Революция в автодизайне: автоматизированное гибридное соединение металла и термопластиковых композитов

Обеспечение промышленного масштаба гибридного соединения
Проект FlexHyJoin демонстрирует процесс массового производства термопластикового композитного жесткофика крови с приваренными металлическими кронштейнами для сборки в металлический кузов (body-in-white), как в случае использования проекта — городском автомобиле Fiat Panda. Источник | IVW

Проблема гибридных структур

Гибридные металло-композитные конструкции продолжают представлять интерес для автомобильной и аэрокосмической промышленности, предлагая снижение веса и улучшение характеристик за счет принципа «правильный материал в правильном месте». Термопластиковые композиты (TPC) привлекательны для таких многослойных структур благодаря быстрой обработке, включая возможность сварки и термоформирования. Однако соединение композитов с металлами до недавнего времени в основном опиралось на механические крепежи, требующие сверления отверстий, повреждающих несущие волокна. Клеевое соединение также использовалось, но ряд термопластиков трудно склеивать таким образом; кроме того, клеи добавляют материал и вес. Например, BMW i3, использующий шасси из углеродопластика (CFRP) и пластиковые кузовные панели, использует 16 кг клея, что частично нивелирует потенциал снижения веса композитов.

Проект FlexHyJoin

FlexHyJoin — проект, финансируемый программой «Горизонт 2020» ЕС, проводился с октября 2015 по декабрь 2018 года и направлен на решение проблем соединения деталей из TPC и металла. Координируется Институтом композитных материалов (IVW) — некоммерческим исследовательским учреждением земли Рейнланд-Пфальц и Техническим университетом Кайзерслаутерна, Германия. FlexHyJoin объединил 10 партнеров из всей Европы для разработки автоматизированного процесса, позволяющего собрать термопластиковую композитную кровельную конструкцию в металлический кузов (BIW). Стратегия заключалась в создании весонеутрального высокопрочного соединения — без клеев или крепежей — путем лазерной предобработки металлических кронштейнов и их присоединения к жесткофику крови методом индукционной и лазерной сварки. Это достигнуто в одной автоматизированной производственной ячейке с интегрированным контролем процесса и встроенным неразрушающим контролем (НДТ).

Гибридный демонстратор за 140 секунд

Партнер проекта Centro Ricerche Fiat (Помильяно д'Арко/Неаполь, Италия) предоставил спецификации для демонстрационной детали — жесткофика крови для городского автомобиля Fiat Panda, который в настоящее время изготавливается из стали. Для FlexHyJoin деталь была термоформирована из термопластикового композита (Рис. 1) компанией Gubesch Thermoforming (Вильгельмсдорф, Германия) с использованием органолиста Tepex Dynalite 102 толщиной 1,5 мм из стекловолокна/полиамида 6 (PA6), поставляемого Bond-Laminates (Брилон, Германия). Для соединения этого TPC жесткофика крови со стальным кузовом Panda комплект боковых кронштейнов (левый и правый) из стали DC04 толщиной 0,7 мм был лазерно сварлен на концах. Центральный кронштейн из того же материала был присоединен методом индукционной сварки. FlexHyJoin показал, что оба метода соединения могут использоваться для промышленного производства гибридных структур.

Рис. 1 Структурирование поверхности для гибридного соединения
FlexHyJoin демонстрирует лазерную и индукционную сварку стальных кронштейнов к штампованному жесткофику крови из СС/ПА6 (верх). Эти гибридные соединения опираются на обработку поверхности металлических кронштейнов для создания подрезов, которые заполняются расплавленным пластиком в процессе соединения (низ). Источник | IVW

Простое плавление матрицы PA6 на стальных кронштейнах не дало бы соединения с достаточной прочностью для структурных требований. Таким образом, требовалась лазерная обработка поверхности перед соединением. «Поверхность кронштейнов структурировалась лазером для создания подрезов», — объясняет Йоханнес Войтхофер, менеджер проекта в Fill Gesellschaft (Гуртен, Австрия), которая занималась сборкой и интеграцией автоматизированной производственной ячейки. «Обработанные кронштейны укладываются на композитную деталь. Затем при соединении подается тепло и давление, вызывая течение матрицы PA6 из композита в лазерно-индуцированные подрезы [см. Рис. 1].» Процесс структурирования был разработан еще одним партнером, Институтом лазерных технологий Fraunhofer (ILT, Ахен, Германия), и приводит к металло-композитному соединению, сочетающему материальное сцепление и механическую защелку.

