Thermoplastumspritzte Duroplaste, 2-Minuten-Zyklus, eine Zelle

Die automatisierte Vorformung von thermoplastischen Bändern und das anschließende Hybridformen – Thermoformen und Spritzgießen von Rippen, Clips und Vorsprüngen auf Bauteiloberflächen – wurden als die Zukunft für die Herstellung von Verbundwerkstoffen in Großserienanwendungen wie der Automobilindustrie angekündigt. Aber was wäre, wenn es möglich wäre, die Zähigkeit von Thermoplasten und die Funktionalität von Spritzgusselementen mit der hohen Leistung von kohlenstofffaserverstärkten Epoxidteilen zu kombinieren?

Darauf wollte das 2018 abgeschlossene, dreijährige Projekt OPTO-Light antworten. Es wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen seiner Strategie zur Entwicklung von Photonik – lichtbasierten Technologien wie Lasern – für die Massenproduktion von Leichtbaukonstruktionen gefördert. Den Zuschlag erhielt das Aachener Zentrum für integrativen Leichtbau (AZL) der RWTH Aachen University (Aachen, Deutschland), das Unternehmen auf einem Campus mit acht Forschungsinstituten zur Entwicklung von Leichtbauwerkstoffen, Produktionstechnologien und Anwendungen zusammenarbeitet.“

Die offensichtliche Leistung von OPTO-Light besteht darin, die hohe Steifigkeit, das geringe Gewicht und das geringe Kriechen von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) auf Epoxidbasis mit der hohen Designfreiheit und den geringen Zykluszeiten des thermoplastischen Umspritzens zu kombinieren. Dies ist jedoch nur einer von unzähligen potenziellen Disruptoren in der Verbundwerkstoffindustrie, die das Projekt erreicht hat, darunter:

• Entwicklung einer Laservorbehandlung zum Fügen von thermoplastischen mit 3D-Duroplastoberflächen;
• Integration von drei Technologien – Reaktionspolymerbearbeitung, Laserbearbeitung und Umspritzen – in eine einzige Fertigungszelle mit schneller Zykluszeit;
• Horizontal Prepreg Compression Moulding (HPCM), bei dem Materialien zur Verarbeitung in einer Standard-Spritzgießmaschine vertikal befestigt werden
• Entwicklung eines einzelnen rotierenden Werkzeugs, das alle Anforderungen für das Prepreg-Formpressen integriert und thermoplastisches Umspritzen;
• Methode zur Referenzierung optischer Teile für die kritische Ausrichtung der Laservorbehandlung und des Umspritzens entlang einer 3D-Freiformoberfläche;
• Demonstration dieses Prozesses zur Herstellung eines 3D-Strukturteils des Bodenblechs für den BMW i3 Life-Modul eines Elektrofahrzeugs mit einer 2-Minuten-Zykluszeit.

Tatsächlich wird im Abschlussbericht des Projekts vom April 2018 festgestellt, dass diese Technologie die Kosten für CFK-Teile im Automobilbereich um bis zu 30 Prozent gegenüber der derzeitigen Produktion mit Nasspressformen und Kleben einzelner Einsätze für Clips senken kann (siehe Abb. 2).

Thermoplast zu Duroplast-Partnern

Warum thermoplastisches Umspritzen mit einem duroplastischen Verbundteil verbinden? „Duroplastische CFK-Bauteile aus Epoxidharz bieten beste Eigenschaften für Karosserieanwendungen“, sagt AZL-Forschungsingenieur Richard Schares. Das Umspritzen von Rippen aus thermoplastischem Verbundwerkstoff erhöht die Konstruktionssteifigkeit des Teils (Durchgangsmodul) und reduziert so die erforderliche Menge an Kohlefasern. „Mit einer Rippendicke, die der der CFK-Schale entspricht, kann die spezifische Biegesteifigkeit des OPTO-Light-Demonstrationsteils verdreifacht werden“, ergänzt er. Das Umspritzen kann die Teilekosten weiter senken, indem eingegossene Befestigungsclips oder -vorsprünge für Schrauben bereitgestellt werden, während gleichzeitig eine Isolierung bereitgestellt wird, um galvanische Korrosion zwischen der Kohlefaser und metallischen Befestigungselementen zu verhindern.

