Termoplásticos sobremoldados, ciclo de 2 minutos, uma célula

A pré-formação automatizada de fitas termoplásticas e a subsequente moldagem híbrida - nervuras, clipes e ressaltos de moldagem por injeção e termoformação nas superfícies das peças - foram anunciadas como o futuro para a fabricação de compósitos em aplicações de alto volume, como automotiva. Mas e se fosse possível combinar a resistência dos termoplásticos e a funcionalidade dos recursos de moldagem por injeção com o alto desempenho das peças epóxi reforçadas com fibra de carbono?

É a isso que o projeto de três anos OPTO-Light, encerrado em 2018, se propõe a responder. Foi financiado pelo Ministério Federal da Educação e Pesquisa da Alemanha (BMBF) como parte de sua estratégia para desenvolver fotônica - tecnologia baseada em luz, como lasers - para produção em massa de construções leves. O projeto foi concedido ao Aachen Center for Integrative Light Construction (AZL) da RWTH Aachen University (Aachen, Alemanha), que fornece um único campus para as empresas colaborarem com oito institutos de pesquisa para desenvolver materiais leves, tecnologias de produção e aplicações. ”

A conquista óbvia da OPTO-Light é combinar a alta rigidez, leveza e baixa fluência do plástico reforçado com fibra de carbono à base de epóxi (CFRP) com a alta liberdade de design e baixos tempos de ciclo de sobremoldagem termoplástica. Mas este é apenas um dos inúmeros desreguladores potenciais da indústria de compósitos que o projeto alcançou, incluindo:

• Desenvolvimento de pré-tratamento a laser para unir termoplásticos a superfícies termofixas 3D;
• Integração de três tecnologias - processamento de polímero de reação, processamento a laser e sobremoldagem - em uma única célula de fabricação de tempo de ciclo rápido;
• Moldagem por compressão pré-impregnada horizontal (HPCM), onde os materiais são fixados verticalmente para processamento em uma máquina de moldagem por injeção padrão
• Desenvolvimento de um único molde rotativo que integra todos os requisitos para moldagem por compressão pré-impregnada e sobremoldagem termoplástica;
• Metodologia de referência de peças ópticas para alinhamento crítico de pré-tratamento e sobremoldagem a laser ao longo de uma superfície 3D de forma livre;
• Demonstração deste processo para produzir uma parte estrutural 3D do painel de piso para o BMW i3 Módulo de vida de veículo elétrico com um tempo de ciclo de 2 minutos.

Na verdade, o relatório final do projeto de abril de 2018 afirma que esta tecnologia pode reduzir o custo da peça automotiva CFRP em até 30 por cento em relação à produção atual usando moldagem por compressão úmida e colagem adesiva de encaixes simples para clipes (ver Fig. 2).

Termoplástico para parceiros termofixos

Por que unir sobremoldagem termoplástica a uma peça composta termofixa? “Componentes de CFRP termofixos feitos com resina epóxi oferecem as melhores características para aplicações em carrocerias de automóveis”, afirma o engenheiro de pesquisa da AZL Richard Schares. A sobremoldagem de nervuras compostas termoplásticas aumenta a rigidez do projeto da peça (módulo de seção), reduzindo assim a quantidade de fibra de carbono necessária. “Usando uma espessura de nervura igual à da casca de CFRP, a rigidez de flexão específica da peça de demonstração OPTO-Light pode ser triplicada”, acrescenta. A sobremoldagem pode reduzir ainda mais o custo da peça, fornecendo clipes de fixação moldados ou saliências para os parafusos, ao mesmo tempo que fornece isolamento para evitar a corrosão galvânica entre a fibra de carbono e os fixadores metálicos.

Assim, o objetivo estava definido, mas a questão era como combinar os dois materiais em uma única célula de moldagem. Schares explica como os parceiros do setor foram selecionados. “A BMW teve a maior experiência com a produção em série de peças CFRP. A KraussMaffei foi muito pró-ativa na criação de tecnologias combinadas, como sua máquina de moldagem por injeção multicomponente ColorForm e a máquina de moldagem híbrida FiberForm. ”

A parte de demonstração OPTO-Light era uma porção de 470 milímetros de comprimento por 317 milímetros de largura por 130 milímetros de profundidade do BMW i3 Piso do Módulo de Vida, incluindo a parede final na caixa da roda. “Os casos de carga desse componente exigem boas características de rigidez e resistência em caso de colisão”, explica Schares. “Também queríamos complexidade de forma e drapeado para provar a moldagem por compressão pré-impregnada horizontal, ablação a laser e sobremoldagem ao longo de uma superfície de forma livre.”

