Hybrid-Composite-Abdeckungen: Hochmoderner Schutz für ultradünne Elektronik

SABIC demonstrierte in einer aktuellen Studie, dass eine 1 Millimeter dicke Abdeckung alle relevanten Industriestandards für sehr dünne Notebooks oder Tablets erfüllen kann. Quelle, alle Bilder | SABIC

Consumer Electronics ist ein dynamischer Markt mit sehr kurzen Zykluszeiten zwischen Produktgenerationen. Von Smartphones, Smartwatches, Tablets und Notebooks/Laptops wollen Verbraucher höhere Geschwindigkeiten, langlebigere Batterien, größere Haltbarkeit und mehr Features bei geringeren Kosten und Gewicht. Um die Nachfrage zu bedienen, fordern OEMs von Zulieferern Materialien mit hoher Ästhetik und Designfreiheit, exzellenter Schlagfestigkeit und hoher Steifigkeit – was in diesem Markt Qualität signalisiert – bei geringem Gewicht und dünnen Wandstärken. Sie wollen auch kosteneffektive, hochwiederholbare Fertigungsverfahren, die globale Produktionsnachfrage im Zehnmillionenbereich jährlich decken. Diese Drucke haben den Markt erst zu Leichtmetallen für Abdeckungen/Gehäuse und Rahmen getrieben, und nun hin zu Metall/Composite- und vollcomposite Lösungen.

Eine Machbarkeitsstudie von SABIC (Bergen op Zoom, Niederlande) beinhaltete den Einsatz zweier Typen thermoplastischer Composites zur Herstellung einer 1 mm dicken Notebook/Tablet-Abdeckung. Die Studie zeigte, dass das Hybrid-Thermoplast-Composite-Design eine tragfähige Lösung für den anspruchsvollen Consumer-Electronics-Markt sein könnte.

Testfall

Seit 2012 tätigte SABIC eine Reihe von Investitionen zur Entwicklung eigener unidirektionaler (UD) faserverstärkter thermoplastischer Composite-Tapes (siehe „Evolving into continuous fiber reinforcements“), was die Kernkompetenz in Kurzfaser-Spritzguss und Langfaser-Thermoplaste (LFT) erweiterte und SABIC den Einstieg in höherleistungsfähige Thermoplast-Composites ermöglichte. 2015 erwarb das Unternehmen die Mehrheitsbeteiligung am Tape-Hersteller Fiber Reinforced Thermoplastics B.V. (FRT, Lelystad, Niederlande) und wurde 2017 Partner und Minderheitsinvestor bei Airborne (Den Haag, Niederlande), einem Maschinenbauer und Entwickler von Composite-Fertigungslinien.

Während SABIC und Airborne Technologie zur schnellen und kosteneffektiven Herstellung von Net-Shape, hochwertigen thermoplastischen Tape-basierten Laminaten für echte Hochvolumenmärkte entwarfen und bauten (siehe „High-speed, high-rate thermoplastic composites manufacturing“), suchte das Team nach einem Testfall. Dieser Demonstrator wäre ein wichtiges Marketinginstrument, um Designkonzepte für thermoplastische Composite-Laminate aus Composite-Tapes, überformt mit diskontinuierlich faserverstärkten Compounds, zu beweisen. Er wäre auch wichtig, um die vom Team entwickelten prädiktiven Engineering-Tools für beide Materialtechnologien zu testen und den sich entwickelnden Hochgeschwindigkeitsfertigungsprozess in den Niederlanden zu präsentieren.

„Wir entschieden uns, uns auf Consumer-Electronics-Anwendungen zu spezialisieren“, erklärt Gino Francato, SABIC Global Composites Leader. „Dieser Markt ist sehr interessant, weil es ein echtes Bestreben gibt, in leichte Materialien zu gehen, um Handys und Notebooks leichter und dünner zu machen. Und da sie Millionen davon herstellen, nahmen wir die Herausforderung an.“

„Wir entschieden uns, mit etwas zu beginnen, das vernünftig komplex, aber nicht zu komplex war“, erklärt Scott Davis, SABIC Staff Scientist Global Application Technology. Die obere Abdeckung eines sehr dünnen Notebooks oder sogar eines Tablets – was das Team hoffte, sich später auf Smartphone-Komponenten übertragen zu lassen – schien ein guter Startpunkt. „Wir arbeiteten mit einer einfachen Gesamtgeometrie, einem Rechteck, das dennoch hohe Ästhetik bewahren und auf seiner B-Seite viel Komplexität bieten musste, einschließlich Befestigungsmerkmalen“, führt Davis fort. „Wir mussten die Abdeckung sehr dünn halten, aber dennoch anspruchsvolle Durchbiegungsanforderungen erfüllen, die in der Industrie üblich sind. Und natürlich mussten wir ein sehr konsistentes Produkt über einen komplexen neuen Fertigungsprozess liefern.“

