家庭用電化製品：ハイブリッド複合カバー

SABICは最近の調査で、1 mmの厚さのカバーが、非常に薄いノートブックコンピューターまたはタブレットに関連するすべての業界パフォーマンス仕様を満たすことができることを示しました。ソース、すべての画像| SABIC

家庭用電化製品は、製品世代間のサイクルタイムが非常に短いダイナミックな市場です。消費者は、スマートフォン、スマートウォッチ、タブレット、ノートブック/ラップトップから、より高速な動作速度、より長持ちするバッテリー、より優れた耐久性、より多くの機能をより低いコストと重量で求めています。消費者の需要を満たすために、OEMは、軽量で薄壁のセクションで、高い美観と設計の自由度、優れた耐衝撃性、高剛性（この市場での品質を意味する）を備えた材料をサプライヤーに求めています。彼らはまた、年間数千万台の世界的な生産需要を満たす、費用効果が高く再現性の高い処理方法を望んでいます。これらの圧力により、市場は最初にカバー/ケースおよびフレーム用の軽量金属に押し上げられ、現在は金属/複合および完全複合ソリューションに向けて推進されています。

SABIC（Bergen op Zoom、オランダ）が実施した実現可能性調査では、2種類の熱可塑性複合材料を使用して、厚さ1mmのノートブックコンピューター/タブレットカバーを製造しました。この調査では、ハイブリッド熱可塑性複合材料の設計が、困難な家電市場にとって実行可能なソリューションになる可能性があることが示されました。

テストケース

2012年以来、SABICは、独自の一方向（UD）繊維強化熱可塑性複合テープ（「連続繊維強化への進化」を参照）を開発するために一連の投資を行ってきました。繊維熱可塑性（LFT）材料であり、SABICをより高性能な熱可塑性複合材料に拡張することができました。 2015年、同社はテープメーカーのFiber Reinforced Thermoplastics BV（FRT、オランダ、レリスタット）の過半数の株式を購入し、2017年には、機械メーカーであり複合加工の開発者であるAirborne（オランダ、ハーグ）と提携し、少数投資家になりました。行。

SABICとAirborneは、真に大量の市場向けにネットシェイプの高品質熱可塑性テープベースのラミネートを迅速かつコスト効率よく製造するための技術を設計および構築したため（「高速、高速熱可塑性複合材料の製造」を参照）、チームテストケースを探し始めました。このデモンストレーターは、不連続な繊維強化コンパウンドでオーバーモールドされた複合テープから製造された熱可塑性複合ラミネートの設計コンセプトを証明するための重要なマーケティングツールになります。チームが両方の材料技術のために開発した予測エンジニアリングツールをテストし、オランダで進化する高速製造プロセスを紹介することも重要です。

「私たちは家電アプリケーションに特化することに決めました」とSABICのグローバルコンポジットリーダーであるGinoFrancatoは説明します。 「この市場は非常に興味深いものです。なぜなら、携帯電話やノートブックをより軽く、より薄くするために、軽量の素材に移行するという真の野心があるからです。そして、彼らは何百万ものそれらを作っているので、私たちはこの市場が提供する挑戦に挑戦することに決めました。」

「私たちは、かなり複雑であるがあまりにもではないものから始めることにしました。 複雑です」とSABICのスタッフサイエンティストであるScottDavis氏は説明します。グローバルアプリケーションテクノロジーです。チームが最終的にスマートフォンのコンポーネントに変換することを望んでいた、非常に薄いノートブックコンピューターまたはタブレットのトップカバーは、開始するのに適した場所のようでした。 「私たちはシンプルな全体的な形状である長方形を使用していましたが、それでも高い美観を維持し、アタッチメント機能を含め、B面に多くの複雑さを提供する必要がありました」とDavis氏は続けます。 「カバーを非常に薄く保つ必要がありましたが、それでも業界で一般的な困難なたわみ要件を満たしています。そしてもちろん、複雑な新しい製造プロセスを通じて、非常に一貫性のある製品を提供する必要がありました。」

彼らは実際の顧客の設計ではなく、画面の保護カバーを作成するだけだったため、一般的なジオメトリを使用しました。実際、Davis氏は、内部開発のために射出工具を切断し始めたとき、タブレットまたはノートブックのカバーを作成するかどうかさえわからなかったため、カバーはどちらでも機能するように設計されていたと述べています。 「複合ソリューションを大量生産できるようにするためには、多くの課題がありました」とDavis氏は付け加えます。 「実際、テープ開発、ラミネート開発、プロセス開発など、同時に多くのことが起こっていました。これらすべてが完成してツールを開始するのが待ちきれませんでした。それが最終的にその設計になりました。」基本的な設計が完了したので、チームは、ゲートへの最適な方法、ラミネートインサートとオーバーモールドコンパウンドの間に必要なオーバーラップの種類、ツール内の自動配置の処理方法、係数（線形）2つの複合材料間の熱膨張（CLTEまたはCTE）の不一致、および簡単に再現可能な部品の作成方法。

困難な要件への対応

目標は、高剛性を提供し、すべての性能と美的要件、特に中心点たわみ試験に合格する厚さ1mmの上部カバーを開発することでした ラップトップのカバーに定期的に適用して、下にある画面を損傷するのに必要な負荷を評価します。荷重/たわみの要件はOEM、デバイス、モデルによって異なりますが、通常、40〜120ニュートンの圧力で3〜5ミリメートル以下のたわみが許容されます。これは、カバーに押し込まれた指または肘によって加えられる荷重をシミュレートする状況です。人間のユーザーが立ち上がる。多くの業界では、このようなテストに合格するための戦略はセクションの厚さを増やすことですが、この市場では、デバイスのサイズや重量を増やすことなく、より大きなバッテリーやその他のコンポーネントのためのスペースを解放するより薄い設計を重視しています。したがって、チームは、画面の損傷を防ぐために別の設計戦略を使用する必要がありました。つまり、より硬い材料を選択し（ラミネートインサートを介して）、ジオメトリを使用します（たとえば、射出オーバーモールドを介してリブを作成します）。しかし、最初に、彼らは材料を指定しなければなりませんでした。

