Termoendurecibles termoplásticos sobremoldeados, ciclo de 2 minutos, una celda

El preformado automatizado de cintas termoplásticas y el posterior moldeo híbrido (termoformado y sobremoldeo por inyección de nervios, clips y protuberancias en superficies de piezas) se han anunciado como el futuro de la fabricación de compuestos en aplicaciones de gran volumen como la automoción. Pero, ¿y si fuera posible combinar la dureza de los termoplásticos y la funcionalidad de las características moldeadas por inyección con el alto rendimiento de las piezas epoxi reforzadas con fibra de carbono?

Esto es lo que se propuso dar respuesta al proyecto de tres años OPTO-Light, que finalizó en 2018. Fue financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) como parte de su estrategia para desarrollar fotónica (tecnología basada en la luz como los láseres) para la producción en masa de construcciones ligeras. El proyecto fue adjudicado al Centro de Aachen para la Construcción Ligera Integrativa (AZL) en la Universidad RWTH Aachen (Aachen, Alemania), que proporciona un campus único para que las empresas colaboren con ocho institutos de investigación para desarrollar materiales ligeros, tecnologías de producción y aplicaciones ”.

El logro obvio de OPTO-Light es combinar la alta rigidez, el peso ligero y la baja fluencia del plástico reforzado con fibra de carbono a base de epoxi (CFRP) con la alta libertad de diseño y los tiempos de ciclo reducidos del sobremoldeo termoplástico. Pero este es solo uno de los innumerables disruptores potenciales de la industria de compuestos que ha logrado el proyecto, que incluyen:

• Desarrollo de pretratamiento con láser para unir termoplásticos a superficies termoendurecidas 3D;
• Integración de tres tecnologías (procesamiento de polímeros de reacción, procesamiento láser y sobremoldeo) en una sola celda de fabricación de ciclo rápido;
• Moldeo por compresión horizontal preimpregnado (HPCM) donde los materiales se fijan verticalmente para su procesamiento en una máquina de moldeo por inyección estándar
• Desarrollo de un único molde rotatorio que integra todos los requisitos para el moldeo por compresión preimpregnado y sobremoldeo termoplástico;
• Metodología de referenciación de piezas ópticas para la alineación crítica del pretratamiento láser y el sobremoldeo a lo largo de una superficie 3D de forma libre;
• Demostración de este proceso para producir una parte estructural en 3D del panel del piso para el BMW i3 Módulo de vida útil del vehículo eléctrico con un tiempo de ciclo de 2 minutos.

De hecho, el informe final del proyecto de abril de 2018 afirma que esta tecnología puede reducir el costo de las piezas de CFRP automotrices hasta en un 30 por ciento en comparación con la producción actual utilizando moldeo por compresión húmeda y unión adhesiva de inserciones individuales para clips (consulte la Fig. 2).

Termoplástico para termoendurecibles

¿Por qué unir sobremoldeado termoplástico a una pieza compuesta termoendurecible? “Los componentes de CFRP termoendurecibles fabricados con resina epoxi ofrecen las mejores características para las aplicaciones de carrocería”, afirma el ingeniero de investigación de AZL Richard Schares. El sobremoldeo de nervios compuestos termoplásticos aumenta la rigidez de diseño de la pieza (módulo de sección), reduciendo así la cantidad de fibra de carbono requerida. “Con un grosor de nervadura igual al de la carcasa de CFRP, se puede triplicar la rigidez específica a la flexión de la pieza de demostración OPTO-Light”, añade. El sobremoldeo puede reducir aún más el costo de las piezas al proporcionar clips de sujeción moldeados o salientes para tornillos al mismo tiempo que proporciona aislamiento para evitar la corrosión galvánica entre la fibra de carbono y los sujetadores metálicos.

Así, se definió el objetivo, pero la cuestión era cómo combinar ambos materiales en una única celda de moldeo. Schares explica cómo se seleccionaron los socios de la industria. “BMW tenía la mayor experiencia en la producción en serie de piezas de CFRP. KraussMaffei fue muy proactivo en la creación de tecnologías combinadas, como su máquina de moldeo por inyección de componentes múltiples ColorForm y la máquina de moldeo híbrida FiberForm ”.

La parte de demostración OPTO-Light era una parte del BMW i3 de 470 milímetros de largo por 317 milímetros de ancho por 130 milímetros de profundidad. Piso del módulo de vida, incluida la pared del extremo en el hueco de la rueda. “Los casos de carga de este componente requieren buenas características de rigidez y resistencia en caso de choque”, explica Schares. "También queríamos la complejidad de la forma y el drapeado para probar el moldeo por compresión preimpregnado horizontal, la ablación por láser y el sobremoldeo a lo largo de una superficie de forma libre".

