2-минутный термопластиковый овермолдинг термореактивных пластиков: одноячеечный процесс для автокомпозитов

Автоматизированное преформирование термопластиковых лент и последующее гибридное формование — термоформирование и инжекционный овермолдинг ребер, клипсов и усадок на поверхности деталей — возвещались как будущее производства композитов в высокообъемных применениях вроде авто. Но что, если можно скомбинировать вязкость термопластов и функциональность инжекционных фич с высокой производительностью углеродно-армированных эпоксидных деталей?

Именно этот вопрос ставил перед собой трехлетний проект OPTO-Light, завершенный в 2018 г. Он финансировался Федеральным министерством образования и исследований Германии (BMBF) как часть стратегии развития фотоники — световых технологий вроде лазеров — для массового производства легких конструкций. Проект присужден Аахенскому центру интегративного легкого строительства (AZL) при RWTH Ахен (Ахен, Германия), предоставляющему единый кампус для сотрудничества компаний с восемью исследовательскими институтами по разработке легких материалов, производственных технологий и применений.

Очевидное достижение OPTO-Light — комбинация высокой жесткости, легкого веса и низкого крипа эпоксидного CFRP с высокой свободой дизайна и низкими циклами термопластикового овермолдинга. Но это лишь один из множества потенциальных разрушителей индустрии, достигнутых проектом, включая:

• Разработку лазерной предобработки для соединения термопласта с 3D термореактивными поверхностями;
• Интеграцию трех технологий — реакционного полимерного процессинга, лазерной обработки и овермолдинга — в одну быструю производственную ячейку;
• Горизонтальное препрег-прессование (HPCM), где материалы закрепляются вертикально для обработки в стандартном инжекционном прессе;
• Разработку единого вращающегося инструмента, интегрирующего все требования для препрег-прессования и термопластикового овермолдинга;
• Оптическую методологию референцирования детали для критического выравнивания лазерной предобработки и овермолдинга вдоль свободной 3D поверхности;
• Демонстрацию этого процесса для производства 3D структурной части панели пола BMW i3 электромобиля Life Module с 2-минутным циклом.

Действительно, финальный отчет проекта апреля 2018 г. утверждает, что эта технология может снизить стоимость авто CFRP детали до 30% против текущего производства мокрым прессованием и клеевым соединением одиночных вставок для клипсов (см. Рис. 2).

Термопластиковые к термореактивным партнерам

Зачем соединять термопластиковый овермолдинг с термореактивной композитной деталью? «Термореактивные CFRP компоненты из эпоксидной смолы предлагают лучшие характеристики для кузовных применений авто», — утверждает инженер-исследователь AZL Ричард Шарес. Овермолдинг термопластиковых композитных ребер увеличивает дизайн-жесткость детали (момент сопротивления сечения), снижая количество углеродного волокна. «Используя толщину ребра равной оболочке CFRP, специфическая изгибная жесткость демонстрационной детали OPTO-Light может быть утроена», — добавляет он. Овермолдинг может дальше снизить стоимость детали, предоставляя прессованные крепления-клипсы или усадки для винтов одновременно обеспечивая изоляцию для предотвращения гальванической коррозии между углеродным волокном и металлическими крепежами.

Таким образом, цель определена, но вопрос — как скомбинировать оба материала в одной формовочной ячейке. Шарес объясняет выбор промышленных партнеров. «BMW имела наибольший опыт серийного производства CFRP деталей. KraussMaffei была очень проактивна в создании комбинированных технологий, таких как ColorForm мультикомпонентный инжекционный пресс и FiberForm гибридный формовочный пресс».

Демонстрационная деталь OPTO-Light — участок пола BMW i3 Life Module 470 мм длиной, 317 мм шириной, 130 мм глубиной, включая торцевую стенку у колесного колодца. «Нагрузочные случаи этого компонента требуют хорошей жесткости и прочности в случае аварии», — объясняет Шарес. «Мы также хотели сложность формы и драпировки для доказательства горизонтального препрег-прессования, лазерной абляции и овермолдинга вдоль свободной формы поверхности».