Damit war das Ziel definiert, aber es ging darum, beide Materialien in einer einzigen Formzelle zu kombinieren. Schares erklärt, wie die Industriepartner ausgewählt wurden. „BMW hatte die meiste Erfahrung mit der Serienfertigung von CFK-Teilen. KraussMaffei hat Kombinationstechnologien wie die Mehrkomponenten-Spritzgießmaschine ColorForm und die Hybrid-Spritzgießmaschine FiberForm sehr proaktiv entwickelt.“

Das OPTO-Light-Demonstrationsteil war ein 470 Millimeter langer mal 317 Millimeter breiter mal 130 Millimeter tiefer Teil des BMW i3 Life-Modul-Boden, einschließlich der Stirnwand am Radkasten. „Die Lastfälle dieses Bauteils erfordern im Crashfall gute Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften“, erklärt Schares. „Wir wollten auch die Komplexität von Form und Drapierung, um das horizontale Prepreg-Formpressen, Laserabtragen und Umspritzen entlang einer Freiformfläche zu beweisen.“

Warum Photonik?

Deutschland hat eine langfristige Strategie zur Weiterentwicklung der Photonik-Technologie finanziert, da sie eine Schlüsselrolle bei der aktuellen globalen digitalen Transformation der Fertigung spielt. Das sollte die Composites-Industrie beachten, denn Photonik ermöglicht nicht nur fortschrittliche Verarbeitungsprozesse wie die automatisierte Faserplatzierung, das Laserschweißen von Thermoplasten, die Präzisionsbearbeitung und verschiedene 3D-Druckverfahren, sondern auch Sensorik und visuelle Kommunikation für Messtechnik, Prozessüberwachung und Inline-Inspektion. Bei OPTO-Light wurde ein Nahinfrarot-(NIR)-Laser verwendet, um Oberflächen für das Umspritzen vorzubehandeln; Darüber hinaus lieferten verschiedene laserbasierte Sensoren Daten für die Prozesskontrolle und die Inline-Qualitätssicherung (QS).

Die letzten vier OPTO-Light-Partner sind deutsche Anbieter von photonischen Systemen. Die erste, Arges (Wackersdorf), ist Experte für 3D-Scanner für die Laserbearbeitung. „Es entwickelt typischerweise innovative Laser-Scan-Systeme, die Laserstrahlen in der industriellen Materialbearbeitung und medizinischen Anwendungen positionieren und ablenken“, sagt Schares. „Für die Ablation und Erwärmung wurde ein Arges-Doppelstrahlgerät entwickelt. Precitec (Gaggenau) lieferte den interferometrischen Sensor für die Abstandsmessung während der Ablation und die Teilereferenzierung während des gesamten Prozesses. Sensortherm (Sulzbach) lieferte das Pyrometer (Temperatursensor) zur Unterstützung der Prozesskontrolle und Carl Zeiss Optotechnik (ehemals Steinbichler, Neubeuern) steuerte den T-Scan Laserscanner für die QS bei. „Er misst die Teilegeometrie und erkennt mögliche Verformungen“, erklärt Schares. „Er wird Mängel aufweisen, etwa die umspritzte Rippe, die nicht vollständig mit der CFK-Schale verbunden ist.“ Alle diese Systeme sind in den multifunktionalen Laserscanner integriert (Abb. 2), das am Ende eines sechsachsigen Kuka (Augsburg, Deutschland) Roboterarms montiert ist.

HP-RTM zum Prepreg-Band

Die ursprüngliche Idee war, die Epoxid-CFK-Teile mittels C-RTM herzustellen, einer Art Hochdruck-Harz-Transfer-Molding (HP-RTM), auch bekannt als Spaltimprägnierung, entwickelt vom Institut für Kunststoffverarbeitung IKV. Während dieser Zeit begannen jedoch automatisierte Verfahren auf Bandbasis, das Flüssigformen von Gelege (NCF) herauszufordern und ermöglichten eine 30-prozentige Reduzierung des Schneidausschusses. Schnellhärtende flüssige Epoxidharze wurden auch zu Prepreg-Materialien ausgebaut, was das Formpressen mit einer möglichen Zykluszeit von ein bis zwei Minuten attraktiv macht.