¿Por qué la fotónica?

Alemania ha financiado una estrategia a largo plazo para seguir desarrollando la tecnología fotónica debido al papel clave que desempeña en la actual transformación digital global de la fabricación. La industria de los compuestos debe tomar nota, porque la fotónica permite no solo el procesamiento avanzado, como la colocación automatizada de fibras, la soldadura láser de termoplásticos, el mecanizado de precisión y varios procesos de impresión 3D, sino también la comunicación visual y de sensores para metrología, monitoreo de procesos e inspección en línea. En OPTO-Light, se utilizó un láser de infrarrojo cercano (NIR) para pretratar superficies para sobremoldear; Además, una variedad de sensores basados ​​en láser proporcionaron datos para el control de procesos y garantía de calidad (QA) en línea.

Los cuatro socios finales de OPTO-Light son proveedores de sistemas fotónicos alemanes. El primero, Arges (Wackersdorf), es un experto en escáneres 3D utilizados para el mecanizado láser. “Por lo general, desarrolla sistemas de escaneo láser innovadores, posicionando y desviando rayos láser en el procesamiento de materiales industriales y aplicaciones médicas”, dice Schares. “Se desarrolló una unidad Arges de doble haz para ablación y calentamiento. Precitec (Gaggenau) suministró el sensor interferométrico para medir la distancia utilizada durante la ablación y la referenciación de piezas durante todo el proceso. Sensortherm (Sulzbach) proporcionó el pirómetro (sensor de temperatura) que ayudó al control del proceso, y Carl Zeiss Optotechnik (anteriormente Steinbichler, Neubeuern) contribuyó con el escáner láser T-scan para QA. “Mide la geometría de la pieza y detecta deformaciones potenciales”, explica Schares. “Mostrará defectos, como que la nervadura sobremoldeada no esté completamente adherida a la carcasa de CFRP”. Todos estos sistemas están integrados en el escáner láser multifuncional (Fig. 2), que está montado en el extremo de un brazo robótico Kuka (Augsburg, Alemania) de seis ejes.

HP-RTM para cinta preimpregnada

La idea inicial era hacer las piezas epoxi de CFRP utilizando C-RTM, una especie de moldeo por transferencia de resina de alta presión (HP-RTM) también conocido como impregnación de espacios, desarrollado por el Instituto IKV de Procesamiento de Plásticos. Sin embargo, durante este tiempo, los procesos automatizados basados ​​en cinta comenzaron a desafiar el moldeado líquido de la tela no ondulada (NCF), ofreciendo una reducción reportada del 30 por ciento en el corte de chatarra. Las resinas epoxi líquidas de curado rápido también se expandieron en materiales preimpregnados, lo que hace que el moldeo por compresión sea atractivo, con un tiempo de ciclo potencial de uno a dos minutos.

Se evaluaron cuatro preimpregnados unidireccionales para el caparazón del demostrador. Estos se convirtieron en espacios en blanco hechos a medida en 2D con forma de red utilizando la celda de colocación de cinta STAXX de Broetje-Automation (Rastede, Alemania).

Las carcasas de CFRP moldeadas se sobremoldearían luego con poliamida 6 reforzada con fibra de vidrio corta al 30 por ciento (GF / PA6) usando Lanxess (Colonia, Alemania) Durethan BKV 30 H2.0 901510. Una inyección KraussMaffei CXW-200-380 / 180 SpinForm La máquina de moldeo fue elegida como base para la celda de fabricación OPTO-Light y se instaló en AZL. Cuenta con tecnología de platina giratoria desarrollada para permitir el moldeo por inyección de múltiples componentes.

El molde unido a la platina giratoria se utilizó para formar dos cavidades de moldeo diferentes para dos procesos diferentes:moldeo por compresión expoxi preimpregnado y sobremoldeo por inyección termoplástica. "Nadie ha creado una herramienta de este tipo antes", señala Schares. BMW y KraussMaffei pasaron muchas semanas finalizando todos los requisitos para ambos procesos, incluidas las tolerancias debidas a las diferentes zonas de temperatura, la precisión del torneado y el sellado de la resina termoestable, así como los detalles estándar para las herramientas de moldeo por inyección.