Por que fotônica?

A Alemanha financiou uma estratégia de longo prazo para continuar desenvolvendo tecnologia fotônica devido ao papel-chave que desempenha na atual transformação digital global da manufatura. A indústria de compósitos deve tomar nota, porque a fotônica permite não apenas processamento avançado, como colocação de fibra automatizada, soldagem a laser de termoplásticos, usinagem de precisão e vários processos de impressão 3D, mas também sensor e comunicação visual para metrologia, monitoramento de processo e inspeção em linha. No OPTO-Light, um laser infravermelho próximo (NIR) foi usado para pré-tratar superfícies para sobremoldagem; além disso, uma variedade de sensores baseados em laser forneceram dados para controle de processo e garantia de qualidade em linha (QA).

Os últimos quatro parceiros da OPTO-Light são fornecedores alemães de sistemas fotônicos. O primeiro, Arges (Wackersdorf), é especialista em scanners 3D usados ​​para usinagem a laser. “Ela normalmente desenvolve sistemas inovadores de varredura a laser, posicionando e defletindo feixes de laser em aplicações médicas e de processamento de materiais industriais”, diz Schares. “Uma unidade de duplo feixe Arges foi desenvolvida para ablação e aquecimento. A Precitec (Gaggenau) forneceu o sensor interferométrico para medição da distância usada durante a ablação e referência de peças ao longo do processo. Sensortherm (Sulzbach) forneceu o pirômetro (sensor de temperatura) que auxiliou no controle do processo, e Carl Zeiss Optotechnik (anteriormente Steinbichler, Neubeuern) contribuiu com o scanner a laser T-scan para QA. “Ele mede a geometria da peça e detecta deformação potencial”, explica Schares. “Ele mostrará defeitos, como a nervura sobremoldada não completamente ligada à casca de CFRP.” Todos esses sistemas são integrados ao scanner multifuncional a laser (Fig. 2), que é montado na extremidade de um braço robótico Kuka de seis eixos (Augsburg, Alemanha).

HP-RTM para fita prepreg

A ideia inicial era confeccionar as peças em epóxi CFRP utilizando C-RTM, uma espécie de moldagem por transferência de resina de alta pressão (HP-RTM) também conhecida como gap impregnation, desenvolvida pelo IKV Institute of Plastics Processing. No entanto, durante esse tempo, os processos automatizados baseados em fita começaram a desafiar a moldagem líquida de tecido não frisado (NCF), oferecendo uma redução relatada de 30 por cento no corte de sucata. As resinas epóxi líquidas de cura instantânea também foram expandidas em materiais pré-impregnados, tornando a moldagem por compressão atraente, com um tempo de ciclo potencial de um a dois minutos.

Quatro pré-impregnados unidirecionais foram avaliados para a concha do demonstrador. Estes foram convertidos em blanks personalizados 2D em forma de rede usando a célula de colocação de fita STAXX da Broetje-Automation (Rastede, Alemanha).

Os invólucros de CFRP moldados seriam então sobremoldados com 30 por cento de poliamida 6 reforçada com fibra de vidro curta (GF / PA6) usando Lanxess (Colônia, Alemanha) Durethan BKV 30 H2.0 901510. Uma injeção KraussMaffei CXW-200-380 / 180 SpinForm A máquina de moldagem foi escolhida como base para a célula de manufatura OPTO-Light e instalada na AZL. Possui tecnologia de placa giratória desenvolvida para permitir a moldagem por injeção de múltiplos componentes.

O molde preso à placa giratória foi usado para formar duas cavidades de moldagem diferentes para dois processos diferentes - moldagem por compressão expoxy prepreg e sobremoldagem por injeção termoplástica. “Ninguém criou uma ferramenta assim antes”, ressalta Schares. BMW e KraussMaffei passaram muitas semanas finalizando todos os requisitos para ambos os processos, incluindo tolerâncias devido a diferentes zonas de temperatura, precisão de torneamento e vedação para a resina termofixa, bem como os detalhes padrão para ferramentas de moldagem por injeção.