Für die Schale des Demonstrators wurden vier unidirektionale Prepregs bewertet. Diese wurden mit der STAXX Tape-Placement-Zelle von Broetje-Automation (Rastede, Deutschland) in netzförmige, 2D Tailored Blanks umgewandelt.

Anschließend werden die geformten CFK-Schalen mit 30 Prozent kurzglasfaserverstärktem Polyamid 6 (GF/PA6) mit Lanxess (Köln) Durethan BKV 30 H2.0 901510 umspritzt. Eine KraussMaffei CXW-200-380/180 SpinForm Spritzguss Als Grundlage für die Fertigungszelle OPTO-Light wurde eine Spritzgießmaschine gewählt und bei AZL installiert. Es verfügt über eine Schwenkplattentechnologie, die entwickelt wurde, um das Mehrkomponenten-Spritzgießen zu ermöglichen.

Das an der schwenkbaren Platte angebrachte Werkzeug wurde verwendet, um zwei verschiedene Formkavitäten für zwei verschiedene Prozesse zu formen – Epoxid-Prepreg-Formpressen und Thermoplast-Spritzumspritzen. „So ein Tool hat noch niemand entwickelt“, betont Schares. BMW und KraussMaffei haben viele Wochen damit verbracht, alle Anforderungen für beide Prozesse zu finalisieren, darunter Toleranzen aufgrund unterschiedlicher Temperaturzonen, Drehgenauigkeit und Dichtung für das Duroplast sowie die Standarddetails für Spritzgusswerkzeuge.

Laserablation und Teilereferenzierung

Die aus dem Formpressverfahren resultierende Epoxid-CFK-Schale muss vor dem thermoplastischen Umspritzen behandelt werden, um eine ausreichende Verbindungsfestigkeit zwischen den unterschiedlichen Materialien zu erreichen. Die Laserablation bietet im Vergleich zur mechanischen oder chemischen Vorbehandlung einen umweltfreundlichen, einstufigen Prozess und ermöglicht eine präzise Ablationstiefe und -bahn, die sich gut zum Verbinden von Rippen mit Teilen entlang von 3D-Oberflächen eignet. Das Ablationsverfahren beinhaltet das Freilegen der Kohlefasern durch lokales Entfernen der obersten 10 Mikrometer dicken Schicht aus Epoxidharz. Dies reinigt die Oberfläche und erzeugt eine Mikrostruktur, die es der Overmolding-Masse ermöglicht, die freiliegenden Fasern zu benetzen und zu infiltrieren.

Der multifunktionale Laserscanner sendet in Nanosekunden-Pulsen einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1.064 Nanometern aus. „Man braucht eine hohe Intensität und das erreicht man am effizientesten mit dem Pulsieren“, erklärt Schares. „Wir haben es mit einem Dauerstrichlaser versucht, aber er führt zu viel thermischer Belastung in das Verbundlaminat unterhalb der Fügezonen ein, wodurch die Faser-Epoxid-Haftung verringert wird. Eine prozesstaugliche Strahlquelle zu finden, die für Remote-Processing in einer industriellen Umgebung eingesetzt werden kann, war nicht einfach.“

Da die umspritzten Rippen zu den vorbehandelten Bereichen passen müssen, erfordert der Ablationsprozess eine hohe Positioniergenauigkeit. Das spätere Einbringen des umspritzten Glasfaser/PA6-Verbundmaterials wird durch das Formwerkzeug genau vorgegeben. Daher wurde von AZL eine notwendige Methodik zur Teilereferenzierung entwickelt. „Der Versatz zwischen vorbehandelter Geometrie und umspritzter Masse sollte weniger als 300 Mikrometer betragen. Somit muss die Genauigkeit für den Mittelpunkt des Laserabtastfeldes (Werkzeugmittelpunkt) innerhalb von 150 Mikrometer relativ zum Referenzpunkt liegen. Dies wurde ebenso erreicht wie eine Zykluszeit von unter zwei Minuten für die Laservorbehandlung. „Sehr wichtig waren die Vorarbeiten des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT) zur Entwicklung einer Bahngenerierung für Roboter und Laserstrahl – das war nicht trivial“, sagt Schares. Das System hat sich tatsächlich bewährt – Testergebnisse zeigten eine Scherfestigkeit von 27 MPa zwischen dem GF/PA6-Overmold und dem Epoxid-CFK-Substrat.