Соединенные детали затем переносятся на станцию НДТ, где они сканируются на дефекты с помощью термографии. «Галогенные прожекторы используются для модулированного нагрева поверхности композита», — объясняет Виталий Попов, научный сотрудник IVW и руководитель разработки НДТ и контроля процесса FlexHyJoin. «Это приводит к осциллирующему температурному полю внутри композитной структуры. Мы анализируем тепловой отклик на поверхности во времени и выявляем дефекты в соединениях.» Полностью автоматизированное тестирование завершается в производственной ячейке для каждой изготовленной детали. Валидация процесса проводилась на примерно 400 соединениях.

Автоматизированная производственная ячейка FlexHyJoin в текущей конфигурации выполняет лазерную структуризацию, соединение и НДТ параллельно с тактовыми временами 81 секунда, 98–108 секунд и 100 секунд соответственно, без учета времени на роботизированную перемещение деталей между станциями. Войтхофер говорит, что тактовое время на готовую гибридную деталь составляет примерно 140 секунд.

Рис. 2 Обеспечение промышленного масштаба гибридного соединения
Пилотная производственная ячейка FlexHyJoin имеет три модульные станции для структурирования поверхности, соединения и НДТ. Единый манипулятор ячейки переносит компоненты из загрузочного ящика на каждую из этих станций, помещая готовые гибридные детали в прилежащий ящик. Источник | IVW и Fill

Лазерная структуризация

Процесс лазерной структуризации создает линии с геометрией подрезов на поверхности соединения металлических кронштейнов. Для FlexHyJoin подрезы измеряли 75 микрометров в ширину и 215 микрометров в глубину. Эти измерения, а также количество линий и общий рисунок линий могут быть адаптированы и идеально подобраны для соответствия требованиям к детали и тактовому времени.

«Позиция и количество микроструктур на поверхности соединения могут быть адаптированы к нагрузке в компоненте», — объясняет Стефан Вайдман, научный сотрудник IVW и руководитель команды разработки блока индукционного соединения FlexHyJoin. «Расстояние между микроструктурами может быть уменьшено в высоконагруженных областях поверхности соединения и увеличено в менее нагруженных для обеспечения эффективного процесса микроструктурирования.»

Структуризация достигается путем абляции поверхности металлического кронштейна с использованием высокомощного одномодового волоконного лазера от IPG Photonics (Бурбах, Германия). Этот лазер YLR-1000-WC имеет максимальную выходную мощность 1000 Вт на длине волны излучения 1070 нм. «Мы использовали одномодовый волоконный лазер для процесса микроструктурирования из-за его высокой фокусируемости, сохраняющей размер пятна примерно 40 микрометров», — объясняет Кристоф Энгельман, руководитель группы обработки полимеров в Fraunhofer ILT.

Лазер находится в оптической головке, установленной на роботизированной руке ABB 1200. «Внутри оптической головы у нас два гальванометрических зеркала для отклонения луча в рабочем поле 240 на 240 мм», — детализирует Энгельман. «Кроме того, есть одна движущаяся линза для отслеживания z-высоты (z-shifter). Мы использовали робота только для позиционирования сканирующей головы над металлическими компонентами, а затем луч отклоняется зеркалами, а z-позиция для каждой отдельной линии микроструктуры адаптируется z-shifter. Таким образом, нет движения головы во время обработки. Таким образом, мы можем обрабатывать 2,5D детали, оставаясь в одной z-позиции для каждой дискретной линии, но с возможностью настройки между линиями.»

«По соображениям безопасности как блок структурирования, так и блок соединения закрыты», — объясняет Войтхофер, отмечая черные кабинеты в пилотной производственной ячейке (Рис. 2). Таким образом, автоматизированные ворота/двери остаются закрытыми во время лазерных операций, открываясь для извлечения готовых деталей и загрузки новых.

Рис. 3 Ячейка индукционной и лазерной сварки
В ячейке соединения индукционная сварка используется для присоединения центрального кронштейна, а лазерная сварка — для боковых кронштейнов на концах композитного жесткофика крови. Источник | IVW и Fill

Индукционная и лазерная сварка

Рядом со структурирующей ячейкой находится ячейка соединения, которая включает две отдельные операции: индукционную сварку центрального кронштейна и лазерную сварку левого и правого боковых кронштейнов. «Для более крупных деталей со средней сложностью, как центральный кронштейн, индукционная сварка — более подходящий метод», — говорит Вайдман. «Керамический консолидирующий инструмент с индуктором давит на зону соединения и проницаем для электромагнитного поля, что обеспечивает эффективный энергоподвод в металлический кронштейн для нагрева. Это удобно для плоских форм, но сложнее для сложных форм, таких как геометрия боковых кронштейнов. Поэтому для них эффективнее использовать лазерную сварку.» Вайдман добавляет: «Индукционная сварка лучше для больших деталей и средней сложности, в то время как лазерная сварка более подходит для деталей с высокой сложностью.»