Зачем фотоника?

Германия финансирует долгосрочную стратегию развития фотонических технологий из-за ключевой роли в текущей глобальной цифровой трансформации производства. Композитная индустрия должна обратить внимание, потому что фотоника позволяет не только передовик процессы вроде автоматической укладки волокна, лазерной сварки термопластов, точной обработки и различных 3D-печатных процессов, но также сенсоры и визуальную коммуникацию для метрологии, мониторинга процесса и инлайн-инспекции. В OPTO-Light ближний ИК (NIR) лазер использовался для предобработки поверхностей для овермолдинга; кроме того, разнообразие лазерных сенсоров давало данные для контроля процесса и инлайн QA.

Финальные четыре партнера OPTO-Light — немецкие поставщики фотонических систем. Первый, Arges (Ваккерсдорф), эксперт в 3D сканерах для лазерной обработки. «Обычно разрабатывают инновационные лазерные скан-системы, позиционирование и дефлекцию лазерных лучей в промышленной обработке материалов и медицинских применениях», — говорит Шарес. «Двухлучевой блок Arges разработан для абляции и нагрева. Precitec (Гаггенау) снабдил интерферометрический сенсор измерения расстояния для абляции и референцирования детали через процесс. Sensortherm (Зульцбах) предоставил пирометр (температурный сенсор) для контроля процесса, и Carl Zeiss Optotechnik (ранее Steinbichler, Нойбойрен) внес T-scan лазерный сканер для QA. «Он измеряет геометрию детали и детектирует потенциальные деформации», — объясняет Шарес. «Покажет дефекты, вроде не полностью приклеенного овермолдингового ребра к CFRP оболочке». Все эти системы интегрированы в мультифункциональный лазерный сканер (Рис. 2), смонтированный на конце шестиосевого роботизированного манипулятора Kuka (Аугсбург, Германия).

От HP-RTM к препрег-ленте

Изначальная идея — делать эпоксидные CFRP детали через C-RTM, разновидность высокодавленного RTM (HP-RTM), также известного как зазорная импрегнация, разработанная IKV Институтом обработки пластиков. Однако в это время автоматизированные ленточные процессы начали вызывать вызов жидкому формованию неткримтканей (NCF), предлагая заявленные 30% снижение отходов раскроя. Мгновенно полимеризующиеся жидкие эпоксидные смолы также расширились в препрег-материалы, делая прессование привлекательным с потенциальным циклом 1-2 минуты.

Четыре уднонаправленных препрега оценивались для оболочки демонстратора. Они конвертировались в нетто-форменные 2D адаптированные заготовки ячейкой размещения ленты STAXX Broetje-Automation (Растеде, Германия).

Прессованные CFRP оболочки затем овермолдинговались 30%-короткостекловолокнистым полиамидом 6 (GF/PA6) с использованием Lanxess (Кёльн, Германия) Durethan BKV 30 H2.0 901510. Выбран инжекционный пресс KraussMaffei CXW-200-380/180 SpinForm как основа OPTO-Light производственной ячейки и установлен в AZL. Он оснащен технологией качающейся пластины для мультикомпонентного инжекционного формования.

Форма, прикрепленная к качающейся пластине, использовалась для формирования двух разных формовочных полостей для двух разных процессов — эпоксидного препрег-прессования и термопластикового инжекционного овермолдинга. «Никто не создавал такой инструмент раньше», — указывает Шарес. BMW и KraussMaffei потратили много недель на финализацию всех требований для обоих процессов, включая допуски из-за разных температурных зон, точность поворота и герметичность для термореактивной смолы, а также стандартные детали для инжекционных инструментов.

