Fitas contínuas, D-LFT se encontram em novo processo de moldagem por compressão

Um programa de pesquisa multianual com financiamento público, supervisionado pelo Ministério Federal da Educação e Pesquisa da Alemanha (BMBF) e denominado Sistema Integrado de Design Leve Multimaterial para E-mobilidade (SMiLE), compósitos combinados e metais não ferrosos para reduzir a massa e os custos para toda a estrutura do corpo em branco (BIW) de um veículo elétrico a bateria (BEV). O módulo do piso traseiro foi projetado usando dois tipos de compostos termoplásticos, além de perfis metálicos e inserções. (Saiba mais em CW Dezembro de 2018 Foco no Design . ) Para produzir este piso de carga de forma rápida e econômica, um novo subprocesso de moldagem por compressão em uma etapa foi desenvolvido e uma nova tecnologia para aquecer e consolidar rapidamente fitas termoplásticas foi usada.

Fita UD + D-LFT

O piso de carga traseira de composto híbrido usa fitas termoplásticas unidirecionais (UD) mais composições termoplásticas de fibra longa direta (D-LFT). As fitas termoplásticas fornecem alta rigidez / resistência em uma estrutura leve e fina, capaz de resistir a altas cargas de flambagem em uma colisão; D-LFT forneceu a capacidade de formar geometrias complexas, integração funcional / consolidação de peças e a capacidade de inserir recursos de fixação de molde metálico. Foram utilizadas Ultramid B3K poliamida 6 (PA6) D-LFT com 40% em peso de reforço de fibra de vidro e oito camadas de Ultratape B3WG12 PA6 com carga de 60% em peso de fibra de vidro, ambas da BASF SE (Ludwigshafen, Alemanha).

Embora o D-LFT possa ser moldado por injeção ou compressão, e laminados de fita possam ser moldados por injeção, ambos os materiais são comumente moldados por compressão - um processo automotivo bem conhecido com capacidade instalada local e globalmente para suportar a meta do programa SMiLE de 300 veículos / dia .

As fitas UD e D-LFT geralmente são combinadas na mesma parte de uma das duas maneiras:Ambas as fitas são adicionadas seletivamente para carregar caminhos em estruturas predominantemente D-LFT que precisam de melhores propriedades mecânicas - uma técnica chamada D-LFT sob medida, que também pode use mechas de fibra contínua em vez de ou em combinação com fitas - ou fitas e D-LFT são usadas para cobrir os lados opostos de uma peça. Na primeira técnica, é fácil para o D-LFT fluido empurrar as fitas finas para fora da posição durante a sobremoldagem, sendo necessário o uso de clipes ou outro hardware dentro da ferramenta para manter a posição da fita. Embora seja menos caro usar fitas seletivamente em estruturas predominantemente D-LFT, essas peças não são tão fortes ou leves quanto aquelas que usam uma proporção maior de fitas para D-LFT. Com a segunda técnica, aplicando fitas e D-LFT em lados opostos de uma peça, uma melhor integração funcional / consolidação de peças é alcançada no lado D-LFT e maior rigidez / resistência é alcançada no lado da fita UD (consulte "Termoplástico híbrido moldagem:endurecimento de compósitos automotivos ”), mas a estrutura resultante ainda é relativamente pesada e não tão rígida e forte quanto poderia ser.

Dada a natureza crítica de segurança dos pisos de carga do veículo e o desejo dos pesquisadores SMiLE de usar todo o piso de carga traseiro composto de termoplástico para absorver as energias de colisão (não apenas com perfis metálicos montados nos lados axiais do convencional totalmente metálico ou do novo híbrido piso de carga composto), era importante tornar o piso de carga traseiro o mais rígido e forte possível. Uma vez que os pesquisadores precisavam reduzir o peso e o custo para atingir as metas do projeto, queriam manter o piso de carga fino, evitando deformação durante o impacto, e também desejavam adicionar funcionalidade em locais-chave (por exemplo, pontos de fixação para cintos de segurança da segunda fila), eles desenvolveram um novo subprocesso de moldagem por compressão / D-LFT onde a maior parte do piso de carga era fita termoplástica (pré-consolidada em um laminado antes da moldagem), com D-LFT aplicado seletivamente apenas onde nervuras e geometrias complexas eram necessárias, mas impossível de formar com laminados de fita sozinho.

A equipe também decidiu tentar produzir o piso de carga traseira de 1,3 por 1,3 m em uma única etapa dentro da prensa de moldagem por compressão. Para realizar todos esses objetivos , a equipe precisava de uma combinação de ferramentas interessantes e inovadoras e um processo de conformação sequencial.