Da sie nicht mit einem tatsächlichen Kundendesign arbeiteten und nur die Schutzabdeckung für einen Bildschirm erstellten, nutzten sie generische Geometrie. Tatsächlich, so Davis, als sie begannen, Spritzgusswerkzeuge für die interne Entwicklung zu schneiden, waren sie sich nicht einmal sicher, ob sie ein Tablet- oder Notebook-Cover bauten, sodass das Cover für beides funktionieren sollte. „Es gab viele Herausforderungen, eine Composite-Lösung für Hochvolumenproduktion bereitzustellen“, fügt Davis hinzu. „Tatsächlich passierte viel gleichzeitig – Tape-Entwicklung, Laminat-Entwicklung, Prozessentwicklung – und wir konnten nicht warten, bis all das finalisiert war, um unser Werkzeug zu beginnen, weshalb wir zu diesem Design kamen.“ Mit dem Basisdesign fertig, konzentrierte sich das Team auf andere Details: beste Anspritzung, nötige Überlappungen zwischen Laminateinlage und Überformcompound, automatisierte Platzierung im Werkzeug, Umgang mit CTE-Mismatch (Koeffizient linearer thermischer Ausdehnung) zwischen den beiden Composites und Erstellung eines leicht reproduzierbaren Teils.

Erfüllung anspruchsvoller Anforderungen

Ziel war eine 1 mm dicke obere Abdeckung mit hoher Steifigkeit, die alle Leistungs- und Ästhetikanforderungen besteht – besonders der Mittelpunktdurchbiegetest, der regelmäßig an Laptop-Abdeckungen angewendet wird, um die Lasten zu bewerten, die den darunterliegenden Bildschirm beschädigen. Last/Durchbiegungsanforderungen variieren je nach OEM, Gerät und Modell, aber typischerweise sind nicht mehr als 3–5 mm Durchbiegung unter 40–120 Newton Druck erlaubt – eine Situation, die die Lasten simuliert, die ein Finger oder Ellbogen ausübt, wenn ein Nutzer aufsteht. In vielen Branchen wäre die Strategie, die Wanddicke zu erhöhen, aber dieser Markt schätzt dünnere Designs, die Platz für größere Batterien und andere Komponenten freimachen, ohne Gerätegröße oder -gewicht zu erhöhen. Daher brauchte das Team eine andere Designstrategie zur Verhinderung von Bildschirmschäden – nämlich Auswahl steiferer Materialien (über Laminateinlage) und Geometrie (z. B. Rippen durch Überformung). Zuerst mussten sie Materialien spezifizieren.

Eines dieser Materialien, Polycarbonat (PC), ist in dieser Branche bereits weit verbreitet für Abdeckungen und andere Komponenten, dank exzellenter Ästhetik und hoher Schlagfestigkeit. Die größten Schwächen des Polymers sind chemische Beständigkeit und Oberflächenkratzempfindlichkeit, aber die auf den meisten Abdeckungen aufgebrachte Beschichtung, Lack oder Kombinationen überwinden diese potenziellen Probleme meist.

„Weil Ultraleicht-Notebooks so dünn sind, ist der Paketraum innen ein echtes Premium, sodass Durchbiegungen und Mechanik wirklich kritisch werden“, weist Francato hin. „Während man aus Kostengründen Glas [Verstärkung] bevorzugen würde, mussten wir Carbon [Faser] für die nötige Steifigkeit einsetzen.“ Daher waren alle bewerteten Tape-basierten Laminate Variationen von Carbonfaser-verstärktem Polycarbonat – Grade, die damals bei SABIC-Tochter FRT in Entwicklung waren.

SABIC hat prädiktive Modelle entwickelt, um Laminattyp und -architektur (mit und ohne Überformcompounds) vs. Formteilleistung zu simulieren und berichtet von starker Korrelation zwischen Vorhersagen und experimentellen Ergebnissen. Die prädiktiven Engineering-Tools sollen die Materialentwicklung beschleunigen.

