Cintas continuas, D-LFT se encuentran en un nuevo proceso de moldeo por compresión

Un programa de investigación de varios años, financiado con fondos públicos, supervisado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) de Alemania y llamado Diseño ligero multimaterial integrado para la movilidad eléctrica (SMiLE), combina compuestos y metales no ferrosos para reducir la masa y los costos de toda la estructura de carrocería en blanco (BIW) de un vehículo eléctrico de batería (BEV). El módulo del piso trasero se diseñó utilizando dos tipos de compuestos termoplásticos más perfiles e inserciones metálicas. (Obtenga más información en CW Diciembre de 2018 Centrarse en el diseño . ) Para producir este piso de carga de manera rápida y rentable, se desarrolló un nuevo subproceso de moldeo por compresión en un solo paso y se utilizó una nueva tecnología para calentar y consolidar rápidamente cintas termoplásticas.

Cinta UD + D-LFT

El piso de carga trasero de compuesto híbrido utiliza cintas termoplásticas unidireccionales (UD) más compuestos termoplásticos directos de fibra larga (D-LFT). Las cintas termoplásticas proporcionaron alta rigidez / resistencia en una estructura delgada y liviana capaz de resistir altas cargas de pandeo en un choque; D-LFT brindó la capacidad de formar geometrías complejas, integración funcional / consolidación de piezas y la capacidad de insertar-moldear características de unión metálica. Se utilizaron Ultramid B3K poliamida 6 (PA6) D-LFT con refuerzo de fibra de vidrio al 40% en peso y ocho capas de Ultratape B3WG12 PA6 con carga de fibra de vidrio al 60% en peso, ambas de BASF SE (Ludwigshafen, Alemania).

Aunque D-LFT puede moldearse por inyección o compresión, y los laminados de cinta pueden sobremoldearse por inyección, ambos materiales se moldean comúnmente por compresión:un proceso automotriz bien entendido con suficiente capacidad instalada local y globalmente para respaldar el objetivo del programa SMiLE de 300 vehículos / día. .

Las cintas UD y D-LFT a menudo se combinan en la misma parte de una de dos maneras:o bien las cintas se agregan selectivamente a las rutas de carga en estructuras predominantemente D-LFT que necesitan mejores propiedades mecánicas, una técnica llamada D-LFT personalizada, que también puede utilice mechas de fibra continua en lugar de o en combinación con cintas, o se utilizan cintas y D-LFT para cubrir los lados opuestos de una pieza. En la primera técnica, es fácil que el D-LFT fluido empuje las cintas delgadas fuera de su posición durante el sobremoldeo, lo que requiere el uso de clips u otro hardware dentro de la herramienta para mantener la posición de la cinta. Si bien es menos costoso usar cintas de manera selectiva en estructuras predominantemente D-LFT, estas partes no son tan fuertes o livianas como las que usan una proporción más alta de cintas que D-LFT. Con la segunda técnica, aplicando cintas y D-LFT en lados opuestos de una pieza, se logra una mejor integración funcional / consolidación de piezas en el lado D-LFT, y se logra una mayor rigidez / resistencia en el lado de la cinta UD (consulte “Termoplástico híbrido moldura:endurecimiento de compuestos automotrices ”), pero la estructura resultante aún es relativamente pesada y no tan rígida y fuerte como podría ser.

Dada la naturaleza crítica para la seguridad de los pisos de carga de los vehículos, y el deseo de los investigadores de SMiLE de utilizar todo el piso de carga trasero de compuesto termoplástico para absorber las energías del choque (no solo con perfiles metálicos montados en los lados axiales de los convencionales totalmente metálicos o del nuevo híbrido). piso de carga compuesto), era importante hacer que el piso de carga trasero fuera lo más rígido y resistente posible. Dado que los investigadores necesitaban reducir tanto el peso como el costo para alcanzar los objetivos del proyecto, querían mantener el piso de carga delgado mientras evitaban el pandeo durante el impacto, y también deseaban agregar funcionalidad en ubicaciones clave (por ejemplo, puntos de sujeción para cinturones de seguridad de la segunda fila), desarrollaron un nuevo subproceso de moldeo por compresión / D-LFT donde la mayor parte del piso de carga era cinta termoplástica (preconsolidada en un laminado antes del moldeado), con D-LFT aplicado selectivamente solo donde se necesitaban nervaduras y geometrías complejas, pero imposible de formar con laminados de cinta solo.

El equipo también decidió intentar producir el piso de carga trasero de 1,3 por 1,3 m en un solo paso dentro de la prensa de moldeo por compresión. Para lograr todos estos objetivos , el equipo necesitaba una combinación de herramientas interesantes e innovadoras y un proceso de formación secuencial.

