Технология гибридных полых профилей: объединение композита и металла для превосходного усиления

Наплавка (overmolding) активно обсуждается в композитной промышленности, но в основном для гибридных композитов: преформы из непрерывного волокна помещают в форму и наплавляют коротковолокнистым композитом для локального усиления и контроля затрат. Почти незамечен другой класс — пластик/металл гибриды (PMH) — листовые металлические субструктуры, наплавляемые термопластиковым композитом.

«Традиционные» PMH структуры

PMH разработана ~1995 г. Bayer AG (Леверкузен, Германия). Композитное направление и PMH выделены в 2004 г. в LANXESS Corp. (Питтсбург, Пенсильвания, США).

PMH использует селективно перфорированный штампованный лист (сталь/алюминий), помещенный в форму литья под давлением, селективно наплавляемый (металл не полностью инкапсулирован) стекловолокнистым полиамидом 6 (GR-PA 6). Полученная гибридная структура имеет функциональные элементы по выбору конструктора: кронштейны, ребра, боссы и др. геометрии из композита снаружи. Перфорации позволяют термопластику течь через и вокруг металла — сильное соединение, лучшее из двух миров: жесткость и прочность тонкостенного металла, но композитные ребра предотвращают потерю устойчивости металла. Дополнительно: коррозионная стойкость, хорошая поверхность, меньший вес, интеграция функций за один шаг — устранение крепежей, кронштейнов, второстепенных операций. Матрица PA 6 — широкая химическая стойкость и отличная вязкость (ударная прочность).

PMH легче и имеет гораздо меньше деталей/этапов при той же функциональности, чем листовые металлы, но выше механические свойства, чем коротковолокнистый термопластодик композит один. Полезно при ограниченном пространстве, нежелательных толстых стенках. Снижение числа деталей и операций снижает стоимость, производственный футепринт, запасы и гарантийные расходы. Термопласт — разделение и утилизация в конце жизни авто.

PMH используется годами для автокомпонентов: передние модули, бамперы, подкапотные детали. Не только авто: ролики, самокаты, малые внедорожники.

Трубчатые структуры

Недостатки PMH: 1) амортизация металлического и пластикового инструмента требует средних/больших серий; 2) традиционно PMH лучше для простых 2D/2.5D листовых субструктур (L-, C-образные, плоские), им не хватает крутильной прочности для высоких нагрузок; 3) закрытые/трубчатые профили (О-сечение, квадратные) невозможны в PMH — замыкающий профиль схлопнется под высоким давлением литья.

«Идея полых гибридных профилей (HPH) выросла из списка высоконагруженных автоструктур, где желательно снизить массу и добавить интеграцию, но PMH не đủ прочна», — Джозеф Айелло, инженер LANXESS по разработке структурных применений.

Идеальный кандидат — поперечина (cross-car beam): тяжелая, множество кронштейнов, дает крутильную жесткость шасси, точки крепления руля, приборной панели, центральной консоли. Предыдущая попытка PMH для поперечины не дала нужной механики: пытались сварить две открытые L-образные PMH структуры после наплавки. «Закрытый профиль известен как прочнее открытого — логично применить технологию к полым балкам/трубам круглого или прямоугольного сечения», — Айелло.

Технология HPH

Задача — высокопрочное соединение металлической субструктуры и наплавленного композитного функционального компонента, критично для поперечин. Команда работала над технологией наплавки стандартных труб без спец. оборудования. Как селективно деформировать трубу — создать впадины/ямочки — в литейной машине для надежного зацепления металл-матрица без обрушения трубы под давлением литья? После изучений та же команда LANXESS, создававшая PMH, разработала процесс HPH.

Суть HPH: высокотекучие, высоконаполненные стекловолокном PA 6 «структурные элементы» — литые сплошные трубки с специально спроектированными ребрами/ламелями снаружи — помещаются в полость стальной/алюминиевой трубы, которая вставляется в пресс и наплавляется дополнительным GR-PA 6 для внешних кронштейнов и функций. Внутренние структурные элементы предотвращают обрушение трубы при литье и помогают деформировать её (бидинг/димблинг) под высоким давлением, обеспечивая сильное соединение металл-композит. Внутренний элемент остается в трубе для дополнительной структурной поддержки.

Внутренние ребра могут работать с перфорированными трубами — как перфорации в обычном PMH.

Для исключения второй формы инструмент проектируется с боковой полостью для литья структурных элементов для следующей трубки пока наплавляется текущая. Весь процесс может быть полностью автоматизирован.

По сравнению с обычными PMH (штампованные/штампованные+сварные субструктуры), HPH дает более высокую крутильную жесткость и прочность и лучшую размерную стабильность при сравнимом сечении, массе и толщине, сохраняя все классические преимущества PMH.

Что дальше?

Целевые применения HPH: гибридные композит/металл структуры с высокими механическими требованиями — поперечины, рамы сидений, передние модули, фургонные задворки, кронштейны зеркал. Вне авто — мебель, лестницы, коляски. Еще нет коммерческих применений, много разработческих проектов, LANXESS продолжает оценку возможностей, работает над патентами (подача в этом году).

LANXESS ранее исследовала PMH с PA 6/6, PBT матрицами, углеродным волокном, магниевыми субструктурами, но большинство коммерческих — GR-PA 6 с 30-60% стекла. Теоретически те же комбинации для HPH, фокус на 60% GR-PA 6. При углеродном волокне металл нужно изолировать (покрытие) от гальванической коррозии. Для менее структурных — труба из пластика/композита (экструзия/пультрузия).