Der Überformcompound erforderte einen anderen Ansatz. Zunächst war die Strategie, ein LFT-Compound mit längeren Fasern zu nutzen, aber aus mehreren Gründen – einschließlich hoher ästhetischer Anforderungen, Bauteilgröße und Anspritzstrategie – erfüllten Kurzfasercompounds die Projektanforderungen besser. Ein weiteres Thema war die Faserart. „Kurzfaser-Carbon-Spritzcompounds sind wirklich schwierig zu verarbeiten und dabei hohe Ästhetik zu erreichen“, führt Francato fort, „deshalb schauten wir für unser Überformmaterial auf kurzglasfaserverstärkte Grade.“ SABIC-Tochter LNP Engineering Plastics, Inc. (Exton, Pennsylvania, USA) bietet viele Glasfaser/PC-Grade mit guter Ästhetik und Steifigkeit, die bei Geräte-OEMs beliebt sind, sodass das Team sich auf diese konzentrierte.

Obwohl vollamorphes PC weniger verzugsanfällig ist als teilkristalline Polymere, sorgte sich das Team dennoch um CLTE-Unterschiede zwischen den hochverstärkten, anisotropen UD-Carbonfaser-Tapes und den mehr isotropen, diskontinuierlichen Kurzglasfaser-Überformgraden bei niedrigeren Faseranteilen. „In so dünnen Wänden gibt es sehr wenig Spielraum für Fehler, sodass die leichten CLTE-Unterschiede Dinge waren, die wir sorgfältig berücksichtigen mussten“, erklärt Davis. „Und das berührt noch nicht einmal all die normalen Spritzguss-Themen wie Anspritzpunkte, Füllmuster, Nachdruck und Bindeleitungen. All diese Faktoren wurden simuliert und physikalisch verifiziert.“

Nach Materialwahl führten SABIC-Ingenieure mehrere Iterationen von Formfüllung, Strukturanlyse und Verzugssimulation durch, um Laminataufbau, Geometrie und Materialkombinationen zu optimieren für Steifigkeit im Last/Durchbiegetest sowie andere Leistungs- und Kostenanforderungen. Das Unternehmen sagt, es habe umfassende und präzise Composite-Modellierungstools entwickelt (für Kunden verfügbar, laufend in gängigen Struktur- und Prozesscodes), die Laminatarchitektur, Überformcompound-Zusammensetzung und diverse Verarbeitungs- und Werkzeugoptionen vs. tatsächliche Formteilleistung schnell modellieren und simulieren können. Diese Tools erreichen angeblich starke Korrelation zwischen Vorhersagen und gemessener Leistung und sind ideal für beschleunigte kundenspezifische Materialentwicklung.

Bereit für den Einsatz

Vorderseite der finalen Laptop/Tablet-Abdeckung, hergestellt mit Carbonfaser-verstärktem Polycarbonat Tape-basiertem Laminateinsatz, überformt mit 40 % Fasergewichtsanteil THERMOCOMP D452 Kurzglasfaser/PC-Copolymer (ein für hohen Fluß und hohe Ästhetik optimierter Grad, bereits weit verbreitet in diesem Segment). Die Kombination erzeugt eine Abdeckung mit hoher Steifigkeit und Festigkeit bei niedriger Masse und Wanddicke, während zahlreiche 3D-Design-Details, Befestigungsmerkmale und gute Ästhetik integriert sind, wodurch das Beste jedes Materials genutzt wird. Die Abdeckung bestand angeblich alle erforderlichen Industriests und wird derzeit von Geräte-OEMs evaluiert.

Rückseite der fertigen Abdeckung.

Die Zusammenarbeit zwischen Airborne und SABIC trug auch Früchte für SABICs Consumer-Electronics-Marktziele. Die Partnerschaft wurde 2018 verkündet, und dieses Jahr wurden weitere Details zu dem veröffentlicht, was beide Unternehmen ihre Digital Composites Manufacturing Line nennen, die vier Net-Shape konsolidierte Laminateinsätze aus thermoplastischen Composite-Tapes pro Minute oder 1,5 Millionen Laminate pro Jahr von einer einzigen Produktionslinie fertigen kann. Das System soll flexibel sein (in Bezug auf Lagenaufbau und Materialien) und schnell. Ab 2020 wird Airborne die Linie nutzen, um Laminate für kommerzielle Nutzung in Consumer Electronics herzustellen und damit eine Ressource zu schaffen, die beide Unternehmen hoffen, die Penetration thermoplastischer Composites in diesem hart umkämpften, schnelllebigen Segment stark zu erhöhen.