Ablação a laser e referência de peças

O invólucro de epóxi CFRP resultante do processo de moldagem por compressão deve ser tratado antes da sobremoldagem termoplástica para obter força de junção suficiente entre os materiais díspares. A ablação a laser oferece um processo de etapa única que não agride o meio ambiente, em comparação com o pré-tratamento mecânico ou químico, e permite uma profundidade e um caminho de ablação precisos, adequado para unir costelas a peças ao longo de superfícies 3D. O método de ablação envolve a exposição das fibras de carbono removendo localmente a camada superior de resina epóxi com 10 mícrons de espessura. Isso limpa a superfície e produz uma microestrutura que permite que o composto de sobremoldagem umedeça e se infiltre nas fibras expostas.

O scanner a laser multifuncional emite um feixe de laser com comprimento de onda de 1.064 nanômetros em pulsos de nanossegundos. “Você precisa de alta intensidade, e a pulsação atinge isso com mais eficiência”, explica Schares. “Tentamos um laser de onda contínua, mas ele introduz muito estresse térmico no laminado do compósito abaixo das zonas de união, reduzindo a adesão fibra-epóxi. Encontrar uma fonte de feixe adequada ao processo que pode ser usada para processamento remoto em um ambiente industrial não foi fácil. ”

Como as costelas sobremoldadas devem corresponder às áreas pré-tratadas, o processo de ablação requer alta precisão de posicionamento. A colocação subsequente do material compósito de fibra de vidro sobremoldado / PA6 é estritamente definida pela ferramenta de molde. Assim, uma metodologia de referência de peça necessária foi desenvolvida pelo AZL. “O deslocamento entre a geometria pré-tratada e o composto sobremoldado deve ser inferior a 300 mícrons. Assim, a precisão do ponto central do campo de varredura a laser (ponto central da ferramenta) deve estar dentro de 150 mícrons em relação ao ponto de referência. Isso foi alcançado, bem como um tempo de ciclo de menos de dois minutos para o pré-tratamento a laser. “Muito importante foi o trabalho preliminar do Instituto Fraunhofer de Tecnologia de Produção (IPT) para desenvolver a geração de caminhos para o robô e o feixe de laser - isso não era trivial”, diz Schares. O sistema realmente provou que seus resultados de teste mostraram uma resistência ao cisalhamento de 27 MPa entre o sobremoldado GF / PA6 e o ​​substrato de epóxi CFRP.

Rotas de processo mais curtas

Mesmo enquanto os benefícios do processo inicial estavam sendo documentados, a equipe da OPTO-Light percebeu que era possível eliminar o pré-tratamento a laser. Este processo de duas etapas curaria apenas parcialmente o invólucro do pré-impregnado de epóxi e usaria a reatividade restante na resina epóxi para obter a fixação com a sobremoldagem termoplástica. Existem três mecanismos potenciais para a ligação entre epóxi não curado e PA6:

• Ligação covalente entre anéis epóxi reativos e grupos amina PA;
• Ligações de hidrogênio com hidrogênio de amina como doador e oxigênio de epóxi como aceitador;
• Redes semiperpenetrantes por efeitos de difusão, possíveis pela mobilidade em alta temperatura das cadeias moleculares de PA.

A vantagem desse processo de duas etapas, diz Schares, “é que você pode pular o pré-tratamento, mas o controle de processo necessário é muito mais desafiador e a qualidade da superfície não é tão brilhante. No entanto, uma redução adicional no custo parcial pela simplificação da produção é muito atraente. ”

A chave para essa rota de processo é o monitoramento do processo. “É preciso olhar dentro do processo de moldagem por compressão do pré-impregnado, pois o conhecimento sobre o estado de cura deve ser garantido para se obter uma boa união com a sobremoldagem termoplástica”, explica. Esse monitoramento do estado de cura foi obtido usando sensores de pressão e temperatura no molde, bem como sensores de resistividade de corrente contínua (DCR) e análise dielétrica (DEA) no molde.

DCR e DEA estão bem estabelecidos para monitoramento de cura em compostos. No OPTO-Light, o controle de processo DCR / DEA compreende um sistema Optimold da Synthesites (Uccle, Bélgica) incluindo um sensor DCR durável de 16 milímetros e software Optiview. Optimold monitora a resistência elétrica da resina e temperatura de até 210 ° C e pressão de 90 bar com uma taxa de amostragem de 1 Hz. O dispositivo analítico DEA288 Epsilon da Netzsch Gerätebau (Selb, Alemanha) inclui um monotrodo de cerâmica de 4 mm e software Proteus. Kistler Instruments (Winterthur, Suíça) O software DataFlow para otimização de moldagem por injeção é outro componente importante.

