연속 테이프, D-LFT가 새로운 압축 성형 공정에서 만나다

독일 연방 교육 연구부(BMBF)가 감독하고 E-모빌리티를 위한 시스템 통합 다중 재료 경량 설계(SMiLE)라고 하는 다년간의 공적 자금 지원 연구 프로그램으로 복합 재료와 비철금속을 결합하여 질량과 비용을 줄였습니다. BEV(Battery-Electric Vehicle)의 BIW(body-in-white) 구조. 후면 바닥 모듈은 두 가지 유형의 열가소성 합성물과 금속 프로파일 및 인서트를 사용하여 설계되었습니다. (CW에서 자세히 알아보기 의 2018년 12월 디자인에 집중하세요. ) 이 로드 플로어를 빠르고 비용 효율적으로 생산하기 위해 새로운 1단계 압축 성형 하위 공정이 개발되었으며 열가소성 테이프를 빠르게 가열하고 통합하는 신기술이 사용되었습니다.

UD 테이프 + D-LFT

하이브리드 복합재 후방 로드 플로어는 단방향(UD) 열가소성 테이프와 D-LFT(직접 장섬유 열가소성 수지) 복합재를 사용합니다. 열가소성 테이프는 충돌 시 높은 좌굴 하중을 견딜 수 있는 얇고 가벼운 구조로 높은 강성/강도를 제공했습니다. D-LFT는 복잡한 형상을 형성하는 기능, 기능적 통합/부품 통합 및 금속 부착 기능을 인서트-몰딩하는 기능을 제공했습니다. BASF SE(독일 루트비히스하펜)의 40wt% 유리 섬유 강화재가 포함된 Ultramid B3K 폴리아미드 6(PA6) D-LFT와 60wt% 유리 섬유가 포함된 Ultratape B3WG12 PA6의 8개 레이어가 사용되었습니다.

D-LFT는 사출 또는 압축 성형이 가능하고 테이프 라미네이트는 사출 오버몰딩이 가능하지만 두 재료 모두 일반적으로 압축 성형됩니다. 이는 SMiLE 프로그램의 하루 300대라는 목표를 지원하기에 충분한 설치 용량을 가진 잘 알려진 자동차 공정입니다. .

UD 테이프와 D-LFT는 종종 두 가지 방법 중 하나로 동일한 부품에 결합됩니다. 두 테이프 중 하나는 더 나은 기계적 특성이 필요한 주로 D-LFT 구조의 하중 경로에 선택적으로 추가됩니다. 테이프 대신 또는 테이프와 함께 연속 섬유 로빙을 사용하거나 테이프와 D-LFT를 사용하여 부품의 반대쪽을 덮습니다. 첫 번째 기술에서는 유동성 D-LFT가 오버몰딩 중에 얇은 테이프를 밀어내기가 쉽기 때문에 테이프 위치를 유지하기 위해 도구 내부에 클립이나 기타 하드웨어를 사용해야 합니다. 주로 D-LFT 구조에서 테이프를 선택적으로 사용하는 것이 비용이 덜 들지만, 이러한 부품은 D-LFT에 대한 더 높은 비율의 테이프를 사용하는 부품만큼 강하거나 가볍지 않습니다. 두 번째 기술로 부품의 반대쪽에 테이프와 D-LFT를 적용하면 D-LFT 면에서 더 나은 기능 통합/부품 통합이 달성되고 UD 테이프 면에서 더 높은 강성/강도가 달성됩니다("하이브리드 열가소성 수지 Molding:Toughening Automotive Composites”), 그러나 결과 구조는 여전히 상대적으로 무겁고 가능한 한 뻣뻣하고 강하지 않습니다.

