработки новых легких технологий, с фокусом на армированные полимерные композиты. «Мы разработали эту роботизированную литейную машину два года назад для производства гибридных компонентов», — говорит Михаэль Штегельман, коммерческий директор Anybrid. Гибридные компоненты относятся к функционализации структуры — например, композитной трубы или металлического шасси электромобиля — с литым под давлением пластиком для создания локальных точек крепления, усилительных ребер и т.д.

Этот процесс, называемый наливанием или гибридным литьем под давлением, получил много внимания за последние 5–6 лет, но в более традиционной форме — стальные формы в прессовом литье с прикрепленным литейным блоком. Anybrid по сути миниатюризировала эту установку в красный и черный, C-образный конечный эффектор, показанный на роботе Kuka на изображении выше и видео ниже. Результат революционный, позволяя пультрузии или экструзии быть наливаемыми по мере выхода из формовочного кулача или крупным структурам быть функционализированными по мере движения по сборочной линии.

ROBIN

ROBIN, сокращение от «robotized injection molding» (роботизированное литье под давлением), было впервые представлено в 2019 году на выставке K в Дюссельдорфе, Германия. «Тогда мы учредили компанию в прошлом году и теперь работаем с клиентами для установки пилотных производственных линий с использованием оборудования», — говорит Штегельман. Концепция, объясняет он, — снизить массу литейной машины за счет использования малых литейных блоков и компактных, недорогих формовочных инструментов, которые могут быть быстро обменены.

«ROBIN конечный эффектор состоит из C-рамы из углеродно-волокнистого композита и снаружи вы видите алюминиевую раму», — объясняет Штегельман. «Рама содержит легкую систему блокировки, которая выдерживает до 12 тонн нагрузочных сил во время литья под давлением, принесенных с верхней стороны на нижнюю сторону формы». ROBIN также может вытянуться на 1-метровый консольный вылет через большие структуры. «Это наше ноу-хау внутри ILK — как использовать углеродное волокно и легкие материалы правильным образом».

Традиционный подход к литью под давлению требует больших прессов и дорогих формовочных инструментов. Таким образом, он был ограничен крупносерийным/высокообъемным производством. В отличие от этого, ROBIN позволяет производство малых серий или множественных, различных наливаний на более крупных компонентах. «Принцип в том, что у нас такая гибкость в машинах, что мы можем функционализировать почти любой композитный материал или структуру», — отмечает Штегельман.

«Мы стараемся минимизировать размер форм для снижения затрат, поэтому вам нужно всего несколько тысяч евро для постройки формы», — объясняет Штегельман. «Это позволяет интегрированную систему быстрой смены, потому что только небольшая площадь формы должна быть изменена. Идея, например, в том, что у вас есть сборочная линия с возможностью быстрой смены формы и выполнения другой детали на двух разных сторонах линии. Вы можете использовать либо две системы Robin, либо одну систему Robin и быстро менять форму. Так у вас высокая гибкость».

Это снижение размера ограничивает область, которую можно налить. «В данный момент мы ограничены 50–60 граммами для литейного укола», — говорит Штегельман. «Мы разработали ROBIN весом всего 140 килограммов, что делает возможным использование меньших, более доступных автоматизаций. Мы фокусируемся сейчас на функционализации труб и профилей и добавлении меньших элементов к более крупным структурам».

Достижение хорошего сцепления при наливании

«Это на самом деле наш фон», — говорит Штегельман, ссылаясь на четырех сооснователей Anybrid. «Мы делали это во многих проектах за последние 10 или 15 лет, комбинируя разные материалы и находя правильное сцепление, я делал диссертацию по экструзионным процессам, и это всегда сложно, когда вы комбинируете разные материалы. Вам всегда нужно некоторое дополнительное подготовку для сцепления, как плазменная обработка или лазерная обработка, чтобы изменить структуру поверхности, особенно при сцеплении пластика или армированного пластика на металл. Композиты немного легче, потому что вы можете подогнать полимерную матрицу в литейном материале и субстрате».

Например, в наливной трубе, показанной ниже, Mitsui Chemicals Europe (Дюссельдорф, Германия) поставляла углеродно-волокнистые полипропиленовые (PP) однонаправленные (UD) ленты, а INOMETA (Херфорд, Германия) использовала их для производства композитных труб, которые Anybrid затем наливала. «Функционализация была тем же материалом, что и трубы», — говорит Штегельман. «Мы навалили ее как с неармированным, так и с углеродно-волокнистым PP материалом, но также с стекловолокнистыми армированиями. С ROBIN вы можете производить с любым термопластичным материалом, который на рынке».

Последнее — почему Anybrid помогает своим клиентам с тестированием. «Мы получаем клиентов, которые не уверены, сцепятся ли их материалы друг с другом», — отмечает Штегельман. «Мы просим их прислать нам немного материала, а затем делаем небольшие, простые структуры для тестирования. У нас есть небольшая форма для усилительного ребра, которую мы можем налить на разные пластины. Например, если клиент присылает нам образцы некоторых композитных пластин, мы можем налить на них с их литейными материалами. Это первый шаг, что у нас есть исследование выполнимости сцепления поведения разных материалов. После этого мы можем сделать некоторый анализ и предложить предложения по оптимизации».

Потенциальные применения

«Мы все еще исследуем применения, но мы изначально работаем с трубами и профилями», — говорит Штегельман. «Одна из наших идей — последовательно приносить разные структуры на эти непрерывные, потенциально очень длинные формы», — говорит Штегельман. «Так, элементы могут быть применены непосредственно к трубам. Такие концепции уже используются INOMETA и Herone (Дрезден, Германия) для интеграции осевых систем соединения и формообразных шестерен. Это также может быть интересно в авиационной отрасли, где вам нужны различные улучшения жесткости и, возможно, вы хотите добавить функции, такие как крепления. Также у вас может быть стрингер или рама, например, но много вариаций в длине. С нашей технологией есть возможность сохранить высокий уровень автоматизации и просто варьировать элементы, которые вы функционализируете от одной детали к следующей».

«Есть также потенциал с крупными компонентами», — говорит Штегельман. «Работая в ILK последние годы, мы разработали много разных гибридных компонентов с использованием стали, пластика и композитов. Мы могли видеть, что наливные клипсы на структурных рамах и шасси имеют смысл для сборки. И с переходом к электромобилям и водородным системам мы видим, что важно делать сборочные линии и процессы максимально гибкими, для подготовки к разнообразию разных компонентов, которые могут понадобиться в будущем. С ROBIN вы можете легко регулировать локальные улучшения для сборки, но также для жесткости структуры, например. Однако мы хотим расширить эту способность за пределами только автомобилестроения и авиации. Наша идея была сделать это более доступным для малых компаний и дать возможность этой гибридной технологии для меньших количеств в других областях и других применениях».