Kontinuierliche Bänder, D-LFT treffen in neuem Formpressverfahren zusammen

Ein mehrjähriges, öffentlich gefördertes Forschungsprogramm unter der Leitung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) mit dem Namen Systemintegrierter Multi-Material-Leichtbau für die Elektromobilität (SMiLE), kombiniert Verbundwerkstoffe und Nichteisenmetalle zur Reduzierung von Masse und Kosten für die gesamte Rohbaustruktur (BIW) eines batterieelektrischen Fahrzeugs (BEV). Das hintere Bodenmodul wurde aus zwei Arten von thermoplastischen Verbundwerkstoffen sowie metallischen Profilen und Einsätzen konstruiert. (Erfahre mehr in CW ’s Dezember 2018 Konzentrieren Sie sich auf Design. ) Um diese Ladefläche schnell und kostengünstig herzustellen, wurde ein neuer einstufiger Formpress-Unterprozess entwickelt und eine neue Technologie zum schnellen Erhitzen und Verfestigen von thermoplastischen Bändern verwendet.

UD-Band + D-LFT

Der Heckladeboden aus Hybrid-Verbundwerkstoff verwendet unidirektionale (UD) thermoplastische Bänder sowie Direkt-Langfaser-Thermoplast (D-LFT)-Verbundstoffe. Thermoplastische Bänder bieten eine hohe Steifigkeit/Festigkeit in einer dünnen, leichten Struktur, die hohen Knicklasten bei einem Crash standhalten kann; D-LFT bot die Möglichkeit, komplexe Geometrien zu formen, funktionale Integration/Teilekonsolidierung und die Möglichkeit, metallische Befestigungselemente umzuspritzen. Verwendet wurden Ultramid B3K Polyamid 6 (PA6) D-LFT mit 40 Gew.-% Glasfaserverstärkung und acht Lagen Ultratape B3WG12 PA6 mit 60 Gew.-% Glasfaseranteil, beide von BASF SE (Ludwigshafen, Deutschland).

Obwohl D-LFT spritz- oder formgepresst werden kann und Bandlaminate spritzgegossen werden können, werden beide Materialien üblicherweise formgepresst – ein gut verstandener Automobilprozess mit ausreichend installierter Kapazität lokal und global, um das Ziel des SMiLE-Programms von 300 Fahrzeugen/Tag zu unterstützen .

UD-Bänder und D-LFT werden oft auf zwei Arten im selben Teil kombiniert:Entweder werden Bänder selektiv zu Lastpfaden in überwiegend D-LFT-Strukturen hinzugefügt, die bessere mechanische Eigenschaften erfordern – eine Technik namens Tailored D-LFT, die auch Verwenden Sie Endlosfaser-Rovings anstelle von oder in Kombination mit Bändern – oder Bänder und D-LFT werden verwendet, um gegenüberliegende Seiten eines Teils abzudecken. Bei der ersten Technik ist es mit dem fließfähigen D-LFT einfach, dünne Bänder während des Überspritzens aus der Position zu drücken, was die Verwendung von Clips oder anderer Hardware im Werkzeug erfordert, um die Bandposition beizubehalten. Obwohl es weniger kostspielig ist, Bänder in überwiegend D-LFT-Strukturen selektiv zu verwenden, sind solche Teile nicht so stark oder leicht wie diejenigen, die ein höheres Verhältnis von Bändern zu D-LFT verwenden. Bei der zweiten Technik, dem Auftragen von Tapes und D-LFT auf gegenüberliegenden Seiten eines Teils, wird auf der D-LFT-Seite eine bessere Funktionsintegration/Teilekonsolidierung und auf der UD-Tape-Seite eine höhere Steifigkeit/Festigkeit erreicht (siehe „Hybrid-Thermoplast Molding:Toughening automotive composites“), aber die resultierende Struktur ist immer noch relativ schwer und nicht so steif und fest, wie sie sein könnte.