Отверстие в композитном жесткофике крови выравнивает его поверх опорного инструмента, повторяющего кривизну термоформированного жесткофика. Лазерное отверстие в центральном кронштейне позиционирует его на жесткофике, а боковые кронштейны выравниваются по своей форме, соответствующей концам жесткофика.

«Центральный кронштейн соединялся с использованием дискретной индукционной сварки. «Это по сути квазистатическое прессовое соединение», — говорит Вайдман, — «что просто означает статический процесс, достигающий плоского соединения в одном месте, но есть движение в z-направлении, потому что толщина композита немного меняется из-за консолидирующего давления, применяемого во время (индукционного) соединения.»

Блок индукционного соединения содержит высокочастотный генератор KGR (Бриндзи, Италия) для подачи переменного электрического поля на индукционную катушку. Голова перемещается через электромотор и шпиндель (Рис. 3), так что керамический консолидирующий инструмент давит на металлический кронштейн. Индукционная катушка в консолидирующем инструменте вызывает нагрев металла, что плавляет матрицу композита и создает соединение. «Давление подается во время нагрева и охлаждения», — отмечает Вайдман.

Лазерная сварка боковых кронштейнов начинается одновременно с индукционной сваркой. Два зажимных устройства, расположенные по обе стороны от опорного инструмента, могут приложить зажимную силу 4000 Ньютонов к боковым кронштейнам. «Зажим необходим для минимизации зазора между композитными и металлическими компонентами», — объясняет Войтхофер. «Это предотвращает пустоты в соединении.» После приложения зажимной силы лазерная голова перемещается в позицию. Она оснащена диодным лазером LineBeam от Leister Technologies (Кегисвил, Швейцария). Йоханнес Экштадт из Leister объясняет, что этот лазер имеет максимальную выходную мощность 600 Вт на длине волны излучения 980 нм. Луч формируется в линию 27 на 1 мм оптическими линзами и фокусируется на металлическом кронштейне. Лазерная голова установлена на роботизированную руку, позволяющую ей двигаться вдоль изогнутой поверхности кронштейна. «Мы устанавливаем разные скорости для каждой области кронштейнов для достижения однородной температуры соединения, снижая термические напряжения для лучших результатов», — говорит Экштадт.

В общем, лазерная сварка может использовать либо передачу, либо теплопроводность. Для лазерной сварки передачей комбинируемый композит должен быть прозрачен для выбранной длины волны лазера. Лазер затем проходит через композит, попадает на металлическую поверхность кронштейна и нагревает ее. Однако этот метод не использовался в демонстраторе FlexHyJoin, потому что ламинат органолиста жесткофика крови не был лазеропрозрачным. Вместо этого использовался альтернативный метод сварки теплопроводностью. Он просто подает лазер непосредственно на металлическую поверхность, который проводит тепло через базовый металлический материал к композиту, плавит матрицу PA6 при 220–300 °C и создает соединение. «Благодаря высокой теплопроводности стальных кронштейнов лазерное тепло быстро распространяется, эффективно соединяя боковые кронштейны», — говорит Войтхофер.

Пошаговый процесс производства

Шаг 1. TPC жесткофики крови и металлические кронштейны вручную загружаются в ящик для деталей ячейки FlexHyJoin. Ящик закрывается и производство начинается.

Шаг 2. Робот подбирает комплект металлических кронштейнов и помещает их в ячейку структуризации. Дверь лазерной защиты закрывается.

Шаг 3. Внутри ячейки структуризации высокомощный волоконный лазер создает подрезы на поверхности кронштейна для соединения в композитном жесткофике крови.

Шаг 4. Пока кронштейны обрабатываются лазером, робот подбирает TPC жесткофик крови из ящика для деталей и помещает его в ячейку соединения, справа от ячейки структуризации.

Шаг 5. Робот возвращается в ячейку структуризации, подбирает обработанные кронштейны и укладывает их, структурированной стороной вниз, на TPC жесткофик крови.

