Sobremoldeo termoplástico de 2 minutos sobre termofijos: Proceso de una celda para compuestos automotrices

El preformado automatizado de cintas termoplásticas y posterior moldeo híbrido —termoformado y sobremoldeo por inyección de nervios, clips y bosses sobre superficies de pieza— han sido heraldados como el futuro para la fabricación de compuestos en aplicaciones de alto volumen como automoción. Pero, ¿qué pasaría si fuera posible combinar la tenacidad de termoplásticos y funcionalidad de características moldeadas por inyección con el alto rendimiento de piezas de fibra de carbono reforzada con epoxi?

Esto es lo que el proyecto de tres años OPTO-Light, que terminó en 2018, se propuso responder. Fue financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF) como parte de su estrategia para desarrollar fotónica —tecnología basada en luz como láseres— para producción en masa de construcciones ligeras. El proyecto fue adjudicado al Centro de Aachen para Construcción Ligera Integrativa (AZL) en la Universidad RWTH Aachen (Aquisgrán, Alemania), que proporciona un único campus para que 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, peso ligero y bajo creep de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) basado en epoxi con la alta libertad de diseño y bajos tiempos de ciclo de sobremoldeo termoplástico. Pero esto es solo uno de los miríadas potenciales disruptores de la industria de compuestos que el proyecto ha logrado, incluyendo:

• Desarrollo de pretratamiento láser para unir termoplástico a superficies termofijas 3D;
• Integración de tres tecnologías —procesamiento de polímero de reacción, procesamiento láser y sobremoldeo— en una sola celda de fabricación de tiempo de ciclo rápido;
• Moldeo por compresión de preimpregnado horizontal (HPCM) donde los materiales se fijan verticalmente para procesamiento en una máquina de moldeo por inyección estándar;
• Desarrollo de un solo molde rotativo que integra todos los requisitos para moldeo por compresión de preimpregnado y sobremoldeo termoplástico;
• Metodología de referencia óptica de pieza para alineación crítica de pretratamiento láser y sobremoldeo a lo largo de una superficie 3D freeform;
• Demostración de este proceso para producir una porción estructural 3D del panel de suelo para el Módulo de Vida del vehículo eléctrico BMW i3 con un tiempo de ciclo de 2 minutos.

De hecho, el informe final de abril de 2018 del proyecto afirma que esta tecnología puede reducir el coste de piezas CFRP automotrices hasta un 30 % versus producción actual usando moldeo por compresión húmedo y unión adhesiva de onserts individuales para clips (ver Fig. 2).

Socios termoplástico-termofijo

¿Por qué unir sobremoldeo termoplástico a una pieza compuesta termofija? "Los componentes CFRP termofijos hechos con resina epoxi ofrecen las mejores características para aplicaciones de carrocería de coche", 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. "Usando un espesor de nervio igual al del caparazón CFRP, la rigidez específica a flexión de la pieza demostrativa OPTO-Light puede triplicarse", añade. El sobremoldeo puede reducir aún más el coste de la pieza proporcionando clips de fijación moldeados o bosses para tornillos mientras simultáneamente proporciona aislamiento para prevenir corrosión galvánica entre la fibra de carbono y sujetadores metálicos.

Así, el objetivo se definió, pero el problema era cómo combinar ambos materiales en una sola celda de moldeo. Schares explica cómo se seleccionaron los socios industriales. "BMW tenía la mayor experiencia con producción en serie de piezas CFRP. KraussMaffei fue muy proactivo en crear tecnologías de combinación, como su máquina de moldeo por inyección multi-componente ColorForm y máquina de moldeo híbrido FiberForm".

La pieza demostrativa OPTO-Light fue una porción de 470 mm de largo por 317 mm de ancho por 130 mm de profundidad del suelo del Módulo de Vida del BMW i3, incluyendo la pared final en el paso de rueda. "Los casos de carga de este componente requieren buenas características de rigidez y resistencia en caso de choque", explica Schares. "También queríamos complejidad de forma y drapeo para probar el moldeo por compresión de preimpregnado horizontal, ablación láser y sobremoldeo a lo largo de una superficie free-form".

¿Por qué fotónica?