Angesichts der sicherheitskritischen Natur von Fahrzeugladeböden und dem Wunsch der SMiLE-Forscher, den gesamten Heckladeboden aus thermoplastischem Verbundwerkstoff zu nutzen, um Aufprallenergien zu absorbieren (nicht nur mit metallischen Profilen, die an den axialen Seiten konventioneller Vollmetall- oder des neuen Hybrid- Composite-Ladeboden) war es wichtig, den hinteren Ladeboden so steif und stabil wie möglich zu gestalten. Da die Forscher sowohl Gewicht als auch Kosten reduzieren mussten, um die Projektziele zu erreichen, den Ladeboden dünn halten und gleichzeitig ein Einknicken beim Aufprall vermeiden wollten und auch Funktionen an wichtigen Stellen (z. B. Befestigungspunkte für Sicherheitsgurte in der zweiten Reihe) hinzufügen wollten, entwickelten sie ein neues D-LFT/Compression Moulding-Subprozess, bei dem der größte Teil des Ladebodens aus thermoplastischem Klebeband besteht (vor dem Formen zu einem Laminat vorverfestigt), wobei D-LFT selektiv nur dort angewendet wird, wo Rippen und komplexe Geometrien benötigt werden, aber mit Klebebandlaminaten nicht zu formen ist allein.

Das Team entschied sich außerdem, zu versuchen, den 1,3 x 1,3 m großen hinteren Ladeboden in einem einzigen Schritt . herzustellen innerhalb der Formpressen. Um all diese Ziele zu erreichen, das Team brauchte eine Kombination aus interessanten und innovativen Werkzeugen und einem sequenziellen Umformprozess.

Lokales, fortschrittliches, maßgeschneidertes LFT

Das endgültige Design des hinteren Ladebodens ist eine dünnschalige, endkonturnahe Struktur, die über zu einem Laminat vorverfestigte UD-Bänder hergestellt wird. Große Riffelungen entlang der Längsachse des Teils sorgen für hohe Festigkeit bei geringer Masse und Dicke. Die Forscher wussten jedoch, dass diese Wellungen in dem großen Laminat schwierig zu formen sein würden. Um eine gute Drapierung zu gewährleisten, wurde die Form mithilfe einer Simulation konstruiert, um die reproduzierbare Ausbildung der Wellen (50 mm Höhe mal 115 mm Breite) zu überprüfen und die Faltenbildung zu minimieren. Wenn sie es falsch machten und sich die Wellen nicht richtig formten, könnte das Laminat falten oder sich aus der Ebene verschieben, und die Bindungsfestigkeit mit dem D-LFT wäre schlecht. Virtuelles Prototyping sagte voraus, dass die beste Umformsequenz von innen/Mitte nach außen zu den Seiten verläuft, ähnlich wie dies normalerweise beim Handlaminieren erfolgt. Die einzige Möglichkeit, einen sequentiellen Formprozess in einem Formschritt (wo das Laminat nicht außerhalb der Hauptpresse vorgeformt wurde) durchzuführen, bestand darin, Werkzeugfunktionen (Schlitten) zu verwenden.

Schieber sind in sehr komplexen Spritzgusswerkzeugen üblich. Beim Formpressen sind sie zwar keine Seltenheit, aber sie sind weniger verbreitet und neigen dazu, bei ihrer Verwendung viel weniger komplex zu sein. Die Forscher entwarfen das Werkzeug mit sechs verschiebbaren Hohlräumen (unter Verwendung von vier Schiebern), um Riffelungen und andere Strukturen im Laminat zu bilden, anstatt sie nur in D-LFT zu überformen, was sonst dem Teil eine erhebliche Masse und Dicke hinzugefügt hätte.

Frühere Arbeiten zur Grenzflächenfestigkeit an den Laminat/D-LFT-Rippenverbindungen hatten gezeigt, dass eine überlegene Haftfestigkeit erreicht wurde, wenn das Laminat vor dem Umspritzen eine Temperatur von mindestens 130°C – unter dem Schmelzpunkt der PA6-Matrix – und D -LFT wurde dem Werkzeug bei 280°C über dem Schmelzpunkt von PA6 zugeführt. Um zu verhindern, dass das Laminat zu schnell gegen das Werkzeug abkühlt, bevor die D-LFT-Ladungen platziert wurden, legten die Forscher es auf vollständig ausgefahrene Auswerferstifte auf der Kavitätsseite des Werkzeugs. Als zwei D-LFT-Chargen geliefert wurden, senkten sich die Auswerferstifte und die Form begann sich zu schließen. Als nächstes fuhren die vier Schlitten – von denen drei über das Hydrauliksystem der Maschine und der vierte über Federkraft betätigt wurden – nacheinander aus, um das Laminat einschließlich seiner tiefen Wellen zu bilden. Nachdem die Presse vollständig geschlossen war, wurden die D-LFT-Rippenstrukturen (in einem komplexen X-förmigen Gitter) gebildet. Die Forscher nannten diese sequentielle Formgebungstechnik „Local Advanced Tailored LFT“.