차량 적재 바닥의 안전이 중요한 특성과 충돌 에너지를 흡수하기 위해 전체 열가소성 복합 재료 후면 적재 바닥을 사용하려는 SMiLE 연구원의 열망을 감안할 때(기존의 모든 금속 또는 새로운 하이브리드의 축 측면에 장착된 금속 프로파일뿐만 아니라) 복합 적재 바닥), 후방 적재 바닥을 가능한 한 단단하고 강하게 만드는 것이 중요했습니다. 연구원들은 프로젝트 목표를 달성하기 위해 무게와 비용을 모두 줄여야 했고 충돌 시 좌굴을 피하면서 적재 바닥을 얇게 유지하고 주요 위치(예:2열 안전 벨트 부착 지점)에 기능을 추가하기를 원했기 때문에 개발했습니다. 대부분의 하중 바닥이 열가소성 테이프(몰딩 전에 라미네이트로 사전 통합됨)인 새로운 D-LFT/압축 성형 하위 프로세스, D-LFT는 리브와 복잡한 형상이 필요한 경우에만 선택적으로 적용되지만 테이프 라미네이트로 형성할 수 없음 혼자.

팀은 또한 단일 단계로 1.3x1.3m의 후방 적재 바닥을 생산하기로 결정했습니다. 압축 성형 프레스 내부. 이 모든 목표를 실현하려면, 이 팀은 흥미롭고 혁신적인 툴링과 순차적 성형 프로세스의 조합이 필요했습니다.

로컬 고급 맞춤형 LFT

리어 로드 플로어의 최종 디자인은 라미네이트로 사전 통합된 UD 테이프를 통해 생성된 얇은 껍질, 거의 그물 모양의 구조입니다. 부품의 세로축을 따라 큰 주름이 포함되어 있어 낮은 질량과 두께로 높은 강도를 제공합니다. 그러나 연구원들은 이러한 주름이 대형 라미네이트에서 성형하기 어려울 것이라는 것을 알고 있었습니다. 우수한 드레이핑을 보장하기 위해 시뮬레이션을 사용하여 주름(높이 50mm x 너비 115mm)의 재현 가능한 형성을 확인하고 주름을 최소화하는 금형을 설계했습니다. 그들이 잘못되어 주름이 올바르게 성형되지 않으면 라미네이트가 주름지거나 평면 밖으로 이동할 수 있으며 D-LFT와의 결합 강도가 떨어질 수 있습니다. 가상 프로토타이핑은 일반적으로 핸드 레이업으로 수행되는 것과 유사한 최상의 성형 순서가 안쪽/중앙에서 바깥쪽으로 측면을 향하는 것이라고 예측했습니다. 하나의 성형 단계(메인 프레스 외부에서 라미네이트가 사전 성형되지 않은 경우)에서 순차적 성형 공정을 수행할 수 있는 유일한 방법은 툴링 작업(슬라이드)을 사용하는 것이었습니다.

슬라이드는 매우 복잡한 사출 성형 도구에서 일반적입니다. 압축 성형에서 전례가 없는 것은 아니지만 덜 일반적이고 사용될 때 훨씬 덜 복잡한 경향이 있습니다. 연구원들은 D-LFT에서 오버몰딩하지 않고 라미네이트에 주름 및 기타 구조를 형성하기 위해 6개의 이동 가능한 공동(4개의 슬라이드 사용)이 있는 도구를 설계했습니다. 그렇지 않으면 부품에 상당한 질량과 두께가 추가되었을 것입니다.

라미네이트/D-LFT 리브 조인트의 계면 강도에 대한 초기 작업은 오버몰딩 전에 라미네이트가 PA6 매트릭스의 융점보다 낮은 130°C의 온도를 유지하고 D -LFT는 PA6의 융점보다 높은 280°C에서 도구로 전달되었습니다. D-LFT 전하가 배치되기 전에 라미네이트가 도구에 대해 너무 빨리 냉각되는 것을 방지하기 위해 연구원들은 도구의 캐비티 쪽에 있는 완전히 확장된 이젝터 핀에 라미네이트를 놓았습니다. 두 개의 D-LFT 충전물이 전달되면서 이젝터 핀이 낮아지고 금형이 닫히기 시작했습니다. 다음으로 4개의 슬라이드(그 중 3개는 기계의 유압 시스템을 사용하여 작동되고 4개는 스프링 작동으로 작동됨)는 깊은 주름을 포함하여 라미네이트를 형성하기 위해 순서대로 확장됩니다. 프레스가 완전히 닫히면 D-LFT 리브 구조(복잡한 X자형 격자)가 형성되었습니다. 연구원들은 이 순차 성형 기술을 로컬 고급 맞춤형 LFT라고 불렀습니다.