LFT local avanzado personalizado

El diseño final del piso de carga trasero es una estructura de capa delgada, casi en forma de red, producida a través de cintas UD preconsolidadas en un laminado. Se incluyen grandes corrugaciones a lo largo del eje longitudinal de la pieza para una alta resistencia a baja masa y espesor. Sin embargo, los investigadores sabían que estas ondulaciones serían difíciles de moldear en el laminado grande. Para asegurar un buen drapeado, se utilizó simulación para diseñar el molde para verificar la formación reproducible de las corrugaciones (50 mm de alto por 115 mm de ancho) y minimizar las arrugas. Si se equivocaron y las corrugaciones no se moldearon correctamente, el laminado podría arrugarse o salirse del plano y la resistencia de la unión con el D-LFT sería deficiente. La creación de prototipos virtuales predijo que la mejor secuencia de formación era desde el interior / centro hacia afuera hacia los lados, similar a lo que se suele hacer con la colocación manual. La única forma en que se podía realizar un proceso de conformado secuencial en un paso de moldeo (donde el laminado no se preformaba fuera de la prensa principal) era mediante la acción de herramientas (diapositivas).

Los portaobjetos son habituales en herramientas de moldeo por inyección muy complejas. Si bien no son desconocidos en el moldeo por compresión, son menos comunes y tienden a ser mucho menos complejos cuando se usan. Los investigadores diseñaron la herramienta con seis cavidades desplazables (usando cuatro diapositivas) para formar corrugaciones y otras estructuras en el laminado, en lugar de simplemente sobremoldearlas en D-LFT, que de otro modo habría agregado una masa y un grosor significativos a la pieza.

Trabajos anteriores sobre la resistencia interfacial en las juntas de nervaduras laminadas / D-LFT habían demostrado que se lograba una fuerza de unión superior si, antes del sobremoldeo, el laminado mantenía una temperatura de al menos 130 ° C, por debajo del punto de fusión de la matriz PA6, y D -LFT se entregó a la herramienta a 280 ° C, por encima del punto de fusión de PA6. Para evitar que el laminado se enfríe demasiado rápido contra la herramienta antes de que se coloquen las cargas D-LFT, los investigadores lo colocaron sobre pasadores de expulsión completamente extendidos en el lado de la cavidad de la herramienta. Cuando se entregaron dos cargas D-LFT, los pasadores de expulsión bajaron y el molde comenzó a cerrarse. A continuación, las cuatro correderas, tres de las cuales operaban con el sistema hidráulico de la máquina, y la cuarta se operaba mediante la acción de un resorte, se extendían en secuencia para formar el laminado, incluidas sus corrugaciones profundas. Una vez que la prensa estuvo completamente cerrada, se formaron las estructuras de nervadura D-LFT (en una compleja red en forma de X). Los investigadores llamaron a esta técnica de formación secuencial local avanzada a medida LFT .

En otra desviación del diseño de herramienta de compresión convencional, el molde se construyó con bordes cortantes solo en las secciones donde D-LFT fluía hacia un borde de la pieza para moldear cargas seleccionadas de D-LFT fluido contra el laminado de cinta no fluida que componía la mayor parte de la estructura.

Tecnología de consolidación por vacío inducida por radiación

Un paso importante del proceso para garantizar un comportamiento de formación reproducible y un alto rendimiento mecánico en la pieza final es la consolidación de la cinta. Al calentar rápidamente las pilas de cinta termoplástica justo antes de la formación, se eliminan los huecos dentro y entre las capas y se logra una excelente consolidación / impregnación de fibras. Para evitar que este sea el paso que limita la velocidad, el proceso se adaptó a la velocidad de la colocación automática de cinta termoplástica (se utilizó una máquina de colocación de cinta Fiberforge RELAY de Dieffenbacher GmbH (Eppingen, Alemania)), así como ciclos de moldeo en la compresión. prensa, una prensa Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS de 3.600 toneladas, también de Dieffenbacher, utilizada para formar el piso de carga trasero.

Antes de SMiLE, el Instituto Fraunhofer de Tecnología Química (F-ICT, Pfitztal, Alemania), que lideró el desarrollo de los pisos de carga delanteros y traseros en el programa SMiLE más grande, y también ayudó a desarrollar el proceso de moldeo secuencial LFT personalizado avanzado local con otro programa socios - había desarrollado un proceso innovador llamado tecnología de consolidación por vacío inducida por radiación para consolidar rápidamente pilas de cinta UD en laminados que se aplicaron posteriormente para producir el piso de carga termoplástico trasero. Desde entonces, Dieffenbacher ha comercializado el con una máquina llamada Fibercon. El proceso fue diseñado para curar los defectos de impregnación en las cintas, lo que permite el uso de cintas menos costosas y minimiza los huecos en las piezas finales. Implica aplicar grandes cantidades de calor infrarrojo (IR) a las capas superior e inferior de la pila de capas (la transmisión se realiza a través de placas de vidrio transparente IR sobre las que descansa la pila de capas) mientras se mantiene toda la pila al vacío. Esto elimina el aire, hace fluir la resina y llena los espacios entre las cintas. El calor solo se aplica durante un período breve, lo que permite que las cintas se adhieran entre sí y se solidifiquen rápidamente sin mover la pila de capas fuera de lugar. También fue diseñado para una consolidación rápida y homogénea de la pila de capas en un laminado con propiedades altas y consistentes en todas partes, haciendo que el comportamiento de conformado sea reproducible y más fácil de simular, y asegurando altas propiedades mecánicas en la pieza final. Otra preocupación fue cómo mantener el calor en el laminado consolidado en ruta a la prensa, para asegurar buenas propiedades de moldeo sin desperdiciar energía para recalentar el laminado antes de formarlo. Una vez consolidado, el laminado ahora fundido se recalienta rápidamente antes de sacarlo de la máquina y pasar rápidamente a la prensa para su formación.