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

Los cuatro socios finales de OPTO-Light son proveedores alemanes de sistemas fotónicos. El primero, Arges (Wackersdorf), es experto en escáneres 3D usados para mecanizado láser. "Típicamente desarrolla innovadores sistemas de escaneo láser, posicionamiento y desviación de haces láser en procesamiento de materiales industriales y aplicaciones médicas", dice Schares. "Una unidad de doble haz de Arges fue desarrollada para ablación y calentamiento. Precitec (Gaggenau) suministró el sensor interferométrico para medir distancia usado durante ablación y referencia de pieza a lo largo del proceso. Sensortherm (Sulzbach) proporcionó el pirómetro (sensor de temperatura) que ayudó al control de proceso, y Carl Zeiss Optotechnik (anteriormente Steinbichler, Neubeuern) contribuyó con el escáner láser T-scan para QA. "Mide geometría de pieza y detecta deformación potencial", explica Schares. "Mostrará defectos, como el nervio sobremoldeado no completamente unido al caparazón CFRP". Todos estos sistemas están integrados en el escáner láser multifuncional (Fig. 2), que está montado en el extremo de un brazo robótico Kuka (Augsburgo, Alemania) de seis ejes.

De HP-RTM a cinta preimpregnada

La idea inicial era hacer las piezas CFRP epoxi usando C-RTM, un tipo de moldeo por transferencia de resina de alta presión (HP-RTM) también conocido como impregnación por hueco, desarrollado por el Instituto de Procesamiento de Plásticos IKV. Sin embargo, durante este tiempo, procesos automatizados basados en cinta comenzaron a desafiar el moldeo líquido de tejido sin crimp (NCF), ofreciendo una reducción reportada del 30 % en residuos de corte. Resinas epoxi líquidas de curado rápido también se expandieron a materiales preimpregnados, haciendo el moldeo por compresión atractivo, con un tiempo de ciclo potencial de uno a dos minutos.

Cuatro preimpregnados unidireccionales fueron evaluados para el caparazón del demostrador. Estos fueron convertidos en blanks 2D a medida usando la célula de colocación de cinta STAXX de Broetje-Automation (Rastede, Alemania).

Los caparazones CFRP moldeados serían luego sobremoldeados con poliamida 6 (GF/PA6) reforzada con fibra de vidrio corta al 30 % usando Durethan BKV 30 H2.0 901510 de Lanxess (Colonia, Alemania). Una máquina de moldeo por inyección KraussMaffei CXW-200-380/180 SpinForm fue elegida como base para la célula de fabricación OPTO-Light e instalada en AZL. Cuenta con tecnología de plato giratorio desarrollada para permitir moldeo por inyección multi-componente.

El molde unido al plato giratorio se usó para formar dos cavidades de moldeo diferentes para dos procesos diferentes —moldeo por compresión de preimpregnado epoxi y sobremoldeo por inyección termoplástico. "Nadie ha creado tal herramienta antes", señala Schares. BMW y KraussMaffei pasaron muchas semanas finalizando todos los requisitos para ambos procesos, incluyendo tolerancias debido a diferentes zonas de temperatura, precisión de giro y sellado para la resina termofija, así como los detalles estándar para herramientas de moldeo por inyección.

Ablación láser y referencia de pieza

El caparazón CFRP epoxi resultante del proceso de moldeo por compresión debe ser tratado antes del sobremoldeo termoplástico para lograr suficiente resistencia de unión entre los materiales dispares. La ablación láser ofrece un proceso ecológico de un solo paso comparado a pretratamiento mecánico o químico y permite una profundidad y ruta de ablación precisa, bien adaptada para unir nervios a piezas a lo largo de superficies 3D. El método de ablación implica exponer las fibras de carbono removiendo localmente la capa superior de 10 micras de resina epoxi. Esto limpia la superficie y produce una microestructura que permite al compuesto de sobremoldeo humectar e infiltrar las fibras expuestas.

El escáner láser multifuncional emite un haz láser con longitud de onda de 1.064 nanómetros en pulsos de nanosegundos. "Necesitas alta intensidad, y el pulsado logra esto más eficientemente", explica Schares. "Probamos un láser de onda continua, pero introduce demasiado estrés térmico en el laminado compuesto debajo de las zonas de unión, reduciendo la adhesión fibra-epoxi. Encontrar una fuente de haz adecuada para procesamiento remoto en entorno industrial no fue fácil".

Como los nervios sobremoldeados deben coincidir con las áreas pretratadas, el proceso de ablación requiere alta precisión de posicionamiento. La posterior colocación del material compuesto de fibra de vidrio/PA6 sobremoldeado está estrictamente definida por la herramienta de molde. Así, una metodología necesaria de referencia de pieza fue desarrollada por AZL. "El offset entre la geometría pretratada y el compuesto sobremoldeado debe ser menos de 300 micras. Así, la precisión para el punto central del campo de escaneo láser (punto central de herramienta) debe estar dentro de 150 micras relativo al punto de referencia. Esto se logró, así como un tiempo de ciclo de menos de dos minutos para el pretratamiento láser. "Muy importante fue el trabajo preliminar del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Producción (IPT) para desarrollar generación de ruta para el robot y haz láser —esto no fue trivial", dice Schares. El sistema demostró su valía —resultados de prueba mostraron una resistencia al corte de 27 MPa entre el sobremolde GF/PA6 y sustrato CFRP epoxi.