Лазерная абляция и референцирование детали

Эпоксидная CFRP оболочка из прессования должна быть обработана перед термопластиковым овермолдингом для достижения достаточной прочности соединения между разными материалами. Лазерная абляция предлагает экологически чистый, однозадачный процесс по сравнению с механической или химической предобработкой и обеспечивает точную глубину и траекторию абляции, хорошо подходящую для соединения ребер с деталями вдоль 3D поверхностей. Метод абляции заключается в экспонировании углеродных волокон путем локального удаления верхнего 10-микронного слоя эпоксидной смолы. Это очищает поверхность и создает микроструктуру, позволяющую овермолдинговому компаунду смачивать и инфильтровать экспонированные волокна.

Мультифункциональный лазерный сканер излучает луч длиной волны 1,064 нанометра в наносекундных импульсах. «Нужна высокая интенсивность, импульсирование достигает этого эффективно», — объясняет Шарес. «Пробовали непрерывную волну, но она вносит слишком много термического стресса в композитный ламинат под зонами соединения, снижая адгезию волокно-эпоксид. Найти подходящий источник луча для удаленной обработки в промышленной среде было непросто».

Так как овермолдинговые ребра должны совпадать с предобработанными зонами, абляция требует высокой позиционной точности. Последующее размещение овермолдингового стекловолокно/PA6 композитного материала строго определено формовочным инструментом. Таким образом, необходимая методология референцирования детали разработана AZL. «Смещение между предобработанной геометрией и овермолдинговым компаундом должно быть менее 300 микрон. Точность центральной точки лазерного скан-поля (tool center point) должна быть в пределах 150 микрон относительно референс-точки. Это достигнуто, как и время цикла менее двух минут для лазерной предобработки. «Очень важна была предварительная работа Fraunhofer IPT по генерации траектории для робота и лазерного луча — это было нетривиально», — говорит Шарес. Система доказала свою металлу — тесты показали сдвиговую прочность 27 МПа между GF/PA6 овермолдингом и эпоксидным CFRP подложкой.

Сокращенные процессные маршруты

Пока документировались выгоды исходного процесса, команда OPTO-Light поняла, что возможно устранить лазерную предобработку. Этот двухстадийный процесс будет только частично полимеризовывать эпоксидную препрег-оболочку и использовать оставшуюся реактивность эпоксидной смолы для достижения адгезии с термопластиковым овермолдингом. Существует три потенциальных механизма связывания между неполимеризованной эпоксидкой и PA6:

• Ковалентная связь между реактивными эпоксидными кольцами и аминовыми группами PA;
• Водородные связи с водородом амина как донором и кислородом эпоксидки как акцептором;
• Полуинтерпенетрирующие сети диффузионными эффектами, возможными за счет высокотемпературной подвижности молекулярных цепей PA.

Преимущество этого двухстадийного процесса, по Шаресу, «в том, что можно пропустить предобработку, но требуемый контроль процесса намного сложнее, а качество поверхности не такое высокоглянцевое. Однако дальнейшее снижение стоимости детали упрощением производства очень привлекательно».

Ключ к этому процессному маршруту — мониторинг процесса. «Вы должны заглянуть внутрь препрег-прессования, потому что знание о состоянии полимеризации должно быть уверенным для достижения хорошего соединения с термопластиковым овермолдингом», — объясняет он. Этот мониторинг состояния полимеризации достигнут использованием датчиков давления и температуры в форме, а также датчиков прямого тока резистивитета (DCR) и диэлектрического анализа (DEA) в форме.

DCR и DEA устоялись для мониторинга полимеризации в композитах. В OPTO-Light DCR/DEA процессный контроль включает систему Optimold от Synthesites (Уккле, Бельгия) с долговечным 16-мм DCR сенсором и софтом Optiview. Optimold мониторит электрическое сопротивление смолы и температуру до 210°C и давление 90 бар с частотой дискретизации 1 Гц. DEA288 Эпсилон аналитический прибор от Netzsch Gerätebau (Зельб, Германия) включает 4-мм керамический монотроди и софт Proteus. Софт DataFlow Kistler Instruments (Винтертур, Швейцария) для оптимизации инжекционного формования — еще ключевой компонент.