LFT local avançado personalizado

O design final do piso de carga traseiro é uma estrutura de casca fina, quase líquida produzida por meio de fitas UD pré-consolidadas em um laminado. Grandes ondulações são incluídas ao longo do eixo longitudinal da peça para alta resistência em baixa massa e espessura. No entanto, os pesquisadores sabiam que essas ondulações seriam difíceis de moldar no laminado grande. Para garantir um bom drapeamento, a simulação foi usada para projetar o molde para verificar a formação reproduzível das ondulações (50 mm de altura por 115 mm de largura) e para minimizar o enrugamento. Se errassem e as ondulações não se moldassem corretamente, o laminado poderia enrugar ou sair do plano e a resistência de união com o D-LFT seria baixa. A prototipagem virtual previu que a melhor sequência de formação era de dentro / centro para fora em direção aos lados, semelhante ao que é normalmente feito com layup manual. A única maneira que um processo de conformação sequencial poderia ser feito em uma etapa de moldagem (onde o laminado não foi pré-formado fora da prensa principal) era usar a ação de ferramenta (slides).

As lâminas são comuns em ferramentas de moldagem por injeção muito complexas. Embora não sejam inéditos na moldagem por compressão, são menos comuns e tendem a ser muito menos complexos quando usados. Os pesquisadores projetaram a ferramenta com seis cavidades deslocáveis ​​(usando quatro lâminas) para formar ondulações e outras estruturas no laminado, em vez de apenas sobremoldá-las em D-LFT, o que, de outra forma, teria adicionado massa e espessura significativas à peça.

Trabalhos anteriores sobre a resistência interfacial nas juntas de estria laminado / D-LFT mostraram que a resistência de ligação superior foi alcançada se, antes da sobremoldagem, o laminado mantivesse uma temperatura de pelo menos 130 ° C - abaixo do ponto de fusão da matriz PA6 - e D -LFT foi entregue à ferramenta a 280 ° C, acima do ponto de fusão do PA6. Para evitar que o laminado resfrie muito rapidamente contra a ferramenta antes que as cargas D-LFT sejam colocadas, os pesquisadores o colocaram em pinos ejetores totalmente estendidos no lado da cavidade da ferramenta. Quando duas cargas D-LFT foram entregues, os pinos ejetores baixaram e o molde começou a fechar. Em seguida, as quatro corrediças - três das quais operadas usando o sistema hidráulico da máquina, com a quarta operada por ação de mola - se estenderam em sequência para formar o laminado, incluindo suas ondulações profundas. Uma vez que a prensa foi totalmente fechada, as estruturas de costela D-LFT (em uma rede complexa em forma de X) foram formadas. Os pesquisadores chamaram essa técnica de formação sequencial de LFT local avançado sob medida .

Em outro ponto de partida do projeto de ferramenta de compressão convencional, o molde foi construído com bordas de cisalhamento apenas em seções onde D-LFT fluiu para uma borda de peça, a fim de moldar cargas selecionadas de D-LFT fluidas contra o laminado de fita não fluida que constituía a maior parte de a estrutura.

Tecnologia de consolidação de vácuo induzida por radiação

Uma etapa importante do processo para garantir um comportamento de conformação reproduzível e alto desempenho mecânico na peça final é a consolidação da fita. Ao aquecer rapidamente as pilhas de fitas termoplásticas imediatamente antes da formação, os vazios são eliminados dentro e entre as camadas e é alcançada uma excelente consolidação / impregnação de fibra. Para evitar que isso seja a etapa de limitação de taxa, o processo foi combinado com a velocidade de colocação de fita termoplástica automatizada - uma máquina de colocação de fita Fiberforge RELAY da Dieffenbacher GmbH (Eppingen, Alemanha) foi usada - bem como ciclos de moldagem na compressão prensa, uma prensa Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS de 3.600 toneladas, também da Dieffenbacher, usada para formar o piso de carga traseiro.

Antes do SMiLE, o Instituto Fraunhofer de Tecnologia Química (F-ICT, Pfitztal, Alemanha) - que liderou o desenvolvimento dos pisos de carga dianteiro e traseiro no programa SMiLE maior e também ajudou a desenvolver o processo de moldagem sequencial LFT personalizado avançado local com outro programa parceiros - desenvolveram um processo inovador chamado tecnologia de consolidação a vácuo induzida por radiação para consolidar rapidamente pilhas de fitas UD em laminados que foram posteriormente aplicados para produzir o piso de carga termoplástico traseiro. Dieffenbacher desde então comercializou o com uma máquina chamada Fibercon. O processo foi projetado para curar defeitos de impregnação em fitas, o que permite o uso de fitas menos dispendiosas e, ao mesmo tempo, minimiza os vazios nas peças finais. Envolve a aplicação de grandes quantidades de calor infravermelho (IR) às camadas superior e inferior da pilha de camadas (a transmissão é feita através de placas de vidro transparente IR nas quais a pilha de camadas repousa) enquanto mantém a pilha inteira sob vácuo. Isso remove o ar, flui a resina e preenche as lacunas dentro e entre as fitas. O calor é aplicado apenas por um curto período, permitindo que as fitas se unam e se solidifiquem rapidamente, sem mover a pilha de camadas do lugar. Ele também foi projetado para a consolidação rápida e homogênea da pilha de camadas em um laminado com propriedades altas e consistentes em toda a extensão, tornando o comportamento de conformação reproduzível e mais fácil de simular, e garantindo altas propriedades mecânicas na peça final. Outra preocupação era como manter o calor no laminado consolidado a caminho para a prensa, para garantir boas propriedades de moldagem sem desperdiçar energia para reaquecer o laminado antes da moldagem. Uma vez consolidado, o laminado agora fundido é reaquecido rapidamente antes de ser removido da máquina e rapidamente movido para a prensa para formação.