O processo, começando com a fixação do pré-molde pré-impregnado dentro do molde e terminando com a ejeção da cavidade de sobremoldagem de injeção, é descrito pelos sinais do sensor DCR / DEA. Esses dados são cruciais para determinar o tempo de cura ideal na moldagem por compressão antes do pivô para a moldagem por injeção para a conclusão da cura e sobremoldagem. Os sensores ajudam a caracterizar o material durante o processamento para obter a qualidade ideal das peças. No futuro, o processo pode ser adaptável e inteligente, com pivotamento do processo acionado pelos sinais dos sensores DEA e DCR.

Os testes iniciais mostram uma força de tração de 9 N / mm ² e uma resistência ao cisalhamento ainda maior para a junção de epóxi-PA6 usando esta segunda rota de processo OPTO-Light mais curta. O trabalho está em andamento para melhorar essa força de união, incluindo o uso de monitoramento de processo. A equipe também está explorando um processo de uma etapa em que a moldagem por compressão pré-impregnada horizontal não é mais um processo separado, mas é realizada simultaneamente com a sobremoldagem.

Hibridização para interrupção futura

O potencial de ruptura da OPTO-Light foi reconhecido com o AVK Innovation Award para a categoria de pesquisa e ciência em 2017. O relatório final do projeto de 2018 afirma que, para os compósitos atingirem a paridade de custo com o metal na produção automotiva em série, é necessário não apenas maximizar o integração de funções em peças, mas também integração dos processos usados ​​para fabricar essas peças. A OPTO-Light desenvolveu uma série de tecnologias, incluindo metrologia baseada em fotônica, tratamento de superfície e moldagem termoplástica / termofixa, que permitem ambos. Essas tecnologias também abrem a porta para outros processos híbridos, como o processamento a laser para aumentar a moldagem por injeção. “Ao integrar a ferramenta de laser desenvolvida na célula de moldagem, agora você tem a possibilidade de realizar ablação, corte, pré-tratamento ou aquecimento a laser antes, entre ou após os processos de polímero dentro da injetora”, explica Schares. “Isso amplia a funcionalidade de peças futuras.”

A ideia de combinar vários processos de manufatura em uma única célula de trabalho está ganhando força em compósitos. Por exemplo, muitos dos fabricantes de máquinas CNC agora oferecem células que combinam manufatura aditiva e usinagem CNC subtrativa. MF Tech (Argentan, França) combinou o enrolamento de filamento 3D e a usinagem CNC, e o cofundador Emanuel Flouvat confirma uma hibridização adicional, com robôs capazes de trocar os efetores finais para um soldador ultrassônico ou a laser para juntar termoplásticos, ou um cabeçote de colocação de fibra automatizado para aplicar remendos locais de fita unidirecional. “Ao integrar um sistema de laser guiado por robô, a 'caixa de ferramentas' para a definição de outras tecnologias de combinação em linha é estendida”, diz Schares. Este é outro passo significativo neste avanço em direção à fabricação automatizada de compósitos multiprocessos que, sem dúvida, em breve integrará a eletrônica aos produtos acabados.

A lição final que a OPTO-Light oferece em hibridização está em sua parceria. “O desafio mais interessante na gestão deste projeto foi como pegar todos os diferentes parceiros, cada um com sua experiência única - por exemplo, fotônica, polímeros de reação, moldagem por injeção, metrologia - e fazê-los desenvolver e avançar um entendimento comum dos efeitos de cada operação para fazer com que essa única cadeia de processos seja bem-sucedida ”, afirma Schares. Ele enfatiza a importância da experiência e do suporte de cinco institutos parceiros - moldagem por injeção IKV, polímeros de reação IKV, ISF para soldagem e junção, Fraunhofer IPT para integração de laser e Fraunhofer ILT para fontes alternativas de laser. “Este projeto demonstrou a capacidade de tal desenvolvimento interdisciplinar para resolver com eficiência os desafios técnicos para a produção de compósitos de custo reduzido”, diz Schares. Ele também lançou as bases para ainda mais inovações disruptivas.


Assista a um vídeo do processo integrado OPTO-Light em https://youtu.be/b9HmgnuGQY0.