Ablación láser y referenciación de piezas

La carcasa de epoxi CFRP resultante del proceso de moldeo por compresión debe tratarse antes del sobremoldeo termoplástico para lograr suficiente fuerza de unión entre los diferentes materiales. La ablación láser ofrece un proceso de un solo paso que no daña el medio ambiente en comparación con el pretratamiento mecánico o químico y permite una profundidad y trayectoria de ablación precisas, adecuadas para unir nervaduras a piezas a lo largo de superficies 3D. El método de ablación implica exponer las fibras de carbono mediante la eliminación local de la capa superior de resina epoxi de 10 micrones de espesor. Esto limpia la superficie y produce una microestructura que permite que el compuesto de sobremoldeo humedezca e infiltre las fibras expuestas.

El escáner láser multifuncional emite un rayo láser con una longitud de onda de 1.064 nanómetros en pulsos de nanosegundos. "Necesita alta intensidad, y la pulsación logra esto de la manera más eficiente", explica Schares. “Probamos un láser de onda continua, pero introduce demasiada tensión térmica en el laminado compuesto por debajo de las zonas de unión, lo que reduce la adhesión fibra-epoxi. Encontrar una fuente de haz adecuada para el proceso que se pueda utilizar para el procesamiento remoto en un entorno industrial no fue fácil ”.

Debido a que las costillas sobremoldeadas deben coincidir con las áreas pretratadas, el proceso de ablación requiere una alta precisión de posicionamiento. La colocación posterior del material compuesto de fibra de vidrio / PA6 sobremoldeado está estrictamente definida por la herramienta de molde. Por lo tanto, AZL desarrolló una metodología de referenciación de piezas necesaria. “El desplazamiento entre la geometría pretratada y el compuesto sobremoldeado debe ser inferior a 300 micrones. Por lo tanto, la precisión para el punto central del campo de escaneo láser (punto central de la herramienta) debe estar dentro de 150 micrones con respecto al punto de referencia. Esto se logró, así como un tiempo de ciclo de menos de dos minutos para el pretratamiento con láser. “Muy importante fue el trabajo preliminar del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Producción (IPT) para desarrollar la generación de trayectorias para el robot y el rayo láser; esto no fue trivial”, dice Schares. De hecho, el sistema demostró su valía:los resultados de las pruebas mostraron una resistencia al corte de 27 MPa entre el sobremolde GF / PA6 y el sustrato de epoxi CFRP.

Rutas de proceso más cortas

Incluso mientras se documentaban los beneficios del proceso inicial, el equipo de OPTO-Light se dio cuenta de que era posible eliminar el pretratamiento con láser. Este proceso de dos pasos curaría solo parcialmente la cubierta del preimpregnado epoxi y usaría la reactividad restante en la resina epoxi para lograr la unión con el sobremoldeo termoplástico. Existen tres posibles mecanismos para la unión entre el epoxi sin curar y PA6:

• Enlace covalente entre anillos epoxi reactivos y grupos amina PA;
• enlaces de hidrógeno con el hidrógeno de la amina como donador y el oxígeno del epoxi como aceptor;
• Redes semi-interpenetrantes por efectos de difusión, posible por la movilidad a alta temperatura de las cadenas moleculares de PA.

La ventaja de este proceso de dos pasos, dice Schares, “es que puede omitir el pretratamiento, pero el control del proceso requerido es mucho más desafiante y la calidad de la superficie no es tan brillante. Sin embargo, una mayor reducción en el costo parcial mediante la simplificación de la producción es muy atractiva ”.

La clave de esta ruta de proceso es la supervisión de procesos. “Debe mirar dentro del proceso de moldeo por compresión preimpregnado porque el conocimiento sobre el estado de curado debe ser seguro para lograr una buena unión con el sobremoldeo termoplástico”, explica. Este control del estado de curado se logró mediante el uso de sensores de temperatura y presión en el molde, así como sensores de resistividad de corriente continua (DCR) y análisis dieléctrico (DEA) en el molde.

DCR y DEA están bien establecidos para el monitoreo de curado en compuestos. En OPTO-Light, el control de proceso DCR / DEA comprende un sistema Optimold de Synthesites (Uccle, Bélgica) que incluye un sensor DCR duradero de 16 milímetros y el software Optiview. Optimold monitorea la resistencia eléctrica y la temperatura de la resina hasta 210 ° C y una presión de 90 bar con una frecuencia de muestreo de 1 Hz. El dispositivo analítico DEA288 Epsilon de Netzsch Gerätebau (Selb, Alemania) incluye un monotrodo cerámico de 4 milímetros y el software Proteus. El software DataFlow de Kistler Instruments (Winterthur, Suiza) para la optimización del moldeo por inyección es otro componente clave.