Kürzere Prozesswege

Schon als die Vorteile des ersten Prozesses dokumentiert wurden, erkannte das OPTO-Light-Team, dass es möglich war, auf die Laservorbehandlung zu verzichten. Dieses zweistufige Verfahren würde die Epoxid-Prepreg-Hülle nur teilweise härten und die verbleibende Reaktivität des Epoxidharzes verwenden, um eine Befestigung mit der thermoplastischen Umspritzung zu erreichen. Es gibt drei mögliche Mechanismen für die Verbindung zwischen ungehärtetem Epoxid und PA6:

• Kovalente Bindung zwischen reaktiven Epoxidringen und PA-Amingruppen;
• Wasserstoffbindungen mit dem Wasserstoff des Amins als Donator und dem Sauerstoff des Epoxids als Akzeptor;
• Semi-interpenetrierende Netzwerke durch Diffusionseffekte, möglich durch Hochtemperaturbeweglichkeit der PA-Molekülketten.

Der Vorteil dieses zweistufigen Verfahrens, so Schares, „ist, dass man die Vorbehandlung überspringen kann, aber die erforderliche Prozessführung viel anspruchsvoller ist und die Oberflächenqualität nicht so hochglänzend ist. Eine weitere Reduzierung der Teilekosten durch Vereinfachung der Produktion ist jedoch sehr attraktiv.“

Der Schlüssel zu diesem Prozessweg ist die Prozessüberwachung. „Man muss in den Prepreg-Formpressprozess hineinschauen, denn für eine gute Verbindung mit der thermoplastischen Umspritzung muss man den Aushärtungszustand sicher kennen“, erklärt er. Diese Überwachung des Härtungszustands wurde durch die Verwendung von Druck- und Temperatursensoren in der Form sowie Sensoren für den spezifischen Gleichstromwiderstand (DCR) und die dielektrische Analyse (DEA) in der Form erreicht.

DCR und DEA sind für die Aushärtungsüberwachung in Kompositen gut etabliert. Bei OPTO-Light umfasst die DCR/DEA-Prozesssteuerung ein Optimold-System von Synthesites (Uccle, Belgien) einschließlich eines langlebigen 16-Millimeter-DCR-Sensors und der Optiview-Software. Optimold überwacht den elektrischen Widerstand und die Temperatur des Harzes bis 210°C und einen Druck von 90 bar mit einer Abtastrate von 1 Hz. Das Analysegerät DEA288 Epsilon von Netzsch Gerätebau (Selb, Deutschland) umfasst eine 4-Millimeter-Keramik-Monotrode und Proteus-Software. Die DataFlow-Software von Kistler Instruments (Winterthur, Schweiz) zur Spritzgussoptimierung ist eine weitere Schlüsselkomponente.

Der Prozess, beginnend mit der Fixierung des Prepreg-Preforms im Werkzeug bis hin zum Auswerfen aus der Spritzgießkavität, wird durch die DCR/DEA-Sensorsignale beschrieben. Diese Daten sind entscheidend, um die optimale Aushärtezeit beim Formpressen zu bestimmen, bevor zum Spritzgießen für den Abschluss der Aushärtung und das Umspritzen gewechselt wird. Die Sensoren helfen, das Material während der Bearbeitung für eine optimale Teilequalität zu charakterisieren. In Zukunft kann der Prozess adaptiv und intelligent sein, wobei die Prozessschwenkung durch die DEA- und DCR-Sensorsignale ausgelöst wird.