In einer weiteren Abweichung von der herkömmlichen Konstruktion von Kompressionswerkzeugen wurde die Form mit Scherkanten nur in Abschnitten konstruiert, in denen D-LFT zu einer Teilekante floss, um ausgewählte Chargen von fließfähigem D-LFT gegen das nicht fließfähige Bandlaminat zu formen, das den Großteil der die Struktur.

Strahlungsinduzierte Vakuumkonsolidierungstechnologie

Ein wichtiger Prozessschritt, um ein reproduzierbares Umformverhalten und eine hohe mechanische Leistung im Endteil sicherzustellen, ist die Tape-Konsolidierung. Durch schnelles Erhitzen der thermoplastischen Bandstapel unmittelbar vor dem Formen werden Hohlräume innerhalb und zwischen den Lagen eliminiert und eine ausgezeichnete Verfestigung/Faserimprägnierung wird erreicht. Damit dies nicht der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist, wurde der Prozess an die Geschwindigkeit des automatisierten thermoplastischen Tapelegens angepasst – eine Fiberforge RELAY Tapelegemaschine der Dieffenbacher GmbH (Eppingen, Deutschland) wurde verwendet – sowie Formzyklen auf der Komprimierung Presse, eine 3.600-Tonnen-Presse Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS, ebenfalls von Dieffenbacher, diente zur Bildung des hinteren Ladebodens.

Vor SMiLE, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (F-ICT, Pfitztal, Deutschland), das die Entwicklung der vorderen und hinteren Ladeböden im größeren SMiLE-Programm leitete und auch bei der Entwicklung des lokalen fortschrittlichen, maßgeschneiderten LFT-Sequenzierverfahrens mit anderen Programmen half Partner – hatten ein innovatives Verfahren namens strahlungsinduzierte Vakuumkonsolidierung entwickelt, um UD-Bandstapel schnell zu Laminaten zu konsolidieren, die anschließend zur Herstellung des hinteren thermoplastischen Ladebodens verwendet wurden. Seitdem hat Dieffenbacher das mit einer Maschine namens Fibercon kommerzialisiert. Der Prozess wurde entwickelt, um Imprägnierungsdefekte in Bändern zu heilen, wodurch weniger kostspielige Bänder verwendet werden können und gleichzeitig Hohlräume in den fertigen Teilen minimiert werden. Dabei werden große Mengen Infrarot (IR)-Wärme auf die obere und untere Schicht des Lagenstapels aufgebracht (die Übertragung erfolgt durch IR-transparente Glasplatten, auf denen der Lagenstapel ruht), während der gesamte Stapel unter Vakuum gehalten wird. Dadurch wird Luft entfernt, das Harz fließt und füllt Lücken in und zwischen den Bändern. Die Hitze wird nur für kurze Zeit angewendet, sodass sich die Bänder miteinander verbinden und schnell verfestigen, ohne dass der Lagenstapel verschoben wird. Es wurde auch für die schnelle, homogene Verfestigung des Lagenstapels zu einem Laminat mit durchgehend hohen und gleichbleibenden Eigenschaften entwickelt, wodurch das Umformverhalten reproduzierbar und einfacher zu simulieren ist und hohe mechanische Eigenschaften im Endteil gewährleistet sind. Ein weiteres Anliegen war, die Wärme im konsolidierten Laminat unterwegs . zu halten an die Presse, um gute Formeigenschaften zu gewährleisten, ohne Energie zu verschwenden, um das Laminat vor dem Formen wieder aufzuwärmen. Nach der Verfestigung wird das nun verschmolzene Laminat schnell wieder erwärmt, bevor es aus der Maschine entnommen und zum Formen schnell zur Presse transportiert wird.

Endgültiger Prozessablauf

Der abschließende Prozessablauf für die hintere Ladefläche erfolgte an vier Geräten, von denen drei gleichzeitig in der Arbeitszelle arbeiten.

