2-Minuten-Thermoplast-Overmolding von Thermosets: Ein-Zellen-Prozess für Automobil-Composites

Automatisiertes Preforming von thermoplastischen Bändern und anschließendes Hybridformen – Thermoformen und Spritz-Overmolding von Rippen, Clips und Bunds auf Teileoberflächen – wurden als Zukunft für Composites-Fertigung in Hochvolumenanwendungen wie Automobil gepriesen. Aber was wäre, wenn man die Zähigkeit von Thermoplasten und Funktionalität spritzgeformter Features mit der Hochleistung von Carbonfaser-verstärkten Epoxid-Teilen kombinieren könnte?

Genau dies setzte sich das dreijährige Projekt OPTO-Light, das 2018 endete, zum Ziel. Es wurde von Deutschlands Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen seiner Strategie zur Entwicklung von Photonik – lichtbasierter Technologie wie Lasern – für die Massenproduktion leichter Konstruktionen gefördert. Das Projekt wurde dem Aachen Center for Integrative Light Construction (AZL) an der RWTH Aachen Universität (Aachen, Deutschland) vergeben, das einen einzelnen Campus für Unternehmen bietet, um mit acht Forschungsinstituten an leichten Materialien, Produktionstechnologien und Anwendungen zu kollaborieren.

OPTO-Lights offensichtliche Errungenschaft ist die Kombination der hohen Steifigkeit, des geringen Gewichts und des niedrigen Kriechens von epoxidbasiertem Carbonfaser-verstärktem Kunststoff (CFK) mit der hohen Designfreiheit und den niedrigen Zykluszeiten von Thermoplast-Overmolding. Aber dies ist nur einer von unzähligen potenziellen Composites-Industrie-Disruptoren, die das Projekt erreicht hat, einschließlich:

• Entwicklung von Laser-Vorbehandlung zum Verbinden von Thermoplast auf 3D-Thermoset-Oberflächen;
• Integration von drei Technologien – Reaktionspolymerverarbeitung, Laserverarbeitung und Overmolding – in eine einzige, schnelle Zykluszeit-Fertigungszelle;
• Horizontales Prepreg-Pressformen (HPCM), bei dem Materialien vertikal befestigt werden für Verarbeitung in einer Standard-Spritzgussmaschine;
• Entwicklung eines einzelnen rotierenden Werkzeugs, das alle Anforderungen für Prepreg-Pressformen und Thermoplast-Overmolding integriert;
• Optische Teilreferenzierungsmethodik für kritische Ausrichtung von Laser-Vorbehandlung und Overmolding entlang einer freiformen 3D-Oberfläche;
• Demonstration dieses Prozesses zur Herstellung eines 3D-strukturellen Teils des Bodenpaneels für das BMW i3 Elektrofahrzeugs Life Module mit 2-Minuten-Zykluszeit.

Tatsächlich behauptet der Abschlussbericht des Projekts vom April 2018, dass diese Technologie Automobil-CFK-Teilekosten um bis zu 30 Prozent gegenüber aktueller Produktion mit Nasspressformen und Klebebindung einzelner Onserts für Clips reduzieren kann (siehe Abb. 2).

Thermoplast zu Thermoset Partner

Warum Thermoplast-Overmolding mit einem Thermoset-Composite-Teil verbinden? „Thermoset-CFK-Komponenten aus Epoxidharz bieten die besten Charakteristika für Karosserieanwendungen“, behauptet AZL-Forschungsingenieur Richard Schares. Overmolding thermoplastischer Composite-Rippen erhöht die Designsteifigkeit des Teils (Widerstandsmoment), wodurch die Menge an benötigter Carbonfaser reduziert wird. „Bei Verwendung einer Rippendicke, die der CFK-Schale entspricht, kann die spezifische Biegesteifigkeit des OPTO-Light-Demonstratorteils verdreifacht werden“, fügt er hinzu. Overmolding kann die Teilekosten weiter senken, indem es geformte Befestigungsclips oder Bunds für Schrauben bereitstellt, während gleichzeitig Isolation zur Verhinderung von Kontaktkorrosion zwischen Carbonfaser und metallischen Befestigungselementen geboten wird.

Damit war das Ziel definiert, aber die Frage war, wie man beide Materialien in einer einzigen Formzelle kombiniert. Schares erklärt, wie die Industriepartner ausgewählt wurden. „BMW hatte die meiste Erfahrung mit Serienproduktion von CFK-Teilen. KraussMaffei war sehr proaktiv bei der Schaffung Kombinationstechnologien, wie seiner ColorForm Multi-Komponenten-Spritzgussmaschine und FiberForm Hybridformmaschine.“

Das OPTO-Light-Demonstratorteil war ein 470 Millimeter langes, 317 Millimeter breites, 130 Millimeter tiefes Teil des BMW i3 Life Module Bodens, einschließlich der Endwand am Radhaus. „Die Lastfälle dieser Komponente erfordern gute Steifigkeits- und Festigkeitsmerkmale im Crashfall“, erklärt Schares. „Wir wollten auch Formkomplexität und Drapierung beweisen für horizontales Prepreg-Pressformen, Laserablation und Overmolding entlang einer Freiformoberfläche.“

Warum Photonik?

Deutschland hat eine langfristige Strategie zur Weiterentwicklung von Photonik-Technologie gefördert, wegen der Schlüsselrolle, die sie in der aktuellen globalen digitalen Transformation der Fertigung spielt. Die Composites-Industrie sollte Notiz nehmen, weil Photonik nicht nur fortschrittliche Verarbeitung wie Automated Fiber Placement, Laserschweißen von Thermoplasten, Präzisionsbearbeitung und verschiedene 3D-Druckprozesse ermöglicht, sondern auch Sensoren und visuelle Kommunikation für Metrologie, Prozessüberwachung und Inline-Inspektion. In OPTO-Light wurde ein Nahinfrarot (NIR) Laser zur Vorbehandlung von Oberflächen für Overmolding verwendet; zusätzlich lieferten verschiedene laserbasierte Sensoren Daten für Prozesskontrolle und Inline-Qualitätssicherung (QA).

Die finalen vier OPTO-Light-Partner sind deutsche photonische Systemlieferanten. Der erste, Arges (Wackersdorf), ist Experte für 3D-Scanner für Laserbearbeitung. „Es entwickelt typischerweise innovative Laserscansysteme, Positionierung und Ablenkung von Laserstrahlen in industrieller Materialbearbeitung und medizinischen Anwendungen“, sagt Schares. „Eine Arges Doppelstrahl-Einheit wurde für Ablation und Erhitzung entwickelt. Precitec (Gaggenau) lieferte den interferometrischen Sensor für Entfernungsmessung während Ablation und Teilreferenzierung im gesamten Prozess. Sensortherm (Sulzbach) lieferte das Pyrometer (Temperatursensor), das der Prozesskontrolle diente, und Carl Zeiss Optotechnik (ehemals Steinbichler, Neubeuern) steuerte den T-Scan-Laserscanner für QA bei. „Es misst Teilegeometrie und detektiert potenzielle Verformung“, erklärt Schares. „Es zeigt Defekte, wie nicht vollständig mit der CFK-Schale verbundene overmoldete Rippe.“ Alle diese Systeme sind in den multifunktionalen Laserscanner (Abb. 2) integriert, der am Ende eines sechsechsachsigen Kuka (Augsburg, Deutschland) Roboterarms montiert ist.

HP-RTM zu Prepreg-Band

Die ursprüngliche Idee war, die Epoxid-CFK-Teile mit C-RTM herzustellen, einer Art High-Pressure Resin Transfer Molding (HP-RTM), auch bekannt als Gap Imprägnation, entwickelt vom IKV Institut für Kunststoffverarbeitung. Während dieser Zeit begannen jedoch automatisierte Band-basierte Prozesse, Flüssigformen von Non-Crimp Fabric (NCF) herauszufordern, mit berichteter 30-prozentiger Reduktion von Zuschnittabfall. Snap-Cure-Flüssigepoxidharze wurden auch in Prepreg-Materialien erweitert, was Pressformen attraktiv machte, mit potenzieller Zykluszeit von ein bis zwei Minuten.

Vier unidirektionale Prepregs wurden für die Demonstratorschale evaluiert. Diese wurden in netzförmige, 2D maßgeschneiderte Blanks mittels Broetje-Automation's (Rastede, Deutschland) STAXX Bandablagezelle konvertiert.

Die geformten CFK-Schalen würden dann mit 30-prozentig kurzglasfaserverstärktem Polyamid 6 (GF/PA6) unter Verwendung von Lanxess (Köln, Deutschland) Durethan BKV 30 H2.0 901510 overmoldet. Eine KraussMaffei CXW-200-380/180 SpinForm Spritzgussmaschine wurde als Fundament für die OPTO-Light-Fertigungszelle gewählt und am AZL installiert. Sie verfügt über Schwenkplattentechnologie, entwickelt für Multi-Komponenten-Spritzguss.

Der an der schwenkbaren Platte befestigte Werkzeug wurde verwendet, um zwei verschiedene Formhöhlen für zwei verschiedene Prozesse zu bilden – Epoxid-Prepreg-Pressformen und Thermoplast-Spritz-Overmolding. „Niemand hat zuvor ein solches Werkzeug erstellt“, weist Schares hin. BMW und KraussMaffei verbrachten viele Wochen damit, alle Anforderungen für beide Prozesse zu finalisieren, einschließlich Toleranzen aufgrund verschiedener Temperaturzonen, Drehgenauigkeit und Abdichtung für das Thermoset-Harz sowie die Standarddetails für Spritzgusswerkzeuge.

Laserablation und Teilreferenzierung

Die aus dem Pressformprozess resultierende Epoxid-CFK-Schale muss vor dem Thermoplast-Overmolding behandelt werden, um ausreichende Verbindungsfestigkeit zwischen den unterschiedlichen Materialien zu erreichen. Laserablation bietet einen umweltfreundlichen, einkrittigen Prozess im Vergleich zu mechanischer oder chemischer Vorbehandlung und ermöglicht präzise Ablationstiefe und -pfad, gut geeignet für das Verbinden von Rippen an Teile entlang 3D-Oberflächen. Die Ablationsmethode beinhaltet das Freilegen der Carbonfasern durch lokales Entfernen der obersten 10-Mikron-dicken Epoxidharzschicht. Dies reinigt die Oberfläche und erzeugt eine Mikrostruktur, die es dem Overmolding-Compound ermöglicht, die freigelegten Fasern zu benetzen und zu infiltrieren.

Der multifunktionale Laserscanner emittiert einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1,064 Nanometern in Nanosekundenpulsen. „Man braucht hohe Intensität, und Pulsieren erreicht dies am effizientesten“, erklärt Schares. „Wir versuchten einen Continuous-Wave-Laser, aber er führt zu viel thermischen Stress in das Composite-Laminat unter den Fügezonen ein, was die Faser-Epoxid-Haftung reduziert. Einen prozesstauglichen Strahlquellen zu finden, der für Remote-Processing in einer industriellen Umgebung genutzt werden kann, war nicht einfach.“

Da die overmoldeten Rippen den vorbehandelten Bereichen entsprechen müssen, erfordert der Ablationsprozess hohe Positioniergenauigkeit. Das anschließende Platzieren des overmoldeten Glasfaser/PA6-Composite-Materials ist streng durch das Formwerkzeug definiert. Daher wurde eine notwendige Teilreferenzierungsmethodik von AZL entwickelt. „Der Versatz zwischen der vorbehandelten Geometrie und dem overmoldeten Compound sollte weniger als 300 Mikrometer betragen. Daher muss die Genauigkeit für den Mittelpunkt des Laserscanfelds (Tool Center Point) innerhalb von 150 Mikrometern relativ zum Referenzpunkt liegen. Dies wurde erreicht, ebenso wie eine Zykluszeit von weniger als zwei Minuten für die Laser-Vorbehandlung. „Sehr wichtig war die Vorarbeit des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT) zur Pfadgenerierung für Roboter und Laserstrahl – das war nicht trivial“, sagt Schares. Das System bewies tatsächlich seine Tauglichkeit – Testergebnisse zeigten eine Scherfestigkeit von 27 MPa zwischen dem GF/PA6-Overmold und dem Epoxid-CFK-Substrat.

Kürzere Prozesswege

Während die Vorteile des initialen Prozesses dokumentiert wurden, erkannte das OPTO-Light-Team, dass es möglich war, die Laser-Vorbehandlung zu eliminieren. Dieser Zweischritt-Prozess würde den Epoxid-Prepreg-Schale nur teilweise aushärten und die verbleibende Reaktivität im Epoxidharz nutzen, um Haftung mit dem Thermoplast-Overmolding zu erreichen. Drei potenzielle Mechanismen existieren für die Verbindung zwischen unausgehärtetem Epoxid und PA6:

• Kovalente Bindung zwischen reaktiven Epoxidringen und PA-Amingruppen;
• Wasserstoffbrückenbindungen mit Amins Wasserstoff als Donator und Epoxids Sauerstoff als Akzeptor;
• Halb-interpenetrierende Netzwerke durch Diffusionsprozesse, möglich durch hohe Temperatur-Mobilität der PA-Molekülketten.

Der Vorteil dieses Zweischritt-Prozesses, so Schares, „ist, dass man die Vorbehandlung überspringen kann, aber die erforderliche Prozesskontrolle ist viel anspruchsvoller und die Oberflächenqualität nicht so hochglänzend. Allerdings ist die weitere Kostensenkung durch Vereinfachung der Produktion sehr attraktiv.“

Der Schlüssel zu diesem Prozessweg ist Prozessüberwachung. „Man muss in den Prepreg-Pressformprozess hineinschauen, weil Wissen über den Aushärtungszustand sicher sein muss, um eine gute Verbindung mit dem Thermoplast-Overmolding zu erreichen“, erklärt er. Diese Aushärtungszustandsüberwachung wurde durch In-Mold-Druck- und Temperatursensoren sowie In-Mold-Direct-Current-Resistivity (DCR) und Dielektrische Analyse (DEA) Sensoren erreicht.

DCR und DEA sind gut etabliert für Aushärtungsüberwachung in Composites. In OPTO-Light umfasst die DCR/DEA-Prozesskontrolle ein Optimold-System von Synthesites (Uccle, Belgien) einschließlich einem langlebigen 16-Millimeter-DCR-Sensor und Optiview-Software. Optimold überwacht den elektrischen Widerstand und die Temperatur des Harzes bis 210 °C und Druck von 90 bar mit einer Abtastrate von 1 Hz. Der DEA288 Epsilon Analysator von Netzsch Gerätebau (Selb, Deutschland) umfasst eine 4-Millimeter-Keramik-Monotrode und Proteus-Software. Kistler Instruments (Winterthur, Schweiz) DataFlow-Software für Spritzgussoptimierung ist eine weitere Schlüsselkomponente.

Der Prozess, beginnend mit der Fixierung des Prepreg-Preforms im Werkzeug und endend mit der Auswerfung aus der Spritz-Overmolding-Kavität, wird durch die DCR/DEA-Sensorsignale beschrieben. Diese Daten sind entscheidend für die Bestimmung der optimalen Aushärtezeit im Pressformen vor dem Wechsel zum Spritzguss für Aushärtungsvollendung und Overmolding. Die Sensoren helfen, das Material während der Verarbeitung für optimale Teilequalität zu charakterisieren. In Zukunft könnte der Prozess adaptiv und intelligent sein, mit Prozessumschaltung, ausgelöst durch DEA- und DCR-Sensorsignale.

Initialtests zeigen eine Abzugsfestigkeit von 9 N/mm² und eine noch höhere Scherfestigkeit für die Epoxid-PA6-Verbindung mit diesem zweiten, kürzeren OPTO-Light-Prozessweg. Die Arbeit zur Verbesserung dieser Verbindungsfestigkeit läuft weiter, einschließlich weiterer Nutzung von Prozessüberwachung. Das Team erforscht auch einen Ein-Schritt-Prozess, bei dem horizontales Prepreg-Pressformen kein separater Prozess mehr ist, sondern stattdessen gleichzeitig mit Overmolding erreicht wird.

Hybridisierung für zukünftige Disruption

OPTO-Lights Potenzial für Disruption wurde mit dem AVK Innovation Award für die Forschung und Wissenschaft Kategorie 2017 anerkannt. Der Abschlussbericht des Projekts 2018 behauptet, dass für Composites, um Kostengleichheit mit Metall in der Serien-Automobilproduktion zu erreichen, es notwendig ist, nicht nur die Integration von Funktionen in Teilen zu maximieren, sondern auch die Integration der Prozesse, die zur Herstellung dieser Teile verwendet werden. OPTO-Light hat eine Reihe von Technologien entwickelt, einschließlich Photonik-basierter Metrologie, Oberflächenbehandlung und Thermoplast/Thermoset-Formen, die beides ermöglichen. Diese Technologien öffnen auch die Tür für weitere hybride Prozesse, wie Laserverarbeitung zur Ergänzung des Spritzgusses. „Indem man das entwickelte Lasertool in die Formzelle integriert, hat man jetzt die Möglichkeit, Laserablation, Schneiden, Vorbehandlung oder Erhitzung vor, zwischen oder nach Polymerprozessen innerhalb der Spritzgussmaschine durchzuführen“, erklärt Schares. „Dies erweitert die Funktionalität zukünftiger Teile.“

Die Idee, mehrere Fertigungsprozesse in eine einzelne Arbeitszelle zu kombinieren, gewinnt in Composites an Dynamik. Zum Beispiel bieten viele CNC-Maschinenhersteller jetzt Zellen an, die additive Fertigung und subtraktives CNC-Bearbeiten kombinieren. MF Tech (Argentan, Frankreich) hat 3D-Filamentwickeln und CNC-Bearbeitung kombiniert, und Mitgründer Emanuel Flouvat bestätigt weitere Hybridisierung, mit Robotern, die Endeffektoren zu Ultraschall- oder Laserschweißern für Thermoplast-Verbindung oder automatisierten Faserablageköpfen für lokale Patches unidirektionaler Bänder wechseln können. „Indem man ein robotergeführtes Lasersystem integriert, wird der ‚Werkzeugkasten‘ für die Definition weiterer Inline-Kombinationstechnologien erweitert“, sagt Schares. Dies ist ein weiterer signifikanter Schritt vorwärts in diesem Fortschritt hin zu automatisierter, multi-prozess Composites-Fertigung, die zweifellos bald Elektronik in Fertigprodukte integrieren wird.

Die finale Lektion, die OPTO-Light in Hybridisierung bietet, liegt in seiner Partnerschaft. „Die interessanteste Herausforderung bei der Verwaltung dieses Projekts war, wie man all die verschiedenen Partner, jeder mit seiner einzigartigen Expertise – z. B. Photonik, Reaktionspolymere, Spritzguss, Metrologie – nimmt und sie ein gemeinsames Verständnis der Effekte jeder Operation entwickeln und vorantreiben lässt, um diese einzelne Prozesskette erfolgreich zu machen“, sagt Schares. Er betont die Wichtigkeit der Expertise und Unterstützung, beigetragen von fünf Partnerinstituten – IKV Spritzguss, IKV Reaktionspolymere, ISF für Schweißen und Fügen, Fraunhofer IPT für Laserintegration und Fraunhofer ILT für alternative Laserquellen. „Dieses Projekt demonstrierte die Fähigkeit solcher interdisziplinärer Entwicklung, technische Herausforderungen für kostenreduzierte Composites-Produktion effizient zu lösen“, sagt Schares. Es hat auch den Grundstein für noch weitere disruptive Innovation gelegt.

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