Erste Tests zeigen eine Abzugsfestigkeit von 9 N/mm ² und eine noch höhere Scherfestigkeit für die Epoxid-PA6-Verbindung mit dieser zweiten, kürzeren OPTO-Light-Prozessroute. Es wird daran gearbeitet, diese Verbindungsstärke zu verbessern, einschließlich des weiteren Einsatzes der Prozessüberwachung. Das Team untersucht auch einen einstufigen Prozess, bei dem das horizontale Prepreg-Kompressionsformen kein separater Prozess mehr ist, sondern gleichzeitig mit dem Überspritzen erreicht wird.

Hybridisierung für zukünftige Störungen

Das Disruptionspotenzial von OPTO-Light wurde 2017 mit dem AVK-Innovationspreis in der Kategorie Forschung und Wissenschaft gewürdigt. Der Abschlussbericht des Projekts 2018 stellt fest, dass für Verbundwerkstoffe, um Kostenparität mit Metall in der Automobilserienproduktion zu erreichen, nicht nur die Maximierung der Integration von Funktionen in Teile, sondern auch die Integration der Prozesse zur Herstellung dieser Teile. OPTO-Light hat eine Reihe von Technologien entwickelt, darunter photonikbasierte Messtechnik, Oberflächenbehandlung und Thermoplast-/Duroplastguss, die beides ermöglichen. Diese Technologien öffnen auch die Tür zu weiteren Hybridprozessen, wie zum Beispiel der Laserbearbeitung zur Ergänzung des Spritzgusses. „Durch die Integration des entwickelten Laserwerkzeugs in die Formzelle hat man nun die Möglichkeit, vor, zwischen oder nach Polymerprozessen innerhalb der Spritzgießmaschine Laserablation, -schneiden, -vorbehandlung oder -erwärmung durchzuführen“, erklärt Schares. „Dies erweitert die Funktionalität zukünftiger Teile.“

Die Idee, mehrere Fertigungsprozesse in einer einzigen Arbeitszelle zu kombinieren, gewinnt bei Verbundwerkstoffen an Bedeutung. Viele CNC-Maschinenhersteller bieten beispielsweise mittlerweile Zellen an, die additive Fertigung und subtraktive CNC-Bearbeitung kombinieren. MF Tech (Argentan, Frankreich) hat das 3D Filament Winding . kombiniert und CNC-Bearbeitung, und Mitbegründer Emanuel Flouvat bestätigt die weitere Hybridisierung mit Robotern, die Endeffektoren gegen einen Ultraschall- oder Laserschweißer zum Verbinden von Thermoplasten austauschen können, oder einen automatisierten Faserplatzierungskopf, um lokale Patches von unidirektionalem Klebeband aufzubringen. „Durch die Integration eines robotergeführten Lasersystems wird der ‚Werkzeugkasten‘ zur Definition weiterer Inline-Kombinationstechnologien erweitert“, sagt Schares. Dies ist ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung einer automatisierten Herstellung von Verbundwerkstoffen mit mehreren Prozessen, die zweifellos bald Elektronik in die fertigen Produkte integrieren wird.

Die letzte Lektion, die OPTO-Light in der Hybridisierung bietet, ist seine Partnerschaft. „Die interessanteste Herausforderung beim Management dieses Projekts bestand darin, all die verschiedenen Partner mit ihren jeweils einzigartigen Expertisen – zum Beispiel Photonik, Reaktionspolymere, Spritzguss, Messtechnik – zusammenzubringen und ein gemeinsames Verständnis der Auswirkungen zu entwickeln und voranzutreiben.“ jedes Arbeitsgangs, um diese einzige Prozesskette erfolgreich zu machen“, sagt Schares. Er betont die Bedeutung der Expertise und Unterstützung von fünf Partnerinstituten – IKV Spritzguss, IKV Reaktionspolymere, ISF für Schweißen und Fügen, Fraunhofer IPT für Laserintegration und Fraunhofer ILT für alternative Laserquellen. „Dieses Projekt hat die Fähigkeit einer solchen interdisziplinären Entwicklung gezeigt, technische Herausforderungen für eine kostengünstige Composite-Produktion effizient zu lösen“, sagt Schares. Es hat auch den Grundstein für noch weitere disruptive Innovationen gelegt.

Sehen Sie sich ein Video des integrierten OPTO-Light-Prozesses unter https://youtu.be/b9HmgnuGQY0 an.