Zuerst wurden Bänder automatisch mit Orientierungen gelegt, die durch Simulation über ein Fiberforge RELAY-Bandlegesystem bestimmt wurden. Ein Indexiertisch macht es einfach, Tape in praktisch jeder Ausrichtung auf jede Lage des Lagenstapels zu legen. Einzelne Tapes auf jeder Lage werden durch Punktschweißen leicht an die darunter liegende Lage geheftet, und die untere Lage wird während des Auflegens durch Vakuum an Ort und Stelle gehalten. Da das Klebeband für jedes Stück jeder Schicht individuell zugeschnitten wird, gibt es nur minimalen Abfall und ein minimales Beschneiden nach der Form ist erforderlich. Das System kann auch Löcher/Fenster in den Stapel legen, indem es die Bandkanten vor dem Heften beschneidet, was das Beschneiden nach der Form reduziert und Ausschuss und Kosten weiter reduziert.

Als nächstes wurde der Lagenstapel von der Fiberforge RELAY-Maschine zur Fibercon-Maschine transportiert und zwischen die Glasplatten dieser Einheit gelegt. Beim Schließen der Einheit wurde ein Vakuum an den Stapel angelegt und IR-Wärme wurde für kurze Zeit durch die obere und untere Platte projiziert, wodurch die PA6-Matrix schnell über ihren Schmelzpunkt (~230 °C) erhitzt wurde, Harz floss und Hohlräume entfernt wurden. Das Laminat wurde dann unter die Kristallisationstemperatur des Harzes (~180 °C) abgekühlt, wodurch einzelne Bänder zu einem einzigen Laminat konsolidiert wurden.

In der jetzt geöffneten Kompressionspresse, die gerade ihren vorherigen Teil ausgeworfen hatte, wurden Auswerferstifte weggelassen und die Forscher legten manuell zwei Aluminiumprofile und mehrere Metalleinsätze in die Ober-/Kernseite des Werkzeugs ein, während sie auf die nächste Materialrunde warteten.

Das noch heiße Laminat in der Fibercon wurde erneut über den Schmelzpunkt von PA6 erhitzt, die Anlage geöffnet und das Laminat in die offene Presspresse überführt. Da Luft ein schlechterer Wärmeleiter als Stahl ist, wurde das Laminat dann auf vollständig ausgefahrene Auswerferstifte auf der Hohlraumseite des Werkzeugs gelegt, um die Wärme im Laminat vor dem Eintreffen der D-LFT-Ladungen zu halten.

Während Tapes aufgelegt und verfestigt wurden, wurde mit zwei Extrudern (dem In-Line Compounder System von Dieffenbacher) nahe gelegenes D-LFT Material compoundiert. Der erste Extruder kombinierte Harz und Additive, während die zweite geschnittene Faser auf die gewünschte Länge und dann kombinierte Harz/Additive mit Fasern, um vollständig gemischte, vorgewogene Chargen von heißem D-LFT herzustellen, die dann an die Kompressionspresse geliefert wurden. Im Fall der Ladefläche wurden zwei D-LFT-Ladungen auf das Laminat gelegt, während es durch Zurückziehen der Auswerferstifte zum Werkzeug abgesenkt wurde.

Da die heißeren D-LFT-Chargen auf dem kühleren Laminat saßen, begann sich die Presse zu schließen, als die vier Schieber nacheinander ausgefahren wurden, um das Laminat vor dem vollständigen Schließen des Werkzeugs vorzuformen. Das sequentielle Aufbringen der Folien verhinderte eine Faltenbildung des Laminats, da sich 3D-Merkmale, einschließlich Wellen, bildeten. Sobald das Oberwerkzeug geschlossen war, war das Bandlaminat vollständig geformt und die heißen D-LFT-Chargen wurden bei 1.430 MT zu Rippengitterstrukturen geformt. Das komplette Teil mit voll integrierten Metalleinlagen wurde dann nach dem Öffnen der Presse ausgeworfen.

In einer Produktionsumgebung würde die gesamte Materialhandhabung mit Portalrobotern erfolgen, die mit Nadelgreifern ausgestattet sind, aber für das SMiLE-Forschungsprogramm erfolgte dies von Hand. Für das Forschungsprogramm betrug der gesamte Formzyklus 240 Sekunden, verlangsamt durch das Formen der dicken Rippen des Ladebodens. Forscher glauben, dass sie in einer Produktionsumgebung mit weiteren Werkzeugmodifikationen Zykluszeiten unter 100 Sekunden erreichen könnten, und dass sie sie noch senken könnten, wenn das Laminat vor dem Einbringen in die Presse vorgeformt würde.