Rutas de proceso más cortas

Incluso mientras se documentaban los beneficios del proceso inicial, el equipo OPTO-Light se dio cuenta de que era posible eliminar el pretratamiento láser. Este proceso de dos pasos solo curaría parcialmente el caparazón de preimpregnado epoxi y usaría la reactividad restante en la resina epoxi para lograr unión con el sobremoldeo termoplástico. Existen tres mecanismos potenciales para unión entre epoxi no curado y PA6:

• Enlace covalente entre anillos epoxi reactivos y grupos amina de PA;
• Enlaces de hidrógeno con hidrógeno de amina como donante y oxígeno de epoxi como aceptor;
• Redes semi-interpenetrantes por efectos de difusión, posibles por alta movilidad de cadenas moleculares de PA a alta temperatura.

La ventaja de este proceso de dos pasos, dice Schares, "es que puedes saltar el pretratamiento, pero el control de proceso requerido es mucho más desafiante y la calidad de superficie no es tan alto brillo. Sin embargo, la reducción adicional de coste de pieza por simplificación de producción es muy atractiva".

La clave de esta ruta de proceso es el monitoreo de proceso. "Debes mirar dentro del proceso de moldeo por compresión de preimpregnado porque el conocimiento sobre el estado de curado debe ser seguro para lograr una buena unión con el sobremoldeo termoplástico", explica. Este monitoreo de estado de curado se logró usando sensores de presión y temperatura en molde, así como sensores de resistividad de corriente directa (DCR) en molde y análisis dieléctrico (DEA).

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

El proceso, comenzando con la fijación del preformado de preimpregnado dentro del molde y terminando con la expulsión de la cavidad de sobremoldeo por inyección, es descrito por las señales de sensores DCR/DEA. Estos datos son cruciales para determinar el tiempo óptimo de curado en moldeo por compresión antes del pivote a moldeo por inyección para finalización de curado y sobremoldeo. Los sensores ayudan a caracterizar el material durante el procesamiento para calidad óptima de pieza. En el futuro, el proceso puede ser adaptativo e inteligente, con pivote de proceso activado por señales de sensores DEA y DCR.

Pruebas iniciales muestran una resistencia a arranque de 9 N/mm² y una resistencia al corte aún mayor para la unión epoxi-PA6 usando esta segunda ruta de proceso OPTO-Light más corta. El trabajo continúa para mejorar esta resistencia de unión, incluyendo mayor uso de monitoreo de proceso. El equipo también está explorando un proceso de un paso en el que el moldeo por compresión de preimpregnado horizontal ya no es un proceso separado, sino que se logra simultáneamente con el sobremoldeo.

Hibridación para disrupción futura

El potencial de disrupción de OPTO-Light fue reconocido con el Premio a la Innovación AVK para la categoría de investigación y ciencia en 2017. El informe final de 2018 del proyecto afirma que para que los compuestos logren paridad de coste con metal en producción en serie automotriz, es necesario no solo maximizar la integración de funciones en piezas sino también la integración de los procesos usados para fabricar esas piezas. OPTO-Light ha desarrollado una serie de tecnologías, incluyendo metrología basada en fotónica, tratamiento de superficie y moldeo termoplástico/termofijo, que permiten ambas. Estas tecnologías también abren la puerta a procesos híbridos adicionales, como procesamiento láser para aumentar moldeo por inyección. "Al integrar la herramienta láser desarrollada en la celda de moldeo, ahora tienes la posibilidad de realizar ablación láser, corte, pretratamiento o calentamiento antes, entre o después de procesos poliméricos dentro de la máquina de moldeo por inyección", explica Schares. "Esto amplía la funcionalidad de piezas futuras".

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

La lección final que OPTO-Light ofrece en hibridación está en su asociación. "El desafío más interesante en gestionar 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 avancen una comprensión común de los efectos de cada operación para hacer esta única cadena de proceso exitosa", dice Schares. Enfatiza la importancia de la experiencia y apoyo contribuidos por cinco institutos socios —IKV moldeo por inyección, IKV polímeros de reacción, 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 eficientemente desafíos técnicos para producción de compuestos de coste reducido", dice Schares. También ha sentado las bases para innovación disruptiva aún mayor.

Ver video del proceso integrado OPTO-Light en https://youtu.be/b9HmgnuGQY0.