Sequência final do processo

A sequência final do processo para o piso de carga traseiro ocorreu em quatro equipamentos, três dos quais operam simultaneamente na célula de trabalho.

Primeiro, as fitas foram colocadas automaticamente usando orientações determinadas por simulação por meio de um sistema de colocação de fitas Fibreforge RELAY. Uma mesa de indexação facilita a colocação da fita em praticamente qualquer orientação em cada camada da pilha de camadas. Fitas individuais em cada camada são levemente fixadas na camada inferior por meio de soldagem por pontos, e a camada inferior é mantida no lugar durante o layup por meio de vácuo. Como a fita é cortada individualmente para cada pedaço de cada camada, há um mínimo de desperdício e um mínimo de aparamento pós-molde. O sistema também pode criar orifícios / janelas na pilha aparando as bordas da fita antes da colagem, o que reduz o recorte pós-molde e reduz ainda mais o desperdício e os custos.

Em seguida, a pilha de camadas foi movida da máquina de relé da Fiberforge para a máquina da Fibercon e colocada entre as placas de vidro dessa unidade. Quando a unidade fechou, um vácuo foi puxado na pilha e o calor IR foi projetado por um curto período de tempo através das placas superior e inferior, aquecendo rapidamente a matriz PA6 acima de seu ponto de fusão (~ 230 ° C), fluindo resina e removendo vazios. O laminado foi então resfriado abaixo da temperatura de cristalização da resina (~ 180 ° C), consolidando as fitas individuais em um único laminado.

Na prensa de compressão agora aberta, que tinha acabado de ejetar sua parte anterior, os pinos ejetores foram deixados de fora e os pesquisadores carregaram manualmente dois perfis de alumínio e várias inserções metálicas no lado superior / central da ferramenta enquanto aguardavam a chegada da próxima rodada de materiais.

O laminado ainda quente na Fibercon foi novamente aquecido acima do ponto de fusão do PA6, a unidade foi aberta e o laminado foi transferido para a prensa de compressão aberta. Como o ar é um condutor térmico mais pobre do que o aço, o laminado foi então colocado em pinos ejetores totalmente estendidos no lado da cavidade da ferramenta para ajudar a reter o calor no laminado antes da chegada das cargas D-LFT.

Enquanto as fitas eram colocadas e consolidadas, o material D-LFT próximo era composto por duas extrusoras (o sistema In-Line Compounder da Dieffenbacher). A primeira extrusora combinava resina e aditivos, enquanto a segunda fibra picada até o comprimento desejado e, em seguida, combinava resina / aditivos com fibra para produzir cargas totalmente misturadas e pré-pesadas de D-LFT quente que, então, eram entregues à prensa de compressão. No caso do piso de carga, duas cargas D-LFT foram colocadas no laminado conforme ele era abaixado para a ferramenta por meio dos pinos ejetores de retração.

Com as cargas D-LFT mais quentes no laminado mais frio, a prensa começou a fechar conforme as quatro lâminas desdobradas em sequência para pré-moldar o laminado antes do fechamento completo da ferramenta. A aplicação sequencial das lâminas evitou o enrugamento do laminado à medida que se formavam recursos 3D, incluindo ondulações. Uma vez que a ferramenta superior fechada, o laminado de fita estava totalmente formado e as cargas D-LFT quentes foram moldadas a 1.430 MT em estruturas de rede nervurada. A parte completa, com inserções metálicas totalmente integradas, era então ejetada após a abertura da prensa.

Em um ambiente de produção, todo o manuseio de materiais seria feito usando robôs de pórtico equipados com garras de agulhas, mas para o programa de pesquisa SMiLE isso era feito manualmente. Para o programa de pesquisa, o ciclo total de moldagem foi de 240 segundos, desacelerado pela moldagem das nervuras grossas do piso de carga. Os pesquisadores acreditam que em um ambiente de produção eles poderiam obter tempos de ciclo abaixo de 100 segundos com outras modificações nas ferramentas, e que poderiam reduzi-los ainda mais se o laminado fosse pré-formado antes de ser colocado na prensa.