Шаг 6. Робот затем устанавливает зажимные блоки на трех кронштейнах. Блок индукционного соединения опускается на центральный кронштейн. Индукционная катушка нагревает металлический кронштейн, плавив базовую матрицу PA6 композита.

Шаг 7. Пока завершается индукционное соединение, блок лазерного соединения опускается для соединения левого, а затем правого боковых кронштейнов. Лазер нагревает металл, вызывая плавление базовой матрицы PA6 в подрезы, создавая высокопрочное соединение.

Шаг 8. Готовая гибридная структура помещается в ячейку НДТ, где метод блокировочной термографии используется для выявления дефектов. Галогенные лампы нагревают поверхность композита, а ИК-камера измеряет отклик во времени. Анализ этих данных обрабатывается для предоставления визуальной оценки качества.

Контроль процесса соединения

Базовый метод контроля обоих процессов соединения — измерение температуры и времени по сравнению с набором оптимизированных параметров, определенных через тестирование. «Поэтому мы изготовили тестовые образцы соединения с разными параметрами и провели механическое тестирование для каждого набора параметров с использованием специальных стендов. Для бокового кронштейна была разработана комбинация сдвигового теста и теста на отслаивание, а для центрального кронштейна мы использовали тест на давление, сравнимый с тестом на сдвиг при накладке, но вы давите вместо тяги, чтобы получить сдвиговую нагрузку в зоне соединения», — говорит Попов. Настройка этих специальных тестов была разработана вместе с EDAG Engineering GmbH (EDAG, Фульда, Германия), которая также провела анализ результатов тестов. Следуя этой процедуре, были определены лучшие наборы параметров для процессов соединения и затем использованы в пилотной производственной ячейке.

«Процесс индукционного соединения был откалиброван заранее», — говорит Вайдман. «Мы знаем, что достигаем температуры соединения примерно через 30 секунд, но также измеряем температуру in-situ по соображениям безопасности, чтобы избежать перегрева.» Пирометр, измеряющий излучение поверхности удаленно, использовался для измерения известной горячей точки в зоне индукционного соединения. «Но он не может обеспечить точные измерения лазерного соединения из-за высокого уровня излучаемого света и тепла in-situ», — объясняет он. Однако контактные датчики могли быть использованы на композитной стороне зон лазерного соединения, хотя они не применимы для индукционного процесса, потому что они обычно сделаны из металла и нагревались бы индукцией, искажая измерения.

«Нагрянные зоны для всех соединений также покрыты прессовым инструментом и зажимными приспособлениями», — отмечает Вайдман. «Таким образом, мы валидировали изменение толщины компонента под действием давления и тепла до и после соединения как метод контроля качества.» Это изменение толщины измеряется датчиком расстояния, интегрированным в позиционирующий инструмент для жесткофика крови (также показан на Рис. 3). «Когда мы сжимаем детали вместе, датчик расстояния перемещается», — объясняет он. «Когда мы подаем тепло и давление соединения, расплавленный полимер матрицы течет в полости лазерной структуризации и слегка выдавливается из зоны соединения до охлаждения. Это приводит к изменению толщины, которое регистрируется датчиком расстояния.» Вайдман и команда IVW соотнесли это расстояние с качеством детали. «Изменение толщины — другими словами, уплотнение — более 0,1 мм означает, что качество соединения хорошее», — отмечает Вайдман.

Встроенный НДТ

IVW разработал другой метод обеспечения качества — встроенную термографию. «Для обеспечения качества главная цель — увидеть свойства в зоне соединения», — объясняет Попов. «Но это было очень трудно, поэтому мы проводили термографию на композитной стороне соединений после завершения детали.»

IVW выбрал активную технику термографии под названием Lock-In Thermography (блокировочная термография), потому что она предлагает лучшее отношение сигнал/шум, чем другие активные методы (например, импульсная фазовая термография), и также может инспектировать более глубокие дефекты. «Основная идея — ввести тепло в композит, которое затем проводится в зону соединения и обратно на поверхность», — говорит Попов. «С блокировочной термографией компонент возбуждается с определенной частотой в течение нескольких периодов. Затем мы анализируем этот отклик во времени. Если у вас есть области между поверхностью композита и зоной соединения, которые не однородны из-за пустоты или дефекта, это проявится в тепловом отклике.»