기존 압축 도구 설계에서 또 다른 방식으로, 몰드는 대부분을 구성하는 유동성이 없는 테이프 라미네이트에 대해 유동성 D-LFT의 선택 전하를 몰딩하기 위해 D-LFT가 부품 모서리로 흐르는 섹션에서만 전단 모서리로 구성되었습니다. 구조입니다.

방사선 유도 진공 통합 기술

재현 가능한 성형 거동과 최종 부품의 높은 기계적 성능을 보장하기 위한 중요한 공정 단계는 테이프 통합입니다. 성형 직전에 열가소성 테이프 스택을 빠르게 가열함으로써 플라이 내부와 플라이 사이의 공극이 제거되고 우수한 통합/섬유 함침이 달성됩니다. 이 단계가 속도 제한 단계가 되지 않도록 하기 위해 프로세스는 자동화된 열가소성 테이프 레이업의 속도(독일 에핑겐 소재 Dieffenbacher GmbH의 Fiberforge RELAY 테이프 적층 기계가 사용됨)와 압축 성형 주기를 일치시켰습니다. 프레스, 3,600톤 Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS 프레스(역시 Dieffenbacher의 프레스)는 리어 로드 플로어를 형성하는 데 사용되었습니다.

SMiLE 이전에 Fraunhofer Institute for Chemical Technology(F-ICT, Pfitztal, Germany) - 더 큰 SMiLE 프로그램에서 전면 및 후면 로드 플로어 개발을 주도했으며 다른 프로그램과 함께 현지 고급 맞춤형 LFT 순차 성형 공정 개발을 도왔습니다. 파트너 — UD 테이프 스택을 라미네이트로 빠르게 통합하기 위해 복사 유도 진공 통합 기술이라고 하는 혁신적인 프로세스를 개발했으며 이후에 후면 열가소성 로드 플로어를 생산하는 데 적용되었습니다. 이후 Dieffenbacher는 Fibercon이라는 기계로 상용화했습니다. 이 프로세스는 테이프의 함침 결함을 치료하도록 설계되어 최종 부품의 공극을 최소화하면서 저렴한 테이프를 사용할 수 있습니다. 여기에는 전체 스택을 진공 상태로 유지하면서 플라이 스택의 상단 및 하단 레이어에 다량의 적외선(IR) 열을 적용하는 작업이 포함됩니다(전달은 플라이 스택이 놓이는 IR 투명 유리판을 통해 이루어짐). 이것은 공기를 제거하고 수지를 흐르게 하고 테이프 내부와 테이프 사이의 틈을 채웁니다. 열은 짧은 시간 동안만 가해지기 때문에 테이프가 서로 접착되어 플라이 스택을 제자리에서 움직이지 않고 빠르게 고형화할 수 있습니다. 또한 플라이 스택을 전체적으로 높고 일관된 특성을 가진 라미네이트로 빠르고 균일하게 통합하여 성형 거동을 재현 가능하고 시뮬레이션하기 쉽게 만들고 최종 부품에서 높은 기계적 특성을 보장하도록 설계되었습니다. 또 다른 문제는 경로 통합 라미네이트에서 열을 유지하는 방법이었습니다. 성형 전에 라미네이트를 재가열하기 위해 에너지를 낭비하지 않고 우수한 성형 특성을 보장합니다. 일단 통합되면 현재 융합된 라미네이트는 기계에서 제거되기 전에 빠르게 재가열되고 성형을 위해 프레스로 빠르게 이동됩니다.

최종 프로세스 순서

리어 로드 플로어의 최종 프로세스 시퀀스는 4개의 장비에서 이루어졌으며 그 중 3개는 작업 셀에서 동시에 작동합니다.