El proceso, que comienza con la fijación de la preforma preimpregnada dentro del molde y termina con la expulsión de la cavidad de sobremoldeo por inyección, se describe mediante las señales del sensor DCR / DEA. Estos datos son cruciales para determinar el tiempo de curado óptimo en el moldeo por compresión antes del pivote al moldeo por inyección para completar el curado y sobremoldear. Los sensores ayudan a caracterizar el material durante el procesamiento para obtener una calidad de pieza óptima. En el futuro, el proceso puede ser adaptable e inteligente, con la rotación del proceso desencadenada por las señales de los sensores DEA y DCR.

Las pruebas iniciales muestran una fuerza de arranque de 9 N / mm ² y una resistencia al cizallamiento aún mayor para la unión epoxi-PA6 utilizando esta segunda ruta de proceso OPTO-Light más corta. Se está trabajando para mejorar esta fuerza conjunta, incluido un mayor uso de la supervisión de procesos. El equipo también está explorando un proceso de un solo paso en el que el moldeo por compresión preimpregnado horizontal ya no es un proceso separado, sino que se logra simultáneamente con el sobremoldeo.

Hibridación para futuras interrupciones

El potencial disruptivo de OPTO-Light fue reconocido con el Premio a la Innovación AVK para la categoría de investigación y ciencia en 2017. El informe final del proyecto 2018 afirma que para que los compuestos logren la paridad de costos con el metal en la producción automotriz en serie, es necesario no solo maximizar el integración de funciones en las piezas, pero también la integración de los procesos utilizados para fabricar esas piezas. OPTO-Light ha desarrollado una variedad de tecnologías, incluida la metrología basada en fotónica, el tratamiento de superficies y el moldeado termoplástico / termoestable, que permiten ambos. Estas tecnologías también abren la puerta a otros procesos híbridos, como el procesamiento láser para aumentar el moldeo por inyección. “Al integrar la herramienta láser desarrollada en la celda de moldeo, ahora tiene la posibilidad de realizar ablación, corte, pretratamiento o calentamiento con láser antes, entre o después de los procesos de polímero dentro de la máquina de moldeo por inyección”, explica Schares. "Esto amplía la funcionalidad de las piezas futuras".

La idea de combinar múltiples procesos de fabricación en una sola celda de trabajo está ganando impulso en los materiales compuestos. Por ejemplo, muchos de los fabricantes de máquinas CNC ahora ofrecen celdas que combinan la fabricación aditiva y el mecanizado CNC sustractivo. MF Tech (Argentan, Francia) ha combinado bobinado de filamentos 3D y mecanizado CNC, y el cofundador Emanuel Flouvat confirma una mayor hibridación, con robots capaces de cambiar los efectores finales a un soldador ultrasónico o láser para unir termoplásticos, o un cabezal de colocación de fibra automatizado para aplicar parches locales de cinta unidireccional. “Al integrar un sistema láser guiado por robot, se amplía la 'caja de herramientas' para la definición de más tecnologías de combinación en línea”, dice Schares. Este es otro paso significativo en este avance hacia la fabricación automatizada de compuestos multiproceso que sin duda pronto integrará la electrónica en los productos terminados.

La última lección que ofrece OPTO-Light en hibridación está en su asociación. “El desafío más interesante en la gestión de este proyecto fue cómo tomar a todos los diferentes socios, cada uno con su experiencia única, por ejemplo, fotónica, polímeros de reacción, moldeo por inyección, metrología, y hacer que desarrollen y promuevan una comprensión común de los efectos. de cada operación para que esta única cadena de proceso sea exitosa ”, dice Schares. Destaca la importancia de la experiencia y el apoyo aportados por cinco institutos asociados:moldeo por inyección IKV, polímeros de reacción IKV, ISF para soldadura y unión, Fraunhofer IPT para integración láser y Fraunhofer ILT para fuentes láser alternativas. “Este proyecto demostró la capacidad de tal desarrollo interdisciplinario para resolver de manera eficiente los desafíos técnicos para la producción de compuestos de costo reducido”, dice Schares. También ha sentado las bases para una innovación disruptiva aún mayor.

Vea un video del proceso integrado de OPTO-Light en https://youtu.be/b9HmgnuGQY0.