Процесс, от фиксации препрег-преформы в форме до извлечения из овермолдинговой полости, описывается сигналами DCR/DEA сенсоров. Эти данные критичны для определения оптимального времени полимеризации в прессовании до пивота к инжекционному формованию для завершения полимеризации и овермолдинга. Сенсоры помогают характеризовать материал во время обработки для оптимального качества детали. В будущем процесс может стать адаптивным и интеллектуальным, с пивотированием, запускаемым сигналами DEA и DCR сенсоров.

Изначальные тесты показывают вырывную прочность 9 Н/мм² и еще более высокую сдвиговую прочность для эпоксид-PA6 соединения вторым, более коротким процессным маршрутом OPTO-Light. Работа продолжается для улучшения этой прочности соединения, включая дальнейшее использование мониторинга процесса. Команда также исследует одностадийный процесс, где горизонтальное препрег-прессование больше не отдельный процесс, а достигается одновременно с овермолдингом.

Гибридизация для будущих разрушений

Потенциал OPTO-Light для разрушения признан AVK Innovation Award в категории наука и исследования в 2017 г. Финальный отчет 2018 г. утверждает: для достижения стоимостного паритета композитов с металлом в серийном автопроизводстве необходимо не только максимизировать интеграцию функций в деталях, но и интеграцию процессов их производства. OPTO-Light разработал массив технологий, включая фотонику-базированную метрологию, обработку поверхностей и термопластиковое/термореактивное формование, позволяющие обоим. Эти технологии также открывают дверь для дальнейших гибридных процессов, таких как лазерная обработка для дополнения инжекционного формования. «Интегрировав разработанный лазерный инструмент в формовочную ячейку, теперь есть возможность выполнять лазерную абляцию, резку, предобработку или нагрев до, между или после полимерных процессов внутри инжекционного пресса», — объясняет Шарес. «Это расширяет функциональность будущих деталей».

Идея комбинирования множества производственных процессов в одну рабочую ячейку набирает импульс в композитах. Например, многие производители станков с ЧПУ теперь предлагают ячейки, комбинирующие аддитивное производство и вычитающую ЧПУ обработку. MF Tech (Аржан, Франция) комбинировала 3D филаментное намотание и ЧПУ обработку, сооснователь Эммануэль Флуват подтверждает дальнейшую гибридизацию, с роботами, способными менять концевики на ультразвуковой или лазерный сварщик для термопластов, или AFP головку для локальных патчей уднонаправленной ленты. «Интегрируя робото-направленную лазерную систему, «инструментальный ящик» для определения дальнейших инлайн-комбинированных технологий расширяется», — говорит Шарес. Это еще один значительный шаг вперед в этом продвижении к автоматизированному мультипроцессному производству композитов, которое безусловно скоро интегрирует электронику в готовые продукты.

Финальный урок OPTO-Light о гибридизации — в ее партнерстве. «Самый интересный вызов в управлении этим проектом — как взять всех разных партнеров, каждый со своей уникальной экспертизой — фотоника, реакционные полимеры, инжекционное формование, метрология — и заставить их развивать и продвигать общее понимание эффектов каждой операции для успеха этой единой процессной цепи», — говорит Шарес. Подчеркивает важность экспертизы и поддержки пяти партнерских институтов — IKV инжекционное формование, IKV реакционные полимеры, ISF сварка и соединения, Fraunhofer IPT лазерная интеграция и Fraunhofer ILT альтернативные лазерные источники. «Этот проект продемонстрировал способность такой интердисциплинарной разработки эффективно решать технические вызовы для снижения стоимости производства композитов», — говорит Шарес. Также заложил фундамент для еще более разрушительных инноваций.

Видео интегрированного процесса OPTO-Light: https://youtu.be/b9HmgnuGQY0.