Тепловой отклик захватывается как изображение. Точки, из которых состоят эти изображения — пиксели, сокращение от picture elements. Каждый пиксель также является точкой измерения. Таким образом, температурный сигнал для каждого пикселя по всей области инспекции анализируется. «В результате вы получаете амплитудную и фазовую информацию для каждого пикселя, и программное обеспечение затем восстанавливает это в изображение снова, которое может быть визуально инспектировано», — добавляет он. Но это также предоставило большие наборы измерений для 126 протестированных деталей. «Мы соотнесли эти результаты НДТ с результатами механического тестирования, выполненного EDAG», — говорит Попов. Его команда также тестировала зону соединения после удаления кронштейнов — то есть деструктивное тестирование. «Мы таким образом соотнесли три набора результатов тестов и теперь можем идентифицировать зоны низкой и высокой прочности соединения из визуального анализа результатов термографии», — говорит он.

Интегрированная ячейка для массового производства

Одним из величайших достижений FlexHyJoin, говорит Вайдман, является интеграция всех технологических блоков, каждый разработанным разным партнером проекта, в автоматизированную, оптимизированную производственную линию. Войтхофер, интегрировавший оборудование в Fill, объясняет, что «каждый комплект оборудования, доставленный нам, использовал разный контроллер. Мне пришлось разработать мастер-ПЛК для управления всеми различными процессными блоками.» Это включало лазерные оболочки и манипулятор ячейки, поставленные Fill. «Это также было очень сложно — заставить все эти процессные шаги работать вместе, потому что они занимают разное количество времени», — добавляет он.

Войтхофер начал с разработки архитектуры для каждого процессного блока и робота, учитывая, как их позиционировать для лучшего потока. «Наша концепция заключалась в сохранении трех станций — структурирования, соединения и НДТ — модульными, в трех отдельных корпусах», — говорит он. «Таким образом, мы могли извлекать отдельные блоки и использовать их на выставках или других демонстрационных проектах, а затем возвращать их. Так рабочая ячейка модульна, но интегрирована.»

Десятилетия опыта Fill в такой системной интеграции для серийного производства композитов помогли достичь того, что Попов считает величайшим подвигом FlexHyJoin: перехода от лабораторного масштаба к промышленному. «Мы первый консорциум, реализовавший процесс подобного рода, подходящий для массового производства композитов, соединенных с металлом», — говорит он. «Этот процесс можно использовать для многих автозапчастей, таких как стабилизаторы, бамперы и двери», — отмечает Войтхофер. «Есть много композитных деталей, которые соединяются с металлическими деталями в легком кузове.»

Адаптация для множества отраслей

Однако перед вводом ячейки в серийное производство нужны некоторые изменения. «Мы больше не будем держать лазерную структуризацию и соединение в отдельных оболочках, а объединим их в одну», — говорит Войтхофер. «Это устранит необходимость открывания и закрывания дверей оболочек между этими процессами, сокращая тактовое время.» Он также соединит все станции линейно на конвейерной ленте. Линия будет работать непрерывно, с деталями, подбираемыми и укладываемыми обратно на конвейер для каждой станции перед выходом из ячейки готовыми для сборки в BIW. Это еще больше сократит тактовое время. Расширенные ящики, способные подавать сотни деталей, позволят линии работать целые смены без дозаправки.

Хотя эта пилотная производственная ячейка была ориентирована на автомобильную промышленность, Попов отмечает, что ее можно легко адаптировать к авиации, спортивным/потребительским товарам и промышленным применениям. «Это на самом деле было одной из главных руководящих принципов», — говорит Вайдман, — «что она должна уметь соединять разные геометрии и детали. Единственное изменение должно быть в инструменте уплотнения для индукционного соединения, зажимных приспособлениях для лазерного соединения и опорном инструменте. Основные части ячейки должны оставаться прежними.» Он отмечает, что IVW также продемонстрировало гибридное соединение титана и стали с органолистами из углеродного волокна/полифениленсульфида (PPS) и сейчас разрабатывает демонстрации на полиэтериэтеркетоне (PEEK) и полиэтерикетонкетоне (PEKK). «Это просто требует адаптации процессов соединения для более высоких температур и переопределения оптимальных процессных параметров», — говорит Вайдман. «Ячейка открыта для множества материалов, включая алюминий и медь, а также другие термопластиковые композитные матричные системы, такие как полипропилен и полиэтилен.»

«Партнеры проекта хорошо поработали вместе и взволнованы дальнейшим развитием», — отмечает он. «Мы считаем, что этот тип производства очень перспективен, и отзывы, полученные от промышленности до сих пор, показывают, что есть множество компаний, которые также видят эту перспективу.»