Secuencia de proceso final

La secuencia final del proceso para el piso de carga trasero se llevó a cabo en cuatro equipos, tres de los cuales operan simultáneamente en la celda de trabajo.

Primero, las cintas se colocaron automáticamente usando orientaciones determinadas por simulación a través de un sistema de colocación de cintas Fiberforge RELAY. Una mesa de indexación facilita la colocación de cinta en prácticamente cualquier orientación en cada capa de la pila de capas. Las cintas individuales de cada capa se pegan ligeramente a la capa inferior mediante soldadura por puntos, y la capa inferior se mantiene en su lugar durante el laminado mediante vacío. Dado que la cinta se corta individualmente para cada pieza de cada capa, el desperdicio es mínimo y se necesita un recorte mínimo posterior al molde. El sistema también puede colocar agujeros / ventanas en la pila recortando los bordes de la cinta antes de la tachuela, lo que reduce el recorte posterior al molde y reduce aún más los desperdicios y los costos.

A continuación, la pila de capas se movió de la máquina RELAY de Fiberforge a la máquina de Fibercon y se colocó entre las placas de vidrio de esa unidad. Cuando la unidad se cerró, se hizo vacío en la pila y se proyectó calor IR durante un corto tiempo a través de las placas superior e inferior, calentando rápidamente la matriz de PA6 por encima de su punto de fusión (~ 230 ° C), haciendo fluir la resina y eliminando los huecos. Luego, el laminado se enfrió por debajo de la temperatura de cristalización de la resina (~ 180 ° C), consolidando las cintas individuales en un solo laminado.

En la prensa de compresión ahora abierta, que acababa de expulsar su pieza anterior, los pines de expulsión se dejaron afuera y los investigadores cargaron manualmente dos perfiles de aluminio y varias inserciones metálicas en el lado superior / central de la herramienta mientras esperaban que llegara la siguiente ronda de materiales.

El laminado aún caliente en el Fibercon se calentó nuevamente por encima del punto de fusión de PA6, la unidad se abrió y el laminado se transfirió a la prensa de compresión abierta. Dado que el aire es un conductor térmico más pobre que el acero, el laminado se colocó sobre pasadores expulsores completamente extendidos en el lado de la cavidad de la herramienta para ayudar a retener el calor en el laminado antes de la llegada de las cargas D-LFT.

Mientras se colocaban y consolidaban las cintas, el material D-LFT cercano se mezclaba con dos extrusoras (el sistema In-Line Compounder de Dieffenbacher). La primera extrusora combinó resina y aditivos, mientras que la segunda cortó la fibra a la longitud deseada y luego combinó resina / aditivos con fibra para producir cargas prepesadas y completamente mezcladas de D-LFT caliente que luego se entregaron a la prensa de compresión. En el caso del piso de carga, se colocaron dos cargas D-LFT en el laminado mientras se bajaba a la herramienta mediante la retracción de los pasadores expulsores.

Con las cargas D-LFT más calientes sobre el laminado más frío, la prensa comenzó a cerrarse a medida que los cuatro deslizadores se desplegaban en secuencia para dar forma previa al laminado antes del cierre completo de la herramienta. La aplicación secuencial de los portaobjetos evitó que el laminado se arrugara a medida que se formaban las características 3D, incluidas las corrugaciones. Una vez que la herramienta superior se cerró, el laminado de cinta se formó completamente y las cargas de D-LFT calientes se moldearon a 1.430 MT en estructuras de celosía acanalada. La pieza completa, con inserciones metálicas totalmente integradas, se expulsó después de que se abrió la prensa.

En un entorno de producción, toda la manipulación de materiales se haría utilizando robots de pórtico equipados con pinzas de aguja, pero para el programa de investigación SMiLE se hizo a mano. Para el programa de investigación, el ciclo total de moldeo fue de 240 segundos, y se redujo al moldear las nervaduras gruesas del piso de carga. Los investigadores creen que en un entorno de producción podrían obtener tiempos de ciclo por debajo de los 100 segundos con más modificaciones en las herramientas, y que podrían reducirlos aún más si el laminado se preforma antes de colocarlo en la prensa.