これらの材料の1つであるポリカーボネート（PC）は、その優れた美観と高い衝撃強度により、カバーやその他のコンポーネントにこの業界ですでに広く使用されています。ポリマーの最大の弱点は耐薬品性と表面の引っかき傷ですが、ほとんどのカバーに適用されるコーティング、ペイント、または両方の組み合わせは、一般にこれらの潜在的な問題を克服します。

「超軽量コンピューターは非常に薄いため、内部のパッケージスペースは非常に貴重であり、たわみと機械が非常に重要になります」とFrancato氏は指摘します。 「コストの観点からガラス[補強材]を使用したいのですが、必要な剛性を得るためにカーボン[繊維]を使用する必要がありました。」その結果、評価されたすべてのテープベースのラミネートは、炭素繊維強化ポリカーボネートのバリエーションでした。当時、SABICの子会社であるFRTで開発中のグレードです。

SABICは、ラミネートのタイプとアーキテクチャ（オーバーモールドコンパウンドありとなし）と成形部品の性能をシミュレートする予測モデルを開発し、予測と実験結果の間に強い相関関係が達成されたことを報告しています。予測エンジニアリングツールは、材料開発を加速すると言われています。

オーバーモールディングコンパウンドには別のアプローチが必要でした。当初の戦略は、より長い繊維のLFTコンパウンドを使用することでしたが、高い美的要件、部品サイズ、ゲーティング戦略など、さまざまな理由から、短繊維のコンパウンドはプロジェクトの要件をより適切に満たしていました。もう1つの問題は、使用するファイバーの種類でした。 「ショートカーボンインジェクションコンパウンドは、使用するのが非常に難しく、それでも高い美観を得ることができます」とフランカートは続けます。 SABICの子会社であるLNPEngineering Plastics、Inc。（米国ペンシルベニア州エクストン）は、デバイスOEMに人気のある、優れた美観と剛性を備えた多くのガラス繊維/ PCグレードを提供しているため、チームはそれらに焦点を合わせました。

完全アモルファスPCは、半結晶性ポリマーよりも反りが発生しにくいですが、チームは、高度に強化された異方性のUD炭素繊維テープと、より低い繊維負荷でのより等方性の不連続な短ガラス繊維オーバーモールドグレードとのCLTEの違いについて心配していました。 「このような薄い壁では、エラーの余地がほとんどないため、CLTのわずかな違いは、慎重に検討する必要がありました」とDavis氏は説明します。 「そして、それは、ゲートの位置、充填パターン、充填圧力、ニットラインなど、射出成形時に懸念されるすべての通常の問題にさえ触れていません。これらの要因はすべて、物理テストでシミュレートおよび検証されました。」

材料が選択されると、SABICエンジニアは、金型充填、構造解析、反りシミュレーションを複数回繰り返して、積層レイアップ、形状、材料の組み合わせを評価し、荷重/たわみ試験の剛性に加えて、その他の性能とコストの要件を最適化しました。同社は、ラミネートアーキテクチャ、オーバーモールドコンパウンド組成、さまざまな処理およびツーリングオプションと成形部品の性能を迅速にモデル化およびシミュレートできる、包括的で正確な複合材料モデリングツール（顧客が利用可能で、共通の構造および処理コードで実行）を開発したと述べています。これらのツールは、予測と測定されたパフォーマンスの間に強い相関関係を達成すると言われており、カスタム材料の開発を加速するのに理想的です。

プライムタイムの準備ができました

最終的なラップトップ/タブレットカバーの前面は、炭素繊維強化ポリカーボネートテープベースのラミネートインサートを短ガラス/ポリカーボネート-共重合体化合物でオーバーモールドして製造されました。この組み合わせは、関連するすべての機械的および美的要件を1-ミリメートルの厚さの部分。

最終的なデモンストレーターは、7層の開発用UDMAXカーボンファイバー/ PCテープ（55％ファイバー体積分率）から製造されたラミネートインサートを備え、40％ファイバーで注入オーバーモールドされる前に、統合、トリミング、予備成形、および最終ネット形状に再度トリミングされます。 -体積分率THERMOCOMPD452短ガラス繊維/ PCコポリマー（高流動性と高美観に最適化され、このセグメントですでに広く使用されているグレード）。この組み合わせにより、低い質量とセクションの厚さで高い剛性と強度を備えたカバーが作成され、多数の3Dデザインの詳細、取り付け機能、優れた美観が含まれるため、各素材の長所を活用できます。伝えられるところによると、カバーは必要なすべての業界テストに合格し、現在デバイスOEMによって評価されています。

完成したカバーの裏側。

AirborneとSABICの間の作業は、SABICの家電市場の目標にも実を結びました。パートナーシップは2018年に発表され、今年は両社がデジタルコンポジット製造ラインと呼んでいるものについてさらに詳しく説明されています。このラインでは、熱可塑性複合テープから1分あたり4つのネットシェイプの統合ラミネートインサート、または単一の生産ライン。このシステムは、柔軟性があり（レイアップアーキテクチャとマテリアルの点で）、高速であると言われています。 2020年以降、Airborneはこのラインを使用して家電製品に商用利用するラミネートを製造し、この競争の激しいペースの速いセグメントで熱可塑性複合材料の普及を大幅に促進することを両社が期待するリソースになります。