먼저 Fiberforge RELAY 테이프 부설 시스템을 통해 시뮬레이션에 의해 결정된 방향을 사용하여 테이프를 자동으로 적층했습니다. 인덱싱 테이블을 사용하면 플라이 스택의 각 레이어에서 거의 모든 방향으로 테이프를 쉽게 적층할 수 있습니다. 각 레이어의 개별 테이프는 스폿 용접을 통해 아래 레이어에 가볍게 고정되고, 바닥 레이어는 진공을 통해 레이업하는 동안 제자리에 고정됩니다. 테이프는 각 레이어의 각 조각에 대해 개별적으로 절단되므로 낭비가 최소화되고 성형 후 트리밍이 최소화됩니다. 또한 이 시스템은 압정 전에 테이프 가장자리를 트리밍하여 스택에 구멍/창을 쌓을 수 있으므로 금형 후 트리밍을 줄이고 스크랩과 비용을 더욱 줄일 수 있습니다.

다음으로, 플라이 스택은 Fiberforge RELAY 기계에서 Fibercon 기계로 이동되어 해당 장치의 유리판 사이에 놓였습니다. 장치가 닫히면서 스택에 진공이 당겨지고 IR 열이 상단 및 하단 플레이트를 통해 짧은 시간 동안 투사되어 PA6 매트릭스를 융점(~230°C) 이상으로 빠르게 가열하고 수지를 흐르게 하고 공극을 제거했습니다. 그런 다음 라미네이트를 수지의 결정화 온도(~180°C) 아래로 냉각하여 개별 테이프를 단일 라미네이트로 통합했습니다.

이전 부품을 방금 꺼낸 현재 열려 있는 압축 프레스에서 이젝터 핀은 생략되었고 연구원들은 다음 재료 라운드가 도착하기를 기다리는 동안 두 개의 알루미늄 프로파일과 여러 금속 인서트를 도구의 상부/코어 측면에 수동으로 로드했습니다.

Fibercon의 여전히 뜨거운 라미네이트는 PA6의 융점 이상으로 다시 가열되고 장치가 열리고 라미네이트가 개방형 압축 프레스로 옮겨졌습니다. 공기는 강철보다 열전도율이 낮기 때문에 라미네이트는 D-LFT 전하가 도착하기 전에 라미네이트의 열을 유지하는 데 도움이 되도록 공구의 공동 측면에 있는 완전히 확장된 이젝터 핀에 놓였습니다.

테이프를 쌓고 통합하는 동안 두 개의 압출기(Dieffenbacher의 인라인 컴파운더 시스템)를 사용하여 근처의 D-LFT 재료를 컴파운딩하고 있었습니다. 첫 번째 압출기는 수지와 첨가제를 결합한 반면 두 번째 절단된 섬유는 원하는 길이로 결합한 다음 수지/첨가제를 섬유와 결합하여 완전히 혼합되고 미리 칭량된 뜨거운 D-LFT 충전물을 생성한 다음 압축 프레스로 전달되었습니다. 로드 플로어의 경우 2개의 D-LFT 충전물이 이젝터 핀을 후퇴시켜 도구로 내려갈 때 라미네이트 위에 놓였습니다.

더 뜨거운 D-LFT 충전물이 더 차가운 라미네이트 위에 놓이면서 프레스가 닫히기 시작했고 4개의 슬라이드가 차례로 전개되어 완전한 도구 폐쇄 전에 라미네이트를 사전 성형했습니다. 슬라이드를 순차적으로 적용하면 주름을 포함한 3D 형상이 형성될 때 라미네이트의 주름이 방지되었습니다. 상단 도구가 닫히면 테이프 라미네이트가 완전히 형성되고 뜨거운 D-LFT 충전물이 1,430MT에서 늑골이 있는 격자 구조로 성형되었습니다. 완전히 통합된 금속 인서트가 있는 전체 부품은 프레스가 열린 후 배출되었습니다.

생산 환경에서는 니들 그리퍼가 장착된 갠트리 로봇을 사용하여 모든 자재 처리를 수행했지만 SMiLE 연구 프로그램에서는 손으로 수행했습니다. 연구 프로그램의 경우 전체 성형 주기는 240초로 로드 플로어의 두꺼운 리브를 성형하여 느려졌습니다. 연구원들은 생산 환경에서 툴링을 추가로 수정하면 사이클 시간을 100초 미만으로 줄일 수 있으며 프레스에 배치하기 전에 라미네이트를 미리 성형하면 사이클 시간을 훨씬 더 낮출